無(wú)線(xiàn)數據通信的分布式實(shí)時(shí)水文監測系統

摘要：介紹基于無(wú)線(xiàn)數據通信的分布式實(shí)時(shí)水文監測系統，該系統具有實(shí)時(shí)監測和報警、歷史數據本地遠程查詢(xún)、水文趨勢預測和分析等功能。同時(shí)詳盡闡述了無(wú)線(xiàn)擴頻技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)數據通信的抗干擾措施等。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)數據通信 擴頻 抗干擾 硬件/軟件設計

長(cháng)江流域發(fā)生洪災的頻率逐年增加，防洪成了治理長(cháng)江的首要任務(wù)。怎樣才能更好地掌握河流的水文特征、預測訊期的來(lái)臨，做好防洪準備，水文實(shí)時(shí)監測就成了防水治水的重要環(huán)節。為了避免人工監測中存在的弊端，開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線(xiàn)數據通信的分布式遠程實(shí)時(shí)水文實(shí)時(shí)監測系統。該系統具有實(shí)時(shí)監測和報警、歷史數據本地和遠程查詢(xún)、水文趨勢預測和分析等功能。

1 分布式水文監測系統設計、實(shí)施方案

整個(gè)系統由遙測站、監測主站、Intranet/Internet三個(gè)部分組成，其結構組成圖如圖1所示。其中遙測站總共有13個(gè)，結構與1#遙測站相同。

1.1 數傳MODEM的擴頻技術(shù)[1、2]

WY9678E型無(wú)線(xiàn)數傳MODEM是一種新型折直接序列擴頻無(wú)線(xiàn)調制解調器，其工作原理為：在發(fā)送端直接用具有高碼率的擴頻編碼去擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻編碼進(jìn)行解擴使之還原成原始信號。具體講：發(fā)送端的信號D在模2加法器調制后經(jīng)偽隨機碼發(fā)生器產(chǎn)生擴頻信號，再經(jīng)載波調制器用QPSK方式調制載波信號，調制后獲得的帶寬擴頻信號經(jīng)寬帶放大器放大后發(fā)射出去；而在接收端，接收的信號放大后經(jīng)射頻寬帶濾波器處理，提高信噪比并提取所需信號以對齊相位，同步電路拾取發(fā)送來(lái)的擴頻碼的準確相位，并以此作為同步信號，使其PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻信號和發(fā)送來(lái)擴頻碼的相位差盡可能小，以此獲得信息數據D。

系統采用擴頻通信技術(shù)給設計帶來(lái)設計好處：①提高了系統的抗干擾性能，有較高的信噪比；②由于擴頻信號被淹沒(méi)在白噪聲之中，不易被發(fā)現，因而信號隱蔽性強，且干擾??；③易于實(shí)現碼分多址；④提高了通信的抗多徑干擾性能。WY9678E工作在全球通用的、無(wú)需申請許可的2.4GHz的ISM波段上，它內置16位80188CPU、信號調制解調器及RS422A/485標準通信接口。采用PLL合成技術(shù)使其具有高頻穩定性，采用時(shí)分制脈沖編碼調制PCM方式使其具有較強的抗多徑干擾能力等，PC104總線(xiàn)方式的工業(yè)控制計算機有較好的通信兼容性，二者配合使用，使通信性能得到了較大的改善。WY9678E與工控機（PC014以及監測工控機）的通信規約如下：

·通信接口：標準異步RS-422A五線(xiàn)制全雙工方式；

·通信字格式：1位停止位、7位數據位、偶校驗；

·波特率：9600bps。

1.2 天線(xiàn)

電臺天線(xiàn)的架設高度及其增益直接影響著(zhù)通信的質(zhì)量和距離。為了排除長(cháng)江流域高山的影響，特制了一種防雷擊和抗電波、多徑干擾的全向天線(xiàn)，架設在岸基，并且與地面的相對高度保持在20～50m之間，增益在6dB～11dB之間，有效改善了系統的通信性能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 強干擾下的遠距離天線(xiàn)電通信技術(shù)

由于長(cháng)江岸邊裝備有導航雷達、電視發(fā)射等強電磁場(chǎng)發(fā)射裝置，無(wú)線(xiàn)電通信信道極易被干擾。而無(wú)線(xiàn)數據通信是水文監測信息傳唯一通道，因此強電磁干擾下的無(wú)線(xiàn)通信是本系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。

