基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn) - 圖文-

1、華北電力大學(保定碩士學位論文基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)姓名:曹磊申請學位級別:碩士專業(yè):計算機科學與技術;計算機應用技術指導教師:黃志強2011-03摘要為了科學合理開發(fā)、利用、保護、管理水資防治水害,落實中華人民共和國水法,本文在綜合分析國內外遠程監(jiān)控技術現(xiàn)狀的基礎上,結合水資源保護的專業(yè)知識與經(jīng)驗,充分研究無線通信技術、計算機測控技術、自動化技術和地理信息技術,設計實現(xiàn)了基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控中心微機、Zigbee-GPRS-Internet網(wǎng)絡和遠程監(jiān)控終端三部分組成。監(jiān)控中心微機位于水資源管理部門,監(jiān)控終端位于水資源提取設備的現(xiàn)場。系統(tǒng)通過GP

2、RS-Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)控中心微機至Zigbee網(wǎng)絡的網(wǎng)絡節(jié)點之間的遠程通信,通過Zigbee網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點至測控終端之間密集的近距離通信,在TCP/IP協(xié)議基礎上自行設計實現(xiàn)了具有Polling規(guī)約和CDT規(guī)約特點的通信規(guī)約。該系統(tǒng)開發(fā)基于Windows 2000 Server,以Delphi 7.0為開發(fā)平臺,采用SQL Server 2000 關系數(shù)據(jù)庫和MapInfo8.0 GIS軟件,設計了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,運用跨平臺集成地圖開發(fā)技術,OLE自動化技術、多線程技術以及動態(tài)鏈接庫等技術,實現(xiàn)用戶與MapInfo后臺服務器程序的實時交互。該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要包括:遠程監(jiān)測、遠程控制和

3、豐富的信息管理功能。該系統(tǒng)能夠控制水資源的提取、合理調度開發(fā)水資源、方便收繳水資源費,通過對用戶取水信息進行分析處理,提高了水資源管理水平。測試結果表明數(shù)據(jù)傳輸速度高、穩(wěn)定可靠,達到了預期設計要求,是落實水法的有力工具,具有應用價值。關鍵詞:水資源;遠程監(jiān)控;GPRS;ZigbeeAbstractIn order to rationally develop, utilize, protect and manage water resource , control water disasters and achieve the implementation of water law of the

4、 peoples republic of china, this thesis realizes the Water Remote Monitoring System of wireless network, based on analysis of computer monitoring technology at home and abroad, integrated expertise and experience of water resource conservation by using technology of communications, computer measurin

5、g and controlling,automation and GIS.The system adopts the hierarchical distributed structure. The first layer is the monitoring center computer. The second layer is the Zigbee-GPRS-Internet communication network. The third layer is the tracking control terminal. Computer control center is located i

6、n water resources office, and terminal unit in the scene of water resources.Through the GPRS-Internet, System achieve the telecommunication with network node of Zigbee. In Zigbee network, tracking control terminal achieve the low-distance communications with another with the protocol based on TCP/IP

7、 in Zigbee. This protocol is designed by ourselves from the CDT and Polling communications protocol.The system is developed by Delphi7 , SQL server 2000 relational database and mapinfo8 software. Database is designed. System use integrated map development across the platform, OLE automatic technolog

8、y, multiple threads technology and dynamic link a library to achieve the real-time interaction between user and the mapinfo application server.The system realizes data transmission , data collection,analysis of data processing,remote monitoring and adequate information management. The system can con

9、trol the extraction of water resources, reasonablely schedule the water resource and water resources fee collection. Through the analysis of user water information processing, system improve the water resources management. Test results indicate that data transmission speed is high and reliable. it a

10、chieved the anticipated design requirement with good value of application and popularization, is a powerful tool of implement of water law.Keywords:water resources;remote monitoring;GPRS;Zigbee華北電力大學碩士學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明:此處所提交的碩士學位論文基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn),是本人在導師指導下,在華北電力大學攻讀碩士學位期間獨立進行研究工作所取得的成果。據(jù)本人所知,論文中

11、除已注明部分外不包含他人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方式注明。本聲明的法律結果將完全由本人承擔。作者簽名: 日期: 年 月 日華北電力大學碩士學位論文使用授權書基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)系本人在華北電力大學攻讀碩士學位期間在導師指導下完成的碩士學位論文。本論文的研究成果歸華北電力大學所有,本論文的研究內容不得以其它單位的名義發(fā)表。本人完全了解華北電力大學關于保存、使用學位論文的規(guī)定,同意學校保留并向有關部門送交論文的復印件和電子版本,允許論文被查閱和借閱。本人授權華北電力大學,可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文,可以

12、公布論文的全部或部分內容。本學位論文屬于(請在以上相應方框內打“”:保密,在 年解密后適用本授權書不保密作者簽名: 日期: 年 月 日導師簽名: 日期: 年 月 日華北電力大學碩士學位論文第1章引言1.1 課題背景及意義水資源是發(fā)展國民經(jīng)濟不可缺少的重要自然資源。世界許多地方對水的需求已經(jīng)超過水資源所能負荷的程度,同時還面臨水資源利用不平衡的情況。缺水狀況在我國普遍存在。我國人均占有地表水資源量約2700立方米,僅為世界人均值的四分之一1。隨著人口增長,工農業(yè)不斷發(fā)展,水資源供需矛盾日益加劇,由此產生了許多不利的影響。第一,對工農業(yè)生產影響很大,全國每年有3億畝農田受旱。西北農牧區(qū)尚有4000

13、萬人口和3000萬頭牲畜面臨缺水問題。第二,對市民的日常生活工作帶來了相當大的困擾,有些城市生活用水不夠,尤其是北方缺水城市不得不采取限制手段。由于我國水資源管理存在嚴重問題,2002年,我國頒布了新版中華人民共和國水法2。目前,我國水資源管理的自動化程度低,主要還以人工操作為主,無法很好地滿足水資源保護利用的需要,主要體現(xiàn)在監(jiān)控手段落后、無法及時進行水資源信息采集決策,使傳統(tǒng)的人工決策調度更具不確定性。近年來,無線通信技術發(fā)展迅速,在監(jiān)控領域中得到了成功的應用。將無線網(wǎng)絡技術應用到水資源管理中成為一種發(fā)展趨勢3。在城鎮(zhèn)水資源的日常管理工作中,水資源監(jiān)控系統(tǒng)的站點多、地域分布廣且分散,決策人員

