無線傳輸在實時水位監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

隨著我國信息化進程的推進,水利行業(yè)也面臨著信息化建設的問題[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,使得進一步完善數(shù)字化水文系統(tǒng)成為當務之急。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(PSTN)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,利用撥號方式進行點對點的通信,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)傳輸的限制：系統(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)對多個關鍵點的連續(xù)水位檢測或多個監(jiān)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(yǎng)護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,代替原有的電話撥號方式靈活地實現(xiàn)水位監(jiān)測設備接入,工程安裝簡單,能很好地解決偏遠無網(wǎng)絡無電話線路地區(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,與中心服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,終端將采集到的水位數(shù)據(jù)進行本地存儲,并按照中心服務器的指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務器。中心服務器負責各個監(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。各個相關單位通過VPN授權訪問獲取中心服務器提供的各個監(jiān)測點的實時和歷史數(shù)據(jù)以及相關報表。

1.1 河道水位監(jiān)測系統(tǒng)設計

水位監(jiān)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡有：中國移動GPRS和中國聯(lián)通CDMA 1x。GPRS是中國移動基于GSM網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,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,目前在支持1個SCH(補充業(yè)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(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的軟切換及其相關技術在掉線率的控制上優(yōu)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(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)絡內(nèi)部,通過向無線運營商申請APN專網(wǎng)業(yè)務,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)絡接入Internet,從而實現(xiàn)終端與服務器之間的相互通信。

由于本系統(tǒng)將采用以GPRS為主、以CDMA為輔的網(wǎng)絡結構,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。同時中心站架設虛擬專用網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(xiàn)與專用網(wǎng)絡類似的安全性能,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)設定進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。