無線傳輸在實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用介紹

隨著我國信息化進(jìn)程的推進(jìn),水利行業(yè)也面臨著信息化建設(shè)的問題[1]。目前,水利行業(yè)的信息化受到高度重視,水利系統(tǒng)的信息化改造也取得了一定的成績,但同時(shí)也普遍存在著網(wǎng)絡(luò)功能和數(shù)據(jù)共享能力弱、數(shù)據(jù)更新周期長、數(shù)據(jù)可視化手段單一等弱點(diǎn),使得進(jìn)一步完善數(shù)字化水文系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。本文源于杭州市河道防汛水位控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造項(xiàng)目,原系統(tǒng)采用公用電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),利用撥號(hào)方式進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)采集傳輸,在實(shí)際使用過程中存在下列問題：

(1) 終端系統(tǒng)功能限制：系統(tǒng)僅具備定時(shí)主動(dòng)巡測(cè)各個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的功能,不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

(2) PSTN撥號(hào)方式數(shù)據(jù)傳輸的限制：系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)對(duì)某一個(gè)點(diǎn)的連續(xù)水位監(jiān)控,更不能在汛期實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的連續(xù)水位檢測(cè)或多個(gè)監(jiān)控單位同時(shí)對(duì)某一關(guān)鍵點(diǎn)的檢測(cè)。當(dāng)多個(gè)部門如防汛指揮部、市排水總公司、市河道養(yǎng)護(hù)所等多家單位同時(shí)查詢同一個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)將發(fā)生撥號(hào)沖突。

(3) 安裝困難：由于河道水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在室外,若新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)便需鋪設(shè)安裝電話線,個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)。

(4) 沒有數(shù)據(jù)管理平臺(tái)：使得各個(gè)部門的數(shù)據(jù)得不到同步,無法集中統(tǒng)一管理。

綜上所述,考慮到河道檢測(cè)點(diǎn)的分布狀況及現(xiàn)有無線信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)特點(diǎn),采用中國移動(dòng)GPRS或中國聯(lián)通CDMA 1x為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),代替原有的電話撥號(hào)方式靈活地實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)測(cè)設(shè)備接入,工程安裝簡單,能很好地解決偏遠(yuǎn)無網(wǎng)絡(luò)無電話線路地區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。同傳統(tǒng)的數(shù)傳電臺(tái)相比較,更具有簡便性、靈活性、易操作性,同時(shí)還降低了成本,無線傳輸方案是現(xiàn)代化工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸最佳的選擇方案。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái),多個(gè)單位從中心服務(wù)器按需獲取數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)各單位都能實(shí)時(shí)獲得水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。由于篇幅所限,本文著重于系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),對(duì)于嵌入式終端系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)Internet接入將不再贅述。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體方案如圖1所示。終端系統(tǒng)采用GPRS／CDMA無線接入。Internet,與中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,終端將采集到的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ),并按照中心服務(wù)器的指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器。中心服務(wù)器負(fù)責(zé)各個(gè)監(jiān)測(cè)終端的狀態(tài)管理及各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并提供一個(gè)基于GIS的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。各個(gè)相關(guān)單位通過VPN授權(quán)訪問獲取中心服務(wù)器提供的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)報(bào)表。

1.1 河道水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測(cè)終端通過無線傳輸方式連接至中心服務(wù)器。目前可供選擇的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有：中國移動(dòng)GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1x。GPRS是中國移動(dòng)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),目前中國移動(dòng)普遍采用CS-2,編碼速率為13.4kbps,工業(yè)所使用的GPRS模塊最高等級(jí)為Class10,即支持4個(gè)下行時(shí)隙,2個(gè)上行時(shí)隙,同時(shí)最多使用5個(gè)時(shí)隙,所以目前采用GPRS傳輸?shù)乃俾蕿橄滦?3.6kbps(4Timeslots)上行26.8kbps(2Timeslots)。CD-MA 1x是中國聯(lián)通基于CDMA的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),目前在支持1個(gè)SCH(補(bǔ)充業(yè)務(wù)信道)Release0的情況下RC3(無線配置)定義的前向(下行)信道最高數(shù)據(jù)速率為153.6kbps,反向(上行)信道最高數(shù)據(jù)速率為76.8kbps。

之所以選擇以GPRS為主、以CDMA為輔的組網(wǎng)方案,是因?yàn)樵趯?shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)在偏遠(yuǎn)地區(qū)GPRS的覆蓋率(Rx≥-95dBm)較CDMA略有優(yōu)勢(shì)。但CDMA的軟切換及其相關(guān)技術(shù)在掉線率的控制上優(yōu)于GPRS技術(shù)[2]。

1.2 中心服務(wù)器接入方式

中心站接人Intemet的方式可大致分為專網(wǎng)和公網(wǎng)兩種。

·專網(wǎng)方式：即中心站與水位監(jiān)測(cè)終端都在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,通過向無線運(yùn)營商申請(qǐng)APN專網(wǎng)業(yè)務(wù),中心站與終端均使用內(nèi)網(wǎng)地址(私有地址)相互通信。

·公網(wǎng)方式：中心站通過其他運(yùn)營商(如中國電信、中國網(wǎng)通等)接入Internet,水位監(jiān)測(cè)終端通過無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet,從而實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器之間的相互通信。

由于本系統(tǒng)將采用以GPRS為主、以CDMA為輔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),所以不適合采用移動(dòng)專網(wǎng)接人,故采用固定IP接入Internet的公網(wǎng)組網(wǎng)方式。同時(shí)中心站架設(shè)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN(Virtual Private Network)服務(wù)器,使其他相關(guān)部門通過基于Internet的VPN方式授權(quán)訪問中心服務(wù)器。VPN利用不可靠的公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸媒介,通過附加的安全隧道、用戶認(rèn)證、訪問控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與專用網(wǎng)絡(luò)類似的安全性能,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信息的安全傳輸。這種方式成本低,并且克服了Internet不安全的特點(diǎn)。

2 水位監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

水位監(jiān)測(cè)終端需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能[3]：

(1) 為了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速的實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè),水位采集終端首先需要具有快速實(shí)時(shí)水位采集傳輸?shù)墓δ堋?/span>

(2) 在非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作模式下,能夠根據(jù)設(shè)定進(jìn)行定時(shí)水位采集并能將數(shù)據(jù)長時(shí)期保存在本地。

(3) 保存在本地的歷史水位數(shù)據(jù)能夠按照中心服務(wù)器的需要上報(bào)。

(4) 能夠?qū)?dāng)時(shí)的水位與設(shè)定的水位上下閾值進(jìn)行比較,若越限應(yīng)向中心服務(wù)器自動(dòng)報(bào)警。