14、需要面對各種數(shù)據(jù),包括用戶取水證號、取水額定指標、繳費情況、自備水井設備情況、水量、水壓、氣象和地形地貌等。借用傳統(tǒng)方法,無法方便地分析這些實時數(shù)據(jù),很難及時找出合理的解決方案,而利用無線通信技術可以及時準確將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心,由監(jiān)控中心進行分析給出決策方案,方便水資源高效管理。為了更好地順應新水法的要求,推進水資源管理信息化的進程,必須將計算機、無線通信等技術應用到水資源管理工作中。基于上述問題,本課題為了科學合理開發(fā)、利用、保護、管理水資源,防治水害落實水法,設計了基于無線網(wǎng)絡的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)。這種新型遠程監(jiān)控系統(tǒng)集計算機技術、自動控制技術和無線通信技術為一體,與傳統(tǒng)的人力管理的方式相

15、比,該系統(tǒng)具有高環(huán)境適應性、高實時性和高可靠性等優(yōu)點,能節(jié)約大量的人力和物力,有較高的社會推廣價值,順應了我國新水法對水資源供需協(xié)調、綜合平衡、保護生態(tài)、厲行節(jié)約、合理開源的原則要求,對提升我國水資源管理水平具有現(xiàn)實意義。1.2 國內外研究動態(tài)1.2.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究動態(tài)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的含義比較廣泛,一般指具有數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制功能的計算機系統(tǒng),這類產品中,比較典型的、具有代表性的是遠程監(jiān)控系統(tǒng)4,5。這種遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以分為以下幾大類。(1應用專線的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)一般采用自行架設專線(如電纜來作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。優(yōu)點是通信數(shù)據(jù)量大且通信頻繁,實時性、可靠性和保密性高;缺

16、點是測控距離較短。系統(tǒng)主站使用串口及調制解調器與子站連接。終端(或監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串行口送給本地調制解調器進行調制之后,通過專線傳輸給遠方調制解調器,遠方調制解調器將收到的信號解調為數(shù)字信號,通過串行口送給監(jiān)控中心(或終端。這種遠程監(jiān)控系統(tǒng)在石油、電力、鐵路等領域的應用十分廣泛7。(2應用電話網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)使用電話網(wǎng)實現(xiàn)通信,進行遠程監(jiān)控。優(yōu)點是系統(tǒng)硬件成本較低、建網(wǎng)周期短,信息傳輸快。缺點是通信數(shù)據(jù)量較小、實時性和保密性不高。這種監(jiān)控系統(tǒng)中的上位機只在屏幕上顯示數(shù)據(jù)庫中保存的最新數(shù)據(jù)。每個下位機一般設定為定時采集數(shù)據(jù)信息,將數(shù)據(jù)保存在自己的數(shù)據(jù)庫中;如果主站要查詢某個子

17、站的數(shù)據(jù)或執(zhí)行動作時,上位機通過查詢自己數(shù)據(jù)庫,確定應下位機的電話號碼,通過撥號方式建立上位機和下位機之間的連接。這種監(jiān)控系統(tǒng)實時性要求不高,一般用在預防事故的環(huán)境8。(3應用光纖的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)一般使用光纜作為媒介實現(xiàn)通信。優(yōu)點是高穩(wěn)定性、傳輸容量大、抗干擾能力強。缺點是造價比較昂貴,維護成本高。這種監(jiān)控系統(tǒng)中,最重要的設備是光纖收發(fā)器和串口。光纖收發(fā)器用于進行光電之間的轉換。由于這種監(jiān)控系統(tǒng)對穩(wěn)定性和可靠性要求很嚴,在串口和光纖收發(fā)器選擇中也必須嚴格把關。在廣播電視站、通信站中,對發(fā)射機的遠程監(jiān)控廣泛應用這種監(jiān)控系統(tǒng)。(4基于Internet的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)以計算機

18、為中心、以網(wǎng)絡為核心。優(yōu)點是人們可以從任何地點獲取測量的數(shù)據(jù)信息;缺點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、準確性和實時性較低,網(wǎng)絡安全也是一個問題?；贗nternet的監(jiān)控系統(tǒng)適用于異地或者遠程控制和數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等等,其應用范圍十分廣泛10。1997年1月,首屆基于Internet的工業(yè)遠程診斷研討會由斯坦福大學和麻省理工學院聯(lián)合主辦。英國National Instrumen ts公司在其虛擬儀器產品LabView中新增了Internet模塊,可以通過Web方式接收測試數(shù)據(jù)11。著名的皇家儀器公司將LabWindows/CVI以及LabView加入網(wǎng)絡通訊處理模塊,因而可以通過Internet方

19、式在網(wǎng)絡范圍內進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的傳送12。此外,許多國際組織也紛紛通過網(wǎng)絡進行設備監(jiān)控與故障診斷咨詢和技術推廣工作,并制定了一些信息交換格式和標準。國內一些高校、研究所、公司,甚至一些個人正在積極地搞基于Internet的遠程監(jiān)控系統(tǒng)產品的開發(fā)13。(5基于無線通信的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 這種監(jiān)控系統(tǒng)利用無線電波來實現(xiàn)主站與各個子站間的數(shù)據(jù)通信。優(yōu)點是無需復雜布線、成本低、通信距離遠、實時性和可靠性比較高。缺點是在通信信號不好情況下,通信會發(fā)生突然中斷。這種遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵是要使射頻模塊的接收靈敏度和發(fā)射功率足夠高,以擴大站點間的距離,還需要考慮無線電波波段的選擇14?；跓o線通信的遠程監(jiān)控技術的應用領

