無線傳輸在實時水位監測系統中的應用

隨著我國信息化進程的推進,水利行業也面臨著信息化建設的問題[1]。目前,水利行業的信息化受到高度重視,水利系統的信息化改造也取得了一定的成績,但同時也普遍存在著網絡功能和數據共享能力弱、數據更新周期長、數據可視化手段單一等弱點,使得進一步完善數字化水文系統成為當務之急。本文源于杭州市河道防汛水位控制監測系統改造項目,原系統采用公用電話網絡(PSTN)作為數據傳輸網絡,利用撥號方式進行點對點的通信,實現水位數據采集傳輸,在實際使用過程中存在下列問題：

??? (1) 終端系統功能限制：系統僅具備定時主動巡測各個水位監測點的功能,不能實時在線監測。

??? (2) PSTN撥號方式數據傳輸的限制：系統不能實現對某一個點的連續水位監控,更不能在汛期實現對多個關鍵點的連續水位檢測或多個監控單位同時對某一關鍵點的檢測。當多個部門如防汛指揮部、市排水總公司、市河道養護所等多家單位同時查詢同一個水位監測點時將發生撥號沖突。

??? (3) 安裝困難：由于河道水位監測點均在室外,若新增監測點便需鋪設安裝電話線,個別監測點難以實現。

??? (4) 沒有數據管理平臺：使得各個部門的數據得不到同步,無法集中統一管理。

??? 綜上所述,考慮到河道檢測點的分布狀況及現有無線信號傳輸的技術特點,采用中國移動GPRS或中國聯通CDMA 1x為數據傳輸網絡,代替原有的電話撥號方式靈活地實現水位監測設備接入,工程安裝簡單,能很好地解決偏遠無網絡無電話線路地區的數據傳輸的難題。同傳統的數傳電臺相比較,更具有簡便性、靈活性、易操作性,同時還降低了成本,無線傳輸方案是現代化工業現場數據傳輸最佳的選擇方案。建立統一的數據管理平臺,多個單位從中心服務器按需獲取數據,實現各單位都能實時獲得水位監測點數據。由于篇幅所限,本文著重于系統總體設計,對于嵌入式終端系統如何實現Internet接入將不再贅述。

??? 1 系統總體方案

??? 系統總體方案如圖1所示。終端系統采用GPRS／CDMA無線接入。Internet,與中心服務器實現數據通信,終端將采集到的水位數據進行本地存儲,并按照中心服務器的指令將數據發送至中心服務器。中心服務器負責各個監測終端的狀態管理及各個監測點的水位數據存儲,并提供一個基于GIS的數據管理平臺。各個相關單位通過VPN授權訪問獲取中心服務器提供的各個監測點的實時和歷史數據以及相關報表。

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??? 1.1 河道水位監測系統設計

??? 水位監測終端通過無線傳輸方式連接至中心服務器。目前可供選擇的無線數據傳輸網絡有：中國移動GPRS和中國聯通CDMA 1x。GPRS是中國移動基于GSM網絡的數據傳輸網絡,目前中國移動普遍采用CS-2,編碼速率為13.4kbps,工業所使用的GPRS模塊最高等級為Class10,即支持4個下行時隙,2個上行時隙,同時最多使用5個時隙,所以目前采用GPRS傳輸的速率為下行53.6kbps(4Timeslots)上行26.8kbps(2Timeslots)。CD-MA 1x是中國聯通基于CDMA的數據傳輸網絡,目前在支持1個SCH(補充業務信道)Release0的情況下RC3(無線配置)定義的前向(下行)信道最高數據速率為153.6kbps,反向(上行)信道最高數據速率為76.8kbps。

??? 之所以選擇以GPRS為主、以CDMA為輔的組網方案,是因為在實際使用過程中發現在偏遠地區GPRS的覆蓋率(Rx≥-95dBm)較CDMA略有優勢。但CDMA的軟切換及其相關技術在掉線率的控制上優于GPRS技術[2]。

??? 1.2 中心服務器接入方式

??? 中心站接人Intemet的方式可大致分為專網和公網兩種。

??? ·專網方式：即中心站與水位監測終端都在無線網絡內部,通過向無線運營商申請APN專網業務,中心站與終端均使用內網地址(私有地址)相互通信。

??? ·公網方式：中心站通過其他運營商(如中國電信、中國網通等)接入Internet,水位監測終端通過無線網絡接入Internet,從而實現終端與服務器之間的相互通信。

??? 由于本系統將采用以GPRS為主、以CDMA為輔的網絡結構,所以不適合采用移動專網接人,故采用固定IP接入Internet的公網組網方式。同時中心站架設虛擬專用網絡VPN(Virtual Private Network)服務器,使其他相關部門通過基于Internet的VPN方式授權訪問中心服務器。VPN利用不可靠的公用互聯網絡作為信息傳輸媒介,通過附加的安全隧道、用戶認證、訪問控制等技術實現與專用網絡類似的安全性能,從而實現對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。

??? 2 水位監測終端設計

??? 水位監測終端需要實現以下幾個功能[3]：

??? (1) 為了能實現連續快速的實時水位監測,水位采集終端首先需要具有快速實時水位采集傳輸的功能。

??? (2) 在非實時監測工作模式下,能夠根據設定進行定時水位采集并能將數據長時期保存在本地。

??? (3) 保存在本地的歷史水位數據能夠按照中心服務器的需要上報。

??? (4) 能夠將當時的水位與設定的水位上下閾值進行比較,若越限應向中心服務器自動報警。

??? (5) 能夠自動檢測聯網狀況,若出現異常能重新撥號確保實時在線。同時具有自動校時功能,確保與中心服務器的時鐘同步,進而實現整個水位監測系統的時鐘同步。

??? (6) 能夠將終端的工作狀態(包括電源狀況)及時傳送至中心服務器,以便管理和維護。

??? 根據以上功能將終端系統劃分為電源模塊、中央處理模塊、存儲模塊、用戶接口模塊、輸入模塊及數據傳輸模塊等,如圖2所示。?

