无线传输在实时水位监测系统中的应用介绍

随着我国信息化进程的推进,水利行业也面临着信息化建设的问题[1]。目前,水利行业的信息化受到高度重视,水利系统的信息化改造也取得了一定的成绩,但同时也普遍存在着网络功能和数据共享能力弱、数据更新周期长、数据可视化手段单一等弱点,使得进一步完善数字化水文系统成为当务之急。本文源于杭州市河道防汛水位控制监测系统改造项目,原系统采用公用电话网络(PSTN)作为数据传输网络,利用拨号方式进行点对点的通信,实现水位数据采集传输,在实际使用过程中存在下列问题：

(1) 终端系统功能限制：系统仅具备定时主动巡测各个水位监测点的功能,不能实时在线监测。

(2) PSTN拨号方式数据传输的限制：系统不能实现对某一个点的连续水位监控,更不能在汛期实现对多个关键点的连续水位检测或多个监控单位同时对某一关键点的检测。当多个部门如防汛指挥部、市排水总公司、市河道养护所等多家单位同时查询同一个水位监测点时将发生拨号冲突。

(3) 安装困难：由于河道水位监测点均在室外,若新增监测点便需铺设安装电话线,个别监测点难以实现。

(4) 没有数据管理平台：使得各个部门的数据得不到同步,无法集中统一管理。

综上所述,考虑到河道检测点的分布状况及现有无线信号传输的技术特点,采用中国移动GPRS或中国联通CDMA 1x为数据传输网络,代替原有的电话拨号方式灵活地实现水位监测设备接入,工程安装简单,能很好地解决偏远无网络无电话线路地区的数据传输的难题。同传统的数传电台相比较,更具有简便性、灵活性、易操作性,同时还降低了成本,无线传输方案是现代化工业现场数据传输最佳的选择方案。建立统一的数据管理平台,多个单位从中心服务器按需获取数据,实现各单位都能实时获得水位监测点数据。由于篇幅所限,本文着重于系统总体设计,对于嵌入式终端系统如何实现Internet接入将不再赘述。

1 系统总体方案

系统总体方案如图1所示。终端系统采用GPRS／CDMA无线接入。Internet,与中心服务器实现数据通信,终端将采集到的水位数据进行本地存储,并按照中心服务器的指令将数据发送至中心服务器。中心服务器负责各个监测终端的状态管理及各个监测点的水位数据存储,并提供一个基于GIS的数据管理平台。各个相关单位通过VPN授权访问获取中心服务器提供的各个监测点的实时和历史数据以及相关报表。

1.1 河道水位监测系统设计

水位监测终端通过无线传输方式连接至中心服务器。目前可供选择的无线数据传输网络有：中国移动GPRS和中国联通CDMA 1x。GPRS是中国移动基于GSM网络的数据传输网络,目前中国移动普遍采用CS-2,编码速率为13.4kbps,工业所使用的GPRS模块最高等级为Class10,即支持4个下行时隙,2个上行时隙,同时最多使用5个时隙,所以目前采用GPRS传输的速率为下行53.6kbps(4Timeslots)上行26.8kbps(2Timeslots)。CD-MA 1x是中国联通基于CDMA的数据传输网络,目前在支持1个SCH(补充业务信道)Release0的情况下RC3(无线配置)定义的前向(下行)信道最高数据速率为153.6kbps,反向(上行)信道最高数据速率为76.8kbps。

之所以选择以GPRS为主、以CDMA为辅的组网方案,是因为在实际使用过程中发现在偏远地区GPRS的覆盖率(Rx≥-95dBm)较CDMA略有优势。但CDMA的软切换及其相关技术在掉线率的控制上优于GPRS技术[2]。

1.2 中心服务器接入方式

中心站接人Intemet的方式可大致分为专网和公网两种。

·专网方式：即中心站与水位监测终端都在无线网络内部,通过向无线运营商申请APN专网业务,中心站与终端均使用内网地址(私有地址)相互通信。

·公网方式：中心站通过其他运营商(如中国电信、中国网通等)接入Internet,水位监测终端通过无线网络接入Internet,从而实现终端与服务器之间的相互通信。

由于本系统将采用以GPRS为主、以CDMA为辅的网络结构,所以不适合采用移动专网接人,故采用固定IP接入Internet的公网组网方式。同时中心站架设虚拟专用网络VPN(Virtual Private Network)服务器,使其他相关部门通过基于Internet的VPN方式授权访问中心服务器。VPN利用不可靠的公用互联网络作为信息传输媒介,通过附加的安全隧道、用户认证、访问控制等技术实现与专用网络类似的安全性能,从而实现对重要信息的安全传输。这种方式成本低,并且克服了Internet不安全的特点。

2 水位监测终端设计

水位监测终端需要实现以下几个功能[3]：

(1) 为了能实现连续快速的实时水位监测,水位采集终端首先需要具有快速实时水位采集传输的功能。

(2) 在非实时监测工作模式下,能够根据设定进行定时水位采集并能将数据长时期保存在本地。

(3) 保存在本地的历史水位数据能够按照中心服务器的需要上报。

(4) 能够将当时的水位与设定的水位上下阈值进行比较,若越限应向中心服务器自动报警。