20、域十分廣泛,比如小區(qū)的抄表系統(tǒng)、油田監(jiān)控系統(tǒng)等都可以采用這種技術來實現(xiàn)。今后,遠程監(jiān)控系統(tǒng)的復雜度不斷增加,監(jiān)控距離不斷擴大,僅僅靠一種數(shù)據(jù)傳輸方式很難勝任監(jiān)控系統(tǒng)的要求。采取多種數(shù)據(jù)傳輸方式相互配合使用,可以明顯降低系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。將GPRS、Zigbee等無線通信技術與Internet相結合,應用到遠程監(jiān)控系統(tǒng)中,可以很好地滿足復雜監(jiān)控系統(tǒng)的要求。電網(wǎng)運行監(jiān)控和鐵路運行監(jiān)控等領域已經(jīng)廣泛使用基于多種數(shù)據(jù)傳輸方式的遠程監(jiān)控技術,因此,遠程監(jiān)控技術作為主要能源監(jiān)測技術的地位不會動搖。1.2.2 水資源監(jiān)控系統(tǒng)的研究動態(tài)隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,國外許多國家日益重視水資源的現(xiàn)代化管理。在實時監(jiān)控和管理

21、調度方面,英國、美國、法國和俄羅斯等國家在供水系統(tǒng)、跨流域調水管理系統(tǒng)、灌區(qū)優(yōu)化配水管理系統(tǒng)中均有成功應用實例15,但是大部分系統(tǒng)各自獨立,監(jiān)控范圍較小,較少有大范圍的綜合系統(tǒng)的成熟應用。我國有關水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的研究工作起步較晚,但發(fā)展較快并已具備了相當強的基礎。2001年水利部決定在海河、黃河、太湖三大流域和遼寧、江蘇二省開展水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)研究和示范點建設16。但從總體上看,我國對水資源實時監(jiān)控管理系統(tǒng)的認識、技術水平、投入力度等方面與發(fā)達國家相比還存在較大差距,與國家水利現(xiàn)代化建設要求還存在較大的距離,特別是對于城鎮(zhèn)水資源的管理更為不足。2002年4月,海河水利委員會編制完

22、成了京津地區(qū)重要水源地水源實時監(jiān)控系統(tǒng)項目建議書,并于八月份完成了京津地區(qū)重要水源地水源實時監(jiān)控系統(tǒng)第一期工程實施方案。該工程投資2992萬元,分三批投資,三年完成17。水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)的站點多、地域分布廣且分散,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息的業(yè)務量不均衡,組成該系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡應采用比較經(jīng)濟有效的方案。隨著GPRS傳輸技術不斷發(fā)展,其在監(jiān)控領域的應用越來越廣泛。GPRS技術通過與互聯(lián)網(wǎng)相結合使用,延伸了監(jiān)控空間,降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本以及運營費用。隨著通信技術和Internet技術的不斷發(fā)展,水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)將會更緊密地與現(xiàn)代通信技術相結合,應用前景非常廣闊18。1.3 本文的主要工作本文在充分研究G

23、PRS-Internet網(wǎng)絡技術、Zigbee技術、GIS及計算機測控技術的基礎上,結合GPRS-Zigbee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)了基于Internet的水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)。所作主要工作如下:(1闡述課題的研究背景及意義,詳細分析了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)及水資源監(jiān)控系統(tǒng)在國內外的研究動態(tài)。(2對水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)涉及的無線通信技術、計算機測控技術、GIS 等關鍵技術進行了深入研究,分析比較了應答式規(guī)約和循環(huán)式規(guī)約的特點。(3研究確定了水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組成結構、主要功能及開發(fā)工具。提出了一種新的基于GPRS-Zigbee-Internet的網(wǎng)絡通信方式,并對網(wǎng)絡結構進行了設計。(4在以上研究的基礎上

24、,通過數(shù)據(jù)庫設計、通信規(guī)約設計、各個功能模塊的設計,實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)主站端軟件(監(jiān)控中心。監(jiān)控中心具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理和遠程監(jiān)控等功能,可以動態(tài)接收和顯示各個終端監(jiān)測量的數(shù)據(jù)、遠程遙測終端數(shù)據(jù)、遠程遙控終端設備,可以對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)曲線、報警記錄等進行分析處理。(5綜述水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)的測試及實際運行效果,并探討系統(tǒng)設計及運行過程中仍需改進的方面,進一步明確今后研究工作的方向。1.4 本章小結本章首先對課題研究背景和意義進行了闡述,然后對計算機監(jiān)控系統(tǒng)和水資源監(jiān)控系統(tǒng)的國內外動態(tài)進行了分析研究,最后介紹了本課題完成的主要工作。第2章水資源遠程監(jiān)控技術2.1 無線通信技

25、術2.1.1 GPRS技術GPRS(通用分組無線業(yè)務作為一種無線通信的方式,是在模擬技術和全球移動技術基礎上發(fā)展起來的,是二代通信網(wǎng)絡技術向三代移動通信(3G邁進的過渡產品,被稱為 2.5代移動通信,目前應用十分廣泛。與傳統(tǒng)的全球移動通信系統(tǒng)GSM電路撥號交換相比,GPRS在資源利用效率、交換容量和性能上都有一個質的飛躍19。2.1.1.1 GPRS工作原理GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎上疊加了一個新的網(wǎng)絡,通過增加硬件設備,形成了一個新的網(wǎng)絡實體,提供端到端、廣域的無線IP連接。GPRS與GSM 的根本區(qū)別是,GSM基于電路交換技術,而GPRS基于分組交換技術。通過GPRS的分組交換技術,終

26、端用戶可以不用固定在某一地點,動態(tài)使用各種手機業(yè)務,例如手機上網(wǎng)瀏覽信息等20,21。GPRS將移動通信技術與IP技術有機結合,組成了移動IP網(wǎng)絡。由于GPRS 是基于現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)的,需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡中增加一些節(jié)點: GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點GGSN(gateway GPRS supporting node、GPRS服務支持節(jié)點SGSN(serving GPRS supporting node,并在基站子系統(tǒng)(BSS中增加分組控制單元PCU。GGSN和SGSN是實現(xiàn)GPRS的核心實體,也可通稱為GSN22。GPRS通過多個GSM時隙的復用,支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高,理論峰值達115KB