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??? 3 中心站系統設計

??? 3.1 水位監測終端管理子系統

??? 水位監測終端管理子系統的設計主要在于應用層協議,以實現整個系統穩定和高效地運行。應用層協議首先需要實現中心站與監測終端的數據通信,監測通信鏈路狀況,在中心站實現對數據采集終端的管理。

??? 3.1.1 數據通信功能

??? 數據采集終端向中心站傳送數據可以通過基于IP的TCP或UDP兩種傳輸層協議,TCP對上層提供可靠的端到端服務,但是這種可靠性是以系統資源和網絡開銷為代價的,而采用UDP傳輸則會節省大量的系統資源。GPRS／CDMA都是以流量計費的,因此采用占系統資源更小的UDP更適合實時傳輸。然而采用UDP傳輸也會產生新的問題,如由GPRS／CDMA網關動態分配造成的監測終端通信端口不固定問題,同時由于UDP沒有提供可靠的通信傳輸,也需要在終端管理中確保數據的可靠傳輸。

??? 3.1.2 動態終端管理功能

??? 由于UDP傳輸在傳輸之前并沒有與目的主機建立連接,而是由GPRS／CDMA網關做動態地址映射(DNAT),映射到公網的IP地址及端口號經過一段時間都有可能更改,所以中心站需要獲取當前終端的公網地址及端口號才能與終端正常通信,這就需要終端定時發送數據包,即通常所說的心跳包來維持與中心站的通信鏈路。為了不使心跳包的流量無謂浪費,應該在上層協議中將心跳包設計成有用的數據包(例如終端配置信息等),由終端發起連接并定時主動發送心跳包告知中心站自己的存在,中心站發送心跳包響應告知終端中心站的存在。同時,中心站根據終端發送的心跳包的源地址和端口號不斷更新站點狀態表(如表1)中相應終端的IP地址和端口號,并通過該地址和端口與終端進行通信。若中心站超時未收到終端的心跳包便認為其斷線;終端超時未收到中心站的心跳響應便認為通信鏈路異常,啟動PING電信服務器任務(例如DNS服務器)進行鏈路測試,若收到回應則認為自身網絡連接正常等待中心站恢復,若無回應則認為自身網絡連接異常采取重新撥號進行連接。中心站通過維護站點狀態表來實現對各個終端的管理。

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??? 3.1.3 數據的可靠傳輸

??? 應用層協議還要保證數據的可靠傳輸。由于終端系統資源有限,在設計中應盡可能地降低終端系統的復雜度。為了確保數據的可靠傳輸,超時重傳應在中心站實現,即中心站發送的任何命令都需要終端響應,若中心站超時未收到終端響應便認為命令發送失敗需要重發,重新發送的命令幀應與原命令幀保持一致,但在各個功能模塊的協議設計中應充分考慮到重發機制可能引發的后果;其次為了防止數據出錯需要在中心站和終端雙方都實現對幀校驗功能,因此需要在幀結構中包含校驗位。

??? 3.1.4 幀結構

??? 中心站發送的命令幀(如圖3)包括：命令類型、目的終端號、命令號、命令長度、命令內容及CRC校驗,終端根據收到命令幀的CmdType判斷是何種指令,例如0x00表示心跳包響應、0x11實時數據查詢命令、0x12歷史數據查詢命令、0x18時鐘校對命令等。

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??? 終端發送的數據幀(如圖4)包括：數據類型、終端狀態、終端號、數據內容及CRC校驗。中心站根據收到數據幀的DataType與StationID判斷是來自哪個終端的何種數據,例如：0x00配置信息、0x0l實時數據、0x02歷史數據、0x04命令響應、0x0F系統告警等。

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??? 如上所述,在系統中采用統一的幀格式表示不同的中心命令和終端數據,用盡可能少的字節數表述盡可能多的信息量,使得中心服務器能夠及時了解各個終端的工作狀況,實現終端的動態管理。

??? 3.2 水位數據管理子系統

??? 數據管理子系統的主要功能是建立監測點水位數據庫,定時向各個監測點發送歷史數據查詢命令,維護水位數據庫的完整性;通過GIS模塊實時顯示當前各個監測點的情況(如圖5所示);當通過VPN授權后的客戶端要求查詢某個監測點數據時,中心服務器自動生成相關報表(如圖6所示),并根據客戶端是否要求對某個監測點進行實時監控,向監測點發送實時命令,實現數據的集中統一管理。

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??? 通過采用GPRS／CDMA傳輸系統,以及基于C／S架構的上層軟件系統實現了多個監測單位能夠同時對一個或多個水位監測站點進行實時監控,提高了整個河道防汛水位控制監測系統的可靠性、實時性和穩定性,達到了預期改造目標。但由于部分站點由蓄電池和太陽能電池提供能源,在設計中未把低能耗作為設計目標,加大了個別站點蓄電池和太陽能電池的成本投入,在下一步工作中將把降低能耗作為一個重要目標來實現。