無線傳輸在實時水位監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

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,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)測系統(tǒng)改造項目,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),利用撥號方式進(jìn)行點對點的通信,實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)采集傳輸,在實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)僅具備定時主動巡測各個水位監(jiān)測點的功能,不能實時在線監(jiān)測。

    (2) PSTN撥號方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲合到y(tǒng)不能實現(xiàn)對某一個點的連續(xù)水位監(jiān)控,更不能在汛期實現(xiàn)對多個關(guān)鍵點的連續(xù)水位檢測或多個監(jiān)控單位同時對某一關(guān)鍵點的檢測。當(dāng)多個部門如防汛指揮部、市排水總公司、市河道養(yǎng)護(hù)所等多家單位同時查詢同一個水位監(jiān)測點時將發(fā)生撥號沖突。

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

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

    綜上所述,考慮到河道檢測點的分布狀況及現(xiàn)有無線信號傳輸?shù)募夹g(shù)特點,采用中國移動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方式靈活地實現(xiàn)水位監(jiān)測設(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(xiàn)代化工業(yè)現(xiàn)場數(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,多個單位從中心服務(wù)器按需獲取數(shù)據(jù),實現(xiàn)各單位都能實時獲得水位監(jiān)測點數(shù)據(jù)。由于篇幅所限,本文著重于系統(tǒng)總體設(shè)計,對于嵌入式終端系統(tǒng)如何實現(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,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)各個監(jiān)測終端的狀態(tài)管理及各個監(jiān)測點的水位數(shù)據(jù)存儲,并提供一個基于GIS的數(shù)據(jù)管理平臺。各個相關(guān)單位通過VPN授權(quán)訪問獲取中心服務(wù)器提供的各個監(jiān)測點的實時和歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)報表。

    1.1 河道水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

    水位監(jiān)測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GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1x。GPRS是中國移動基于GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),目前中國移動普遍采用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?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SCH(補充業(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,是因為在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)在偏遠(yuǎn)地區(qū)GPRS的覆蓋率(Rx≥-95dBm)較CDMA略有優(yōu)勢。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)測終端都在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,通過向無線運營商申請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：中心站通過其他運營商(如中國電信、中國網(wǎng)通等)接入Internet,水位監(jiān)測終端通過無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet,從而實現(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)實現(xiàn)與專用網(wǎng)絡(luò)類似的安全性能,從而實現(xiàn)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(jiān)測終端設(shè)計

    水位監(jiān)測終端需要實現(xiàn)以下幾個功能[3]：

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

    (2) 在非實時監(jiān)測工作模式下,能夠根據(jù)設(shè)定進(jìn)行定時水位采集并能將數(shù)據(jù)長時期保存在本地。

    (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。

    (4) 能夠?qū)?dāng)時的水位與設(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)器自動報警。

    (5) 能夠自動檢測聯(lián)網(wǎng)狀況,若出現(xiàn)異常能重新?lián)芴柎_保實時在線。同時具有自動校時功能,確保與中心服務(wù)器的時鐘同步,進(jìn)而實現(xiàn)整個水位監(jiān)測系統(tǒng)的時鐘同步。

    (6) 能夠?qū)⒔K端的工作狀態(tài)(包括電源狀況)及時傳送至中心服務(wù)器,以便管理和維護(hù)。

    根據(jù)以上功能將終端系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸模塊等,如圖2所示。 

    3 中心站系統(tǒng)設(shè)計

    3.1 水位監(jiān)測終端管理子系統(tǒng)

    水位監(jiān)測終端管理子系統(tǒng)的設(shè)計主要在于應(yīng)用層協(xié)議,以實現(xiàn)整個系統(tǒng)穩(wěn)定和高效地運行。應(yīng)用層協(xié)議首先需要實現(xiàn)中心站與監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)通信,監(jiān)測通信鏈路狀況,在中心站實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集終端的管理。

    3.1.1 數(shù)據(jù)通信功能

    數(shù)據(jù)采集終端向中心站傳送數(shù)據(jù)可以通過基于IP的TCP或UDP兩種傳輸層協(xié)議,TCP對上層提供可靠的端到端服務(wù),但是這種可靠性是以系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)開銷為代價的,而采用UDP傳輸則會節(jié)省大量的系統(tǒng)資源。GPRS／CDMA都是以流量計費的,因此采用占系統(tǒng)資源更小的UDP更適合實時傳輸。然而采用UDP傳輸也會產(chǎn)生新的問題,如由GPRS／CDMA網(wǎng)關(guān)動態(tài)分配造成的監(jiān)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(shù)據(jù)的可靠傳輸。