27、/s,特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸,而這些特性也正是遠程監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的特點。因此,它特別適合于各種監(jiān)測系統(tǒng)的使用,采用GPRS方式是一種非常實用的網(wǎng)絡傳輸方案。2.1.1.2 GPRS的特點GPRS特點如下23,24:(1保持在線狀態(tài)用戶啟動GPRS服務后,將保持設備一直在線,就像是一種專用的無線網(wǎng)絡。(2非時間計費 即使保持一直在線,但是費用和時間是沒有關系的。只有用戶使用數(shù)據(jù)服務產生通信流量時,系統(tǒng)才會根據(jù)使用的流量大小,按照規(guī)定收費。即是一種面向服務的收費方式,這樣用戶也放心使用,而且更加人性化。(3連接迅速 由于基于分組交換技術,不必像以往撥號建立連接,而是通過分組數(shù)據(jù)交換快速

28、實現(xiàn)連接。(4切換靈活 靈活切換使用語音和數(shù)據(jù)業(yè)務,打電話、網(wǎng)上沖浪都十分方便。(5傳輸高速 GPRS最高理論傳輸速度為171.2kbit/s,目前GPRS應用可以支持40kbit/s左右的傳輸速率。GPRS無線通信方式是一種投資少、費用適中的方式,具有運行穩(wěn)定、維護簡單、可擴展性高等優(yōu)點,但也存在不容忽視的缺點,如傳輸數(shù)據(jù)的過程中,數(shù)據(jù)延時比較大,導致整個數(shù)據(jù)通道的總延時比較大;信號不好時網(wǎng)絡容易中斷,導致數(shù)據(jù)通道丟失;GPRS雖然理論速率大,但實際應用中達不到理論速率等。采用軟件手段對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀大小進行調整,能在一定程度上提高GPRS 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸量。2.1.1.3 GPRS-Inte

29、rnet網(wǎng)絡Internet,即因特網(wǎng),又叫做國際互聯(lián)網(wǎng),它是由那些使用公用語言互相通信的計算機連接而成的全球網(wǎng)絡。這些資源以電子文件的形式,在線分布在世界各地的數(shù)百萬臺計算機上。Internet網(wǎng)上的用戶可以方便地交換信息,共享資源17?；ヂ?lián)網(wǎng)采用了流行的服務器/客戶機方式,這用使網(wǎng)絡信息服務的更加便捷。通過將國家電信網(wǎng)與計算機網(wǎng)絡互聯(lián)形成GPRS-Internet的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡,這種應用使得控制網(wǎng)絡的范圍得到了很大的拓展,連接方式如圖2-1所示。 圖2-1 GPRS-Internet連接示意圖GPRS無線通信模塊(DTU通過撥號連接到GPRS主干網(wǎng),主干網(wǎng)然后分配給DTU一個網(wǎng)內動態(tài)IP,

30、并將改IP映射到網(wǎng)外IP實現(xiàn)與Internet的連接, DTU與GSM基站連接通信,將GPRS分組數(shù)據(jù)送到基站,分組數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS 服務支持節(jié)點(SGSN封裝后,SGSN通過GPRS主干網(wǎng)與網(wǎng)關支持接點(GGSN進行通信。GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應的處理,再發(fā)送到Internet。反過來, Internet通過逆向過程將數(shù)據(jù)傳回DTU終端,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的上行傳輸25,26。如果使用GPRS-Internet網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸,用戶不必建立自己的專用網(wǎng)絡,直接使用電信運營商提供免費的公共網(wǎng)絡,通過合理利用通信網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)資源,實現(xiàn)用戶所需的通信功能。目前,GPRS通信技術的迅速發(fā)展,將其與互聯(lián)網(wǎng)結合

31、應用進行數(shù)據(jù)傳輸,前景廣闊。2.1.2 Zigbee技術ZigBee技術是一種傳輸距離短,傳輸速率低的無線通信技術,其名字來自蜂群生存的通信方式,蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈,發(fā)出信息告訴同伴發(fā)現(xiàn)食物的位置,這種特點與Zigbee的技術特點非常相似,因此用兩個英文單詞ZigZag和蜜蜂(Bee的組合作為該無線通訊技術的名稱27。2.1.1.1 Zigbee的特點無線通信技術自無線電發(fā)明,就一直廣泛被人們研究。近年來,無線通信技術始終向著提高數(shù)據(jù)傳輸速率和增加傳輸距離的目標發(fā)展。例如局域網(wǎng)的傳輸數(shù)率從1Mbit/s提高到54Mbit/s。目前研究火熱的ZigBee技術則是一種致力于方便使用、

32、生產成本低和能量消耗低的無線通信技術。Zigbee無線通信技術有如下特點28,29:(1數(shù)據(jù)傳輸非?？煽?ZigBee的媒體接入控制層采用就緒會話碰撞避免機制。在這種機制下,每個數(shù)據(jù)幀都需接收方的回復確認信號,如果沒有收到確認回復信息,則重新開始一次傳輸,如此便能夠有效提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?2很強的兼容性 通過協(xié)調器(Coordinator建立網(wǎng)絡,采用偵聽和沖突檢測方式接入信號通道。ZigBee技術實現(xiàn)了與目前控制網(wǎng)絡的完美聚合。(3能量消耗低 工作狀態(tài)下,ZigBee節(jié)點有較低的傳輸速率,較小的傳輸數(shù)據(jù)量,因此數(shù)據(jù)收發(fā)時間很短;在其他狀態(tài)下,ZigBee節(jié)點進入休眠模式。由于工作時間

33、短且采用了休眠模式,節(jié)點十分省電。此外,ZigBee技術在應用協(xié)議上對電池使用方式作了改善。一般應用情況下,堿性電池可維持三到四年。如果工作時間占到總時間百分之一以下,那么電池維持使用時間將超過十年。(4安全性好 Zigbee在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級是無安全方式,即如果安全性低或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護,器件就可以選擇這種方式來轉移數(shù)據(jù)。第二級安全級別中,器件可以使用接入控制清單(ACL來防止非法器件獲取數(shù)據(jù),不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉移中采用高級加密標準(AES的對稱密碼。(5網(wǎng)絡容量大 一個Zigbee的網(wǎng)絡最多包括從屬(Slave和一個是主控(Master設備