解決這一關(guān)鍵技術(shù)的途徑是采用兩套頻點(diǎn)不同的數傳電臺作為冗余設計，并在頻點(diǎn)的選擇上避開(kāi)主要的干擾頻帶，同時(shí)采用先進(jìn)高效的編碼技術(shù)和糾錯技術(shù)以保護傳輸指令和數據的正確性。

2.2 多徑干擾解決技術(shù)

長(cháng)江流域的特殊寺理環(huán)境極易造成無(wú)線(xiàn)數據通信的多徑干擾。在本系統中，利用擴頻碼之間的相關(guān)特性，在接收端把從徑信號來(lái)的同一碼序列相加使有用信號加強，然后取出其中最強的信號，從而達到有效的抗多徑干擾。

3 系統程序設計

在數據服務(wù)上采用Windows NT為服務(wù)器操作系統，以SQL Server為數據庫管理系統、Power Builder作為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)基于Client/Server程序。監測工控機部分的軟件設計以Windows 9X為運行環(huán)境，應用軟件采用Windows視窗技術(shù)，且為全新的文瀏覽器界面，操作界面圖形化，使操作更為直觀(guān)、方便、靈活，視窗界面更為友好。

3.1 監測部分

實(shí)時(shí)監控系統軟件主要完成如下任務(wù)：實(shí)時(shí)監測水文信息與水情、設備故障報警，測量參數的實(shí)時(shí)集中顯示與存儲，數據管理、分析、統計與查詢(xún)，報表的定時(shí)和隨機打印等。軟件的功能如圖2所示。監測部分的軟件設計采用Visual Basic和Visual C++混合編程的方法。主站與遙測站間的通信程序采用Microsoft的MSCOMM ActiverX控件，并通過(guò)ODBC驅動(dòng)數據庫，連續Office97/2000中的Access數據庫。整個(gè)應用程序采用模塊化方式編程，其中包括主控模塊、初始化與自檢模塊、通信控制模塊、實(shí)時(shí)監測模塊、數據處理、監測報警模塊、數據管理模塊、報表定時(shí)、隨機打印等。

3.2 通信過(guò)程解決方法

在整個(gè)程序編寫(xiě)過(guò)程中，實(shí)時(shí)通信、監測模塊最為重要。通信程序一旦出現問(wèn)題，整個(gè)系統將處于癱瘓狀態(tài)。因此，在通信程序中，采用了差錯控制及容錯技術(shù)，通信控制過(guò)程為：

（1）發(fā)命令并接收返回數據。首先將命令和數據分別構成字符串Mark$和Space$，根據通信規則設定接收返回數據所需的時(shí)間。啟動(dòng)RTS信號，用查詢(xún)方式將對應的P=Mark和P=Space的Mark$和pace$以單字節間隔方式分別發(fā)送出去后，撤消RTS信號。當接收返回數據的第一個(gè)數據時(shí)引發(fā)OnComm事件，按設定時(shí)間間隔啟動(dòng)定時(shí)器。當定時(shí)器事件產(chǎn)生時(shí)，在定時(shí)器事件過(guò)程中讀回已接收的全部返回字節，再設定下位機直接上報數據對應的時(shí)間間隔并關(guān)閉定時(shí)器。

(2)下位機直接上報數據。由于預設了下位機直接上報數據對應的時(shí)間間隔，當上報數據的第一個(gè)數據到來(lái)時(shí)，對應的情況和接收返回數據一樣。

（3）干擾處理。當單純的干擾數據到來(lái)時(shí)和下位機直接上報數據的對應時(shí)間間隔是相似的，也啟動(dòng)定時(shí)器事件。定時(shí)器事件產(chǎn)生后讀入數據，經(jīng)控制程序分析可拋棄干擾數據。當干擾數據伴隨正常數據一同到來(lái)時(shí)，可適當加長(cháng)產(chǎn)生定時(shí)器事件的時(shí)間間隔，保證讀入所有數據并分析。

通信控制采用上述方法有效地解決了總線(xiàn)爭用、接收/發(fā)送數據信號時(shí)出現的少收誤收、數據傳輸誤碼等問(wèn)題，大大提高了網(wǎng)絡(luò )通信控制的有效性和實(shí)時(shí)性，并可提高設備的利用率。

無(wú)線(xiàn)遠程實(shí)時(shí)水文監測為長(cháng)江流域的水情預測預報提供了一種較為先進(jìn)的分析手段。本系統利用在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域較先進(jìn)的擴頻技術(shù)以及較為得力的抗干擾措施保證了系統的安全性和可靠性，有一定地推廣價(jià)值，適合水庫、長(cháng)江支流等水情的監測、預報等。