    3.1.2 動態(tài)終端管理功能

    由于UDP傳輸在傳輸之前并沒有與目的主機(jī)建立連接,而是由GPRS／CDMA網(wǎng)關(guān)做動態(tài)地址映射(DNAT),映射到公網(wǎng)的IP地址及端口號經(jīng)過一段時間都有可能更改,所以中心站需要獲取當(dāng)前終端的公網(wǎng)地址及端口號才能與終端正常通信,這就需要終端定時發(fā)送數(shù)據(jù)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(yīng)該在上層協(xié)議中將心跳包設(shè)計成有用的數(shù)據(jù)包(例如終端配置信息等),由終端發(fā)起連接并定時主動發(fā)送心跳包告知中心站自己的存在,中心站發(fā)送心跳包響應(yīng)告知終端中心站的存在。同時,中心站根據(jù)終端發(fā)送的心跳包的源地址和端口號不斷更新站點狀態(tài)表(如表1)中相應(yīng)終端的IP地址和端口號,并通過該地址和端口與終端進(jìn)行通信。若中心站超時未收到終端的心跳包便認(rèn)為其斷線;終端超時未收到中心站的心跳響應(yīng)便認(rèn)為通信鏈路異常,啟動PING電信服務(wù)器任務(wù)(例如DNS服務(wù)器)進(jìn)行鏈路測試,若收到回應(yīng)則認(rèn)為自身網(wǎng)絡(luò)連接正常等待中心站恢復(fù),若無回應(yīng)則認(rèn)為自身網(wǎng)絡(luò)連接異常采取重新?lián)芴栠M(jìn)行連接。中心站通過維護(hù)站點狀態(tài)表來實現(xiàn)對各個終端的管理。

    3.1.3 數(shù)據(jù)的可靠傳輸

    應(yīng)用層協(xié)議還要保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。由于終端系統(tǒng)資源有限,在設(shè)計中應(yīng)盡可能地降低終端系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸,超時重傳應(yīng)在中心站實現(xiàn),即中心站發(fā)送的任何命令都需要終端響應(yīng),若中心站超時未收到終端響應(yīng)便認(rèn)為命令發(fā)送失敗需要重發(fā),重新發(fā)送的命令幀應(yīng)與原命令幀保持一致,但在各個功能模塊的協(xié)議設(shè)計中應(yīng)充分考慮到重發(fā)機(jī)制可能引發(fā)的后果;其次為了防止數(shù)據(jù)出錯需要在中心站和終端雙方都實現(xiàn)對幀校驗功能,因此需要在幀結(jié)構(gòu)中包含校驗位。

    3.1.4 幀結(jié)構(gòu)

    中心站發(fā)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(nèi)容及CRC校驗,終端根據(jù)收到命令幀的CmdType判斷是何種指令,例如0x00表示心跳包響應(yīng)、0x11實時數(shù)據(jù)查詢命令、0x12歷史數(shù)據(jù)查詢命令、0x18時鐘校對命令等。

    終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀(如圖4)包括：數(shù)據(jù)類型、終端狀態(tài)、終端號、數(shù)據(jù)內(nèi)容及CRC校驗。中心站根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀的DataType與StationID判斷是來自哪個終端的何種數(shù)據(jù),例如：0x00配置信息、0x0l實時數(shù)據(jù)、0x02歷史數(shù)據(jù)、0x04命令響應(yīng)、0x0F系統(tǒng)告警等。

    如上所述,在系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的幀格式表示不同的中心命令和終端數(shù)據(jù),用盡可能少的字節(jié)數(shù)表述盡可能多的信息量,使得中心服務(wù)器能夠及時了解各個終端的工作狀況,實現(xiàn)終端的動態(tài)管理。

    3.2 水位數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

    數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的主要功能是建立監(jiān)測點水位數(shù)據(jù)庫,定時向各個監(jiān)測點發(fā)送歷史數(shù)據(jù)查詢命令,維護(hù)水位數(shù)據(jù)庫的完整性;通過GIS模塊實時顯示當(dāng)前各個監(jiān)測點的情況(如圖5所示);當(dāng)通過VPN授權(quán)后的客戶端要求查詢某個監(jiān)測點數(shù)據(jù)時,中心服務(wù)器自動生成相關(guān)報表(如圖6所示),并根據(jù)客戶端是否要求對某個監(jiān)測點進(jìn)行實時監(jiān)控,向監(jiān)測點發(fā)送實時命令,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理。

    通過采用GPRS／CDMA傳輸系統(tǒng),以及基于C／S架構(gòu)的上層軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了多個監(jiān)測單位能夠同時對一個或多個水位監(jiān)測站點進(jìn)行實時監(jiān)控,提高了整個河道防汛水位控制監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、實時性和穩(wěn)定性,達(dá)到了預(yù)期改造目標(biāo)。但由于部分站點由蓄電池和太陽能電池提供能源,在設(shè)計中未把低能耗作為設(shè)計目標(biāo),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(biāo)來實現(xiàn)。