34、共有255個ZigBee節(jié)點。同一個區(qū)域可以包括近100個Zigbee 網(wǎng)絡,如此便可將節(jié)點數(shù)擴展到2萬個以上。(6成本低 ZigBee裝置成本估計在五十元左右,且Zigbee協(xié)議的專利費可以不用繳納。2.1.1.2 Zigbee網(wǎng)絡結構ZigBee允許使用星型結構和網(wǎng)狀結構,也允許使用兩者的組合(混合型,如圖2-2所示。應用的設計選擇決定了拓撲結構的類型。一些應用,諸如PC外設,適合低延時的星型連接,而對于其他應用場合,如涉及到安全要求領域,適合大面積的點對點拓撲結構。 圖2-2 Zigbee網(wǎng)絡結構圖2-2中的全功能器件是指支持49個ZigBee協(xié)議所要求的基本參數(shù)的器件。按照應用需求,可

35、以將一個全功能器件組裝成為任意功能的ZigBee節(jié)點。而對簡化功能器件,在最小配置的情況下只要求它支持ZigBee協(xié)議中的38個基本參數(shù),在一個ZigBee網(wǎng)絡中,它僅僅可以起到部分應用價值。一個全能器件可以與簡能器件和其他全能器件通話,可以按協(xié)調器、器件、個域網(wǎng)協(xié)調器三種方式工作。但是簡能器件只能與全能器件通話,僅在非常簡單的情況下才會用到29。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡包括分布式傳感器節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點等。協(xié)調器節(jié)點的職能是創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡,而后其作用就和路由節(jié)點(Router相同,職能就是數(shù)據(jù)的轉發(fā)和路由,并且維持ZigBee網(wǎng)絡的正常進行。所有節(jié)點,不管是傳感器點(Se

36、nsor Point、路由點(Router或協(xié)調器點(Coordinator都具有傳輸感應、處理信號和無線通信的能力,它們既充當數(shù)據(jù)的發(fā)出處的角色,也擔當著轉發(fā)的責任。利用網(wǎng)絡自己組織和多跳路由,將數(shù)據(jù)向協(xié)調器點發(fā)出并且傳送。協(xié)調器節(jié)點既可以使用RS232總線方式也可以使用無線方式與外界通信。所有的ZigBee網(wǎng)絡使用不同網(wǎng)絡標識,網(wǎng)絡與網(wǎng)絡可以通過協(xié)調器節(jié)點通信。應用領域不同,傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的構成也不同,但通常包括電源、傳感器和模數(shù)轉換塊、微處理器(存儲器、CPU和操作系統(tǒng)和通信單元(由無線通信射頻塊等,能完成信號監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、傳輸信號的任務。傳感器的類型決定于被監(jiān)測的物理信息情況,節(jié)點需

37、用電池供應電量,如果電池消耗干凈,節(jié)點就失去了功能。為了最大限度地節(jié)約電源,在硬件設計方面,要盡量采用低功耗器件,處理器通常選用嵌入式CPU,射頻單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。由于ZigBee最顯著的技術特性就是它的低功耗和低成本,其采用較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、較低的工作頻段和更小的棧容量,并且可以將設備的ZigBee模塊定義為低功耗的休眠狀態(tài)使其整體功耗顯著降低。使得在絕大多數(shù)目標應用場合下僅靠2節(jié)標準5號電池的ZigBee模塊最大限度的延長使用壽命。2.2 計算機測控技術測控技術在現(xiàn)代科學技術、工業(yè)生產和國防等諸領域中的應用十分廣泛。測控技術的現(xiàn)代化,已被公認為科學技術和生產現(xiàn)代

38、化的重要條件和明顯標志。隨著計算機技術、通信技術和電子技術的飛速發(fā)展,在現(xiàn)代遠程測控領域中,各種先進的測控技術、測控設備和遠程通信手段層出不窮。如何提高測控系統(tǒng)遠程通信的可靠性、準確性和及時性,以及如何擴大通信的距離,一直是遠程測控系統(tǒng)設計和研究過程中必須考慮的一系列關鍵性的問題。2.2.1 計算機測控系統(tǒng)計算機測控技術主要包括數(shù)字量的輸出、模擬量的輸出、測量脈沖量和頻率量、接收數(shù)字信息和中斷數(shù)據(jù)信息以及測量和采集模擬輸入信號。計算機測控系統(tǒng)把計算機看做控制過程和工業(yè)數(shù)據(jù)采集的核心,被監(jiān)控對象中的物理參量是由傳感器或變送器轉換為電信號的,輸入裝置再將這些電信號轉換為計算機可識別的數(shù)字量,不但可

39、以以數(shù)字、曲線或圖形的方式輸出,而且還可以將采集的數(shù)據(jù)存儲起來,隨時進行分析、統(tǒng)計或傳給監(jiān)控中心。計算機測控系統(tǒng)是由各種面向過程的功能模塊通過總線互相連接而組成的。主要包括A/D、D/A、DI、DO、開關量輸入和開關量輸出等。監(jiān)控中心微機根據(jù)測控單元采集到的物理參量的大小,按照工藝要求的設定值進行判斷,然后給測控單元發(fā)送控制命令,測控單元根據(jù)一定的控制算法在輸出裝置中輸出相應的電信號,并推動執(zhí)行裝置動作從而完成相應的控制任務30。計算機測控系統(tǒng)主要由傳感器、計算機、執(zhí)行機構、測控對象、輸入接口、輸出接口和控制臺等組成,如圖2-3所示。計算機測控系統(tǒng)的工作過程通常由以下步驟構成:(1數(shù)據(jù)采集從傳

