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。

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。