40、感器或其它待測設備將被測單元中自動采集參數(shù),轉化為相對應的電量信號輸入計算機。(2數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)的存儲、檢索、變化和傳輸,而測控系統(tǒng)中是由微機根據(jù)得到與被測參數(shù)相對應的測量結果后,由控制算法輸出結果決定下一步的控制過程。(3控制輸出指微機實時控制控制機構或數(shù)據(jù)的打印輸出。隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡的逐漸發(fā)展,分布式測控系統(tǒng)逐漸走上計算機測控領域的大舞臺。分布式技術也朝著多元化發(fā)展,滿足了許多復雜系統(tǒng)的應用需求。 圖2-3 典型計算機機測控系統(tǒng)組成框圖2.2.2 分布式控制技術2.2.2.1 技術簡介由分布式技術發(fā)展而來的控制系統(tǒng)稱為分布式控制系統(tǒng)(DCS,又稱為集散控制系統(tǒng),是指多個被控對象由多臺計算機或多

41、個處理器分別控制,同時又可集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理,是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來的。分布式控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)獲取、直接數(shù)字控制以及監(jiān)控管理等功能,綜合了許多技術,它的基本思想是分級管理、配置靈活、組態(tài)方便、分散控制和集中操作。通常情況下,按地域把微處理機安裝在測控裝置附近,管理功能集中,控制功能盡量分散。分布式控制系統(tǒng)包括全分布控制系統(tǒng)、集散控制器、開放式控制系統(tǒng)、分散型控制系統(tǒng)和DCS過程控制系統(tǒng)。主要應用于有中央空調的大型辦公樓、商場內的控制系統(tǒng),也應用于電力、石油和電子等領域31。2.2.2.2 技術特點分布式控制系統(tǒng)具有以下特點32:(1性格比高采用低價的微機構成高性能的系統(tǒng),與同樣

42、功能的大、中型計算機相比,分布式多微機系統(tǒng)的價格僅為三分之一到四十分之一。(2可靠性強“優(yōu)美降級運行”,即可由其它子系統(tǒng)以“容錯”方式帶故障運行,全局可靠性不會受到子系統(tǒng)的故障影響,并且子系統(tǒng)之間能夠互相檢測、診斷和保護,從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。(3模塊化結構分布式系統(tǒng)容易實現(xiàn)模塊化、通用化,系統(tǒng)功能分散容易擴充,可以實時地動態(tài)分配與管理系統(tǒng),以適應不同環(huán)境和用戶的要求。(4資源共享 各子系統(tǒng)共享系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和設備等資源,提高了系統(tǒng)的性價比,也增加了系統(tǒng)的適應性與靈活性。(5響應速度快可通過并行處理或各子系統(tǒng)分別處理來實現(xiàn)快速響應。2.2.3 傳感器技術傳感器可以把將要測量的非電物理信號的

43、數(shù)據(jù)依照特定的方式轉化成可用的產生電訊號的單元或設備,是測控系統(tǒng)中非常重要的一個組成部分。它連接了將要測定的目標和控制系統(tǒng),提供了原始的數(shù)據(jù)信息。伴隨著微機的全面的使用,傳感器在測控領域的價值就顯得更加明顯33。傳感器技術主要由以下幾種:(1溫度傳感器技術基于該技術的設備又稱為數(shù)子溫度傳感器,是基于微電子技術、計算機技術和自動測試技術之上的一種產品。這種設備由溫度敏感單元和信號處理單元組成。通常情況下,將這兩部分分開放置,這樣能夠降低信號傳送裝置產生的能量對溫敏設備準確度的影響。在現(xiàn)實生活中經(jīng)?？吹降臒崦粼袩犭娕?、熱敏二極管、鉑電阻和熱敏電阻,這些熱敏元件里面,一部分是通過電阻數(shù)的微小變動

44、感應溫度變化,比如鉑電阻和熱敏電阻。微制器件是利用溫敏感元件的電阻數(shù)的有規(guī)律的變化來測量溫度數(shù)據(jù)的。(2光電傳感器技術 該技術又稱為光傳感器技術,它是把光訊號變成電訊號的一種技術。其主要通過測量直接產生光訊號的數(shù)據(jù)變動的非電量,反過來也可以進行檢測。該技術具有非接觸、響應快、性能可靠等特點,應用范圍越來越廣,在工農自動化設備和智能設備制造領域里廣泛應用。(3多傳感器技術 該技術主要是信息融合技術,通過信息融合,極大程度上提高了傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。多傳感器信息融合方法使時空的觀測范圍有效增加、數(shù)據(jù)的可信性和分辨能力有效提高,在軍事領域廣泛應用。(4生物傳感器技術 生物傳感器技術是將人體生

45、理的反映能量轉化成電信號的一種分析測試技術,具有操作方便,分析速度快等優(yōu)點。它在許多領域的實用價值都非常高。2.3通信規(guī)約本節(jié)介紹現(xiàn)目前普遍應用的通信規(guī)約,可以分為應答式規(guī)約(Polling和循環(huán)式規(guī)約(Cyclic Digital Transmission,CDT34,35兩種。通信規(guī)約是維持通信所必需的嚴格約定,即一套信息傳輸信息格式和內容的約定。2.3.1應答式規(guī)約應答式規(guī)約即當監(jiān)控中心和遠程終端一對多連接時,監(jiān)控中心實行主動通信,終端有問必答。監(jiān)控中心主動查詢每個終端,并接收終端上傳的數(shù)據(jù)。(1應答式規(guī)約特點終端在收到監(jiān)控中心查詢命令后,必須在規(guī)定時間內反饋信息,否則認為通信故障;終端

46、沒有收到監(jiān)控中心查詢命令時,不能夠主動上報信息;允許多個終端共用一個通道,節(jié)省通道資源;通過壓縮數(shù)據(jù)塊的長度,提高了數(shù)據(jù)傳輸速度;通道適應性強,可以采用全雙工通道或半雙工通道;(2應答式規(guī)約的不足監(jiān)控中心采集數(shù)據(jù)速度慢,而且不允許終端主動上報信息,因此對故障的響應速度也慢;一個數(shù)據(jù)通道供多個終端共享,因此一次通信失敗可能會帶來比較大的損失;采用整幀校驗的方式,出錯概率大,降低了傳輸?shù)膶崟r性;應答式規(guī)約的容量較小,對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間間隔有一定要求;為了避免接收方接收數(shù)據(jù)失敗,采用防止信息丟失和等待-超時-重發(fā)技術,通信控制技術要比CDT規(guī)約復雜。2.3.2循環(huán)式規(guī)約循環(huán)式規(guī)約(CDT 是以遠程終端

47、為主動端,自發(fā)的不斷循環(huán)的向監(jiān)控中心上報現(xiàn)場數(shù)據(jù)的遠動數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約。該規(guī)約適用于點對點通信信道結構,要求發(fā)送端與接收端保持嚴格的同步,信息按事先約定的先后次序排列,并依次循環(huán)發(fā)送。規(guī)約中對通信信息流的幀結構及信息字結構作出了統(tǒng)一規(guī)定。(1CDT 規(guī)約特點數(shù)據(jù)傳送以現(xiàn)場終端為主,終端按預先約定,周期性的不斷循環(huán)上報現(xiàn)場數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心;數(shù)據(jù)信息以幀為單位,按信息重要程度不同,分為A 、B 、C 、D 、E 幀5種幀類別,上幀與下幀相聯(lián),信道一直處于循環(huán)傳送狀態(tài);由于終端不斷循環(huán)上報現(xiàn)場數(shù)據(jù),即使在發(fā)生短暫通信失敗,當通道恢復正常后,被丟失的信息仍然有機會上報,而不至于造成顯著危害;采用信息字校驗的

48、方式,將傳送信息化整為零,當某個字符出錯時,只要丟棄相應的信息字即可,大大提高了傳輸數(shù)據(jù)的利用率;采用遙信變位優(yōu)先插入傳送的方式,大大提高了事故傳送的響應速度;(2CDT 規(guī)約的缺點由于采用循環(huán)式規(guī)約的子站自發(fā)不斷循環(huán)上報現(xiàn)場數(shù)據(jù),因此通道必須采用全雙工通信,且不允許多個終端共線連接,只能采用點對點的方式連接。由于采用數(shù)據(jù)不斷循環(huán)上報策略,主機對一般遙測量的響應速度較慢。 通過對應答式規(guī)約和循環(huán)式規(guī)約的分析研究,結合水資源監(jiān)控系統(tǒng)的技術特點,自行設定了符合本系統(tǒng)的通信規(guī)約,詳見第4章。2.3.3循環(huán)冗余校驗數(shù)據(jù)信息在監(jiān)控中心與遠程終端之間傳輸過程中,會受到各種干擾,使信碼出現(xiàn)變形。這種變形在接

49、收端無法正確判別時,就會產生錯誤判斷而誤碼。本系統(tǒng)為減少信息傳輸過程中的誤碼,采用循環(huán)冗余校驗機制(Cyclic Redundancy Check,CRC 。在發(fā)送端,將要傳送的數(shù)據(jù)幀按照一定算法,生成一個CRC 的值,附在數(shù)據(jù)幀尾一并傳送。接收端接收該條數(shù)據(jù)幀后,按同樣算法生成一個CRC 值,與收到的幀尾CRC 值進行比較,若兩值相同,則認為該數(shù)據(jù)幀傳輸正確,否則認為有錯,將錯誤數(shù)據(jù)幀丟棄。系統(tǒng)采用16位循環(huán)冗余校驗,生成多項式見式2-1。16125(1g x x x x =+ (2-1 CRC 校驗碼的編碼方法36是用待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)t(x除以生成多項式g(x,將最后的余數(shù)作為CRC校驗

50、碼。實現(xiàn)步驟如下:(1 設待發(fā)送的數(shù)據(jù)塊是m 位的二進制多項式t(x,生成多項式為r階的g(x。在數(shù)據(jù)塊的末尾添加r個0,數(shù)據(jù)塊的長度增加到m+r位,對應的二進制多項式為xrt(x。(2 用生成多項式g(x去除xr t(x,求得余數(shù)為階數(shù)為r-1 的二進制多項式y(tǒng)(x。此二進制多項式y(tǒng)(x就是t(x經(jīng)過生成多項式g(x編碼的CRC 校驗碼。(3 用xrt(x以模2的方式減去y(x,得到二進制多項式xr t(x。xr t(x就是包含了CRC校驗碼的待發(fā)送字符串。通過循環(huán)冗余校驗的編碼規(guī)則可以判斷出以下問題:循環(huán)冗余校驗編碼就是把要發(fā)送的n位二進制多項式t(x轉變成了能夠讓g(x除盡的n+k位二進

51、制多項式xk t(x,在解碼時將接收的數(shù)據(jù)去除去除多項式g(x,結果如有余數(shù)的話,就判斷出了數(shù)據(jù)在傳輸時有問題產生,就是出現(xiàn)錯誤;如余數(shù)值為零則表示傳輸過程沒有錯誤。2.3.4 TCP/IP協(xié)議在因特網(wǎng)所使用的各種協(xié)議中,最重要和最著名的是TCP(Transmission Control Protocol和IP(Internet Protocol兩個協(xié)議。當今人們提到的TCP/IP 往往是表示因特網(wǎng)所使用的體系結構或指整個的TCP/IP協(xié)議族。TCP/IP考慮各種異構網(wǎng)的互連問題,將網(wǎng)際協(xié)議IP作為TCP/IP的重要組成部分。TCP/IP 既面向連接服務,也可以面向無連接服務;有良好的網(wǎng)絡管理

52、功能。TCP/IP體系結構如2-4圖所示。 圖2-4 TCP/IP體系結構2.4 GIS技術地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS是一門跨學科新興學科,它是把許多學科聯(lián)系在一起,具體有如下學科:地理學、計算機科學、空間科學、環(huán)境科學、管理科學和信息科學。它在計算機硬、軟件環(huán)境的支持下,以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎,對空間相關數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬和顯示。地理信息系統(tǒng)提供空間和動態(tài)的地理信息,是一種提供決策服務信息系統(tǒng)37。GIS的主要作用是根據(jù)空間的相關參數(shù)和方法,利用初始資料和參數(shù)進行研究和修正,使客戶得到自己需要的經(jīng)驗和知識,然后按照這個結

53、果進行下一步行動方向的安排。地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)由數(shù)據(jù)采集、存儲管理、分析處理、結果生成四個階段構成。GIS的最重要的載體是地理實物和能量及其相關文字、數(shù)字、地圖和影像等形象標示。就地圖來說,既可以負載信息,又可以傳播信息。GIS將地理位置和其位置相關的屬性有機綜合的總結聯(lián)系起來,根據(jù)客戶的實際需要真實而形象的發(fā)送給客戶,客戶的需求可以得到充分滿足?？傊?就水資源遠程監(jiān)控的實際應用而言,由于監(jiān)控范圍很廣,且水資源檢測工作與地理信息密切相關,合理的利用GIS的數(shù)據(jù)管理和空間分析等功能的話,既可以宏觀管理,又可以微觀管理,非常便于水資源日常的運行管理和分析決策。2.5 本章小結本章主要研究分析了GPR

54、S技術、ZigBee技術、計算機測控技術、地理信息系統(tǒng)和通信規(guī)約。GPRS及ZigBee技術主要介紹了其通信原理及技術特點。計算機測控技術主要介紹了計算機測控系統(tǒng)的組成結構、功能和性能規(guī)范等。對通信規(guī)約進行了詳細的分析比較,并對循環(huán)冗余校驗進行了研究。最后通過對GIS技術介紹,說明了將該技術應用到水資源監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)越性。第3章 系統(tǒng)組成結構、實現(xiàn)的功能和開發(fā)工具3.1 系統(tǒng)組成結構水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)由一臺監(jiān)控中心微機和多臺監(jiān)控終端(FTU 組成。監(jiān)控中心微機位于水資源管理部門的監(jiān)控中心,監(jiān)控終端位于用戶提取水資源的泵房或管網(wǎng)閥門現(xiàn)場,通過GPRS-Zigbee 無線方式結合Internet

55、網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)控中心-監(jiān)控終端之間的遠程信息傳輸。系統(tǒng)組成結構如圖3-1所示。 3.1.1 監(jiān)控中心微機監(jiān)控中心微機位于機房,微機上裝有水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件。操作員通過監(jiān)控中心軟件界面查看終端設備運行狀態(tài),監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行。監(jiān)控中心接收到終端主動上傳或應答反饋的參數(shù)信息時,能夠進行實時的數(shù)據(jù)分析和處理;監(jiān)控中心能夠實現(xiàn)對各個遠程終端的定時監(jiān)測和控制,顯示遠程終端的實時運行狀態(tài)和參數(shù),當發(fā)現(xiàn)遠程終端運行故障時報警;實現(xiàn)取水管理、日志管理、用戶管理、報表管理、地理信息管理等功能;監(jiān)控中心微機安裝有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),存儲水資源監(jiān)控系統(tǒng)相關信息。監(jiān)控中心和終端之間通過Zigbee-GPRS-Internet

56、 網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心發(fā)送監(jiān)測命令時,首先通過Internet 發(fā)送到GPRS 無線模塊,然后再轉發(fā)到Zigbee 網(wǎng)絡的每個終端,終端收到報文后,解釋執(zhí)行報文并將執(zhí)行結果返回監(jiān)控中心。3.1.2 遠程監(jiān)控終端遠程監(jiān)控終端位于用戶提取水資源的泵房或管網(wǎng)閥門現(xiàn)場,由監(jiān)控單元、Zigbee 模塊、開關線路、數(shù)字式水表和UPS 電源等組成。終端之間采用Zigbee 無線方式通信。監(jiān)控終端通過無線通信方式(Zigbee-GPRS 接收監(jiān)控中心的信息,并通過判斷報文中的功能執(zhí)行相應的動作。當現(xiàn)場市電停電時由UPS 供電,并主動發(fā)送報文至監(jiān)控中心?？梢詫⒈O(jiān)控終端的Zigbee 通信節(jié)點設置為低功耗模

57、式,也就是在沒有數(shù)據(jù)量傳送的時候降低功耗,如此就能夠延長使用時間。監(jiān)控終端硬件結構如圖3-2所示。 圖3-2 監(jiān)控終端硬件結構3.1.3 網(wǎng)絡結構設計遠程終端通過GPRS-Zigbee 無線方式實現(xiàn)與監(jiān)控中心Internet 網(wǎng)絡之間的遠程信息傳輸。Zigbee 網(wǎng)絡采用混合型網(wǎng)絡結構。ZigBee 網(wǎng)絡由協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點及監(jiān)控終端組成。每個ZigBee 網(wǎng)絡具有獨立的網(wǎng)絡號,由該網(wǎng)絡的協(xié)調節(jié)點和一個GPRS 模塊相互連接,進行透明數(shù)據(jù)傳輸。每個監(jiān)控區(qū)域網(wǎng)絡內的終端通過Zigbee 小型網(wǎng)絡實現(xiàn)相互通信。每個終端都連接有一個Zigbee 通信節(jié)點,在ZigBee 網(wǎng)絡中,所有節(jié)點的數(shù)據(jù)都通

58、過路由送往協(xié)調節(jié)點,協(xié)調器節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制和碰撞避免機制,整個通信網(wǎng)絡的可靠性和安全性都十分高。每個Zigbee網(wǎng)絡可以同時連接254個子節(jié)點,而且每個監(jiān)控區(qū)域內可以同時存在100多個獨立且相互覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡。這樣網(wǎng)絡擴展靈活自如,同時容量實現(xiàn)大范圍的增加,能夠適應水站水庫多個監(jiān)測點的需求。因此,應用ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)對水資源多個站點數(shù)據(jù)的采集相當方便。3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)綜合了計算機技術、自動控制技術和無線通信技術,實現(xiàn)了對城鎮(zhèn)水資源的遠程實時監(jiān)控和信息管理。該系統(tǒng)能夠控制水資源的提取,對用戶取水信息進行分析處理,提高了水資源管理水平。系統(tǒng)功能組成如圖3-3所示。(1遠程監(jiān)測功能監(jiān)控中心微機通過定時、實時檢測方式,對水資源、 圖3-3 系統(tǒng)功能組成取水井、取水設備的狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測,具體包括用戶取