（检测技术与自动化装置专业论文）基于gprs技术的水雨情测报系统的研究和实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着遥测遥控、电子计算机和通信技术的发展，水情自动测报系统在我国得 到了广泛的应用。水情自动测报系统是应用遥测、通信、计算机技术，进行江 河流域降雨量、水位等数据的实时采集、报送和处理的信息系统。遥测终端主 要完成对水情数据的自动采集、存储，将数据传送给中心站的系统主机，主机 接收各遥测站发送的数据并进行分析后作出正确决策，从而为水利部门提供及 时准确的水情信息，提高水利部门管理水平。 由于水文观测的重要性，很多单位都开发了水情自动测报产品。但是经过分 析，发现这些产品大部分还是用单片机系统来构建的。虽然有设计简单、价格 便宜等优点，但随着测报功能需求的增加，系统越来越复杂，逐渐显露出性能 还不够强大、升级和二次开发麻烦等缺点。 基于对水文观测现状的分析，结合水情自动测报系统的特点，本论文以嵌入 式处理器a r m 为核心，辅以其他芯片和外围电路，实现测报系统的硬件设计。 具体完成了对硬件平台、电源模块、通信模块、存储电路、液晶显示驱动程序 等的开发设计。 本论文在实现硬件的基础上完成了对测报系统的软件设计。综合考虑测报系 统应用的具体背景，提出了软件设计的总体思路，设计了应用层的通信协议， 数据采集、数据存储、远程通信、命令处理等各个软件功能模块。 接着实现了系统终端远程无线升级。探讨了在应用编程0 a p ) 的原理、设计 思想、方法和实现技术，并对i a p 软件编程的系统工作状态作了较详细的论述。 系统终端的远程无线升级能够较好地解决测报系统终端分布广、升级困难的问 题，并对实现i a p 的可靠性作了进一步研究。 最后进一步分析了系统信息安全性隐患。并提出了一种基于d e s 和r s a 算 法的混合密码系统的实现策略。这种密码系统的设计方案有利于在g p r s g s m 网络的数据通信的基础上提高终端的运算速度，使系统具有良好的安全性和适 应性。 经过了实际运行表明，系统采集的数据正常、工作稳定、通信良好，基本达 到了水雨情自动测报系统所规定的技术指标要求。 关键词：水雨情测报系统，远程通信，信息安全 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e m o t et e l e m e t r ya n dc o n t r o l 。e l e c t r o n i cc o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea u t o m a t i cs y s t e mo fh v d r o l o g i cd a t ac o l l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o nh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di no u r c o u n t r y t h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m i sa ni n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hi su s e dt oc o l l e c t , t r a n s m i ta n dp r o c e s st h er e a l - t i m e d a t as u c h 私r a i n f a l l w a t e rl e v e la n ds oo n , b ya p p l y h a gt e l e m e t r y , c o m m u n i c a t i o n a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y n er t ui sm a i n l yd e s i g n e dt oc o l l e c t s t o r ea n dt r a n s m i t t h ew a t e ri n f o r m a t i o nt 0t h eh o s tc o m p u t e ro ft h ec e n t e rs t a t i o n n l eh o s tc o m p u t e r r e c e i v e st h ed a t af r o mt h e 舢a n dt n a l 【e sc o r r e c td e c i s i o na f t e ra n a l y z i n g w h i c h p r o v i d e st h ew a t e rc o n s e r v a n c yw i t hi m m e d i a t ea n de x a c tw a t e ri n f o r m a t i o n 。a n d i m p r o v e st h em a n a g e m e n tl e v e la sw e l l b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo ft h eh y d r o l o g yo b s e r v a t i o n , m a n yc o m p a n i e s d e v e l o p e dt h e i ro w np r o d u c t s h o w e v e r , m a n yo fp r o d u c t sa r cd e s i g n e dw i t hs c m , w h i c hm a k e st h e mh a v et h ea d v a n t a g eo f c h e a pa n de a s yt od e s i g n w i t ht h ei n c r e a s e o ff u n c t i o n s ，t h es v s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e s oi t sn e c e s s a r yt o r e b u i l di t 谢mn e w t e c h n i q u e c o n s i d e r i n go ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r o l o g yt e l e m c t r i cs y s t e m , t h e h a r d w a r es y s t e mi sr e a l i z e db yt a k i n gt h ee m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra r ma st h ec o t h ed e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r m ， p o w e rm o d u l e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c em o d u l e , m e m o r yi n t e r f a c ec i r c u i t a n dl c d d r i v e rh a v eb e e nf i n i s h e d t h es o r w a r ed e s i g no ft h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e mh a sb e e nf i n i s h e d c o n s i d e r i n gt h es p e c i f i ca p p l i c a t i o nb a c k g r o u n do ft h eh y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m , t h eo v e r a l li d e ao f t h es o f t w a r ed e s i g nw a sp r e s e n t e d ；t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l so f t 1 1 ea p p l i c a t i o nl a y e rw e r ed e s i g n e d ；t h ed a t ac o l l e c t i o n 。r e m o t ec o m m u n i c a t i o n , d a t a s t o r a g ea n dc o m m a n dp r o c e s s i n gs o f t w a r ef u n c t i o nh a v eb e e nf i n i s h e d n 璩n e wm e t h o df o ru p g r a d i n gt e r m i n a lp r o g r a mu s i n gu 心f u n c t i o nb a s e do h g p r s g s mi sp r o d u c e 正w h i c hi sa l r e e d 砒t h es p e c i a ld i s a d v a n t a g eo fr e d o t e m o n i t o r i n gs y s t e m , s u c ha sw i d e l yd i s t r i b u t e d i f f i c u l tu p d a t i n ga n ds oo n a b e v ea l l g r o u n d w o r k , t h er e l i a b i l i t yo f n pa p p l i c a t i o ni sr e s e a r c h e dm o r e c o m b i n i n gt h ef u n c t i o n , c o s t r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m , am i x e rc i p h e rs y s t e m w a si m p l e m e n t e d , w h i c hi sb a s e do nd a t ae n c r y p ta l g o r i t h md e sa n dp u b l i ck e y a l g o r i t h mr s a n ”p e r f o r m a n c eo ft h et e l e m e t r i cs y s t e m , s u c ha sc o m p u t i n gt i m e e x p a n s i b i l i t y , a n da d a p t a b i l i t y , c a nb eb e n e f i tf r o mt h i sc i p h e rs y s t e m n 圮p r a c t i c a lr e s u l ts h o w e di ti ss t a b l ea n dr e l i a b l e b a s i c a l l ys a t i s f i e st h ed e s i g n r e q u e s t k e yw o r d s ：h y d r o l o g yt e l e m e t r i cs y s t e m , r e m o t ec o m m u n i c a t i o n , i n f o r m a t i o n s e c u r i t y n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盘监：日期出，7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，l l p ：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：主蚤监二日期：玉立：羔! ! ! 导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源和研究意义 1 1 1 课题的来源 本课题是在国内水雨情监测自动化初步发展背景下，武汉理工大学远程控制 与智能诊断研究所同北京智网科技有限公司合作开发的水雨情信息实时监控系 统。本项目初期实现对湖北省广水市徐家河水库部分库区的远程实时监控，在 技术成熟后将此技术逐步在全国水文行业推广。目前，此系统的运行情况良好， 现正向浙江、广州等地推广。 1 1 2 课题的研究意义 信息化是当今世界经济社会发展的趋势，也是我国产业优化升级和实现工业 化、现代化的关键环节。随着信息技术的迅速发展，计算机给设备融入了智能， 通信技术和网络技术，又促使了现场设备的网络化。水雨情遥测系统是当前我 国大力推进的水利信息化的重要组成部分之，该系统在防汛、流量计量、航 道监测等实际工程中得到了越来越多的应用。遥测系统的应用提高了观测数据 的可靠性、准确性、及时性和效率。它能将某一流域内的水雨情信息在短时间 内传递至信息中心，以便及时进行水雨情预报，减少水害损失，提高水资源的 利用率，产生较大的社会效益和经济效益。 水雨情遥测系统是一种采集某一流域或区域内雨量、水位等水雨情信息的 实时系统，能实时采集、传输、接收遥测站的水雨情信息；具有数据监测、纠 错等处理功能，建立实时、历史水雨情数据库；能进行水位和雨量联合预报； 系统能够可靠的无人值守稳定运行，具有较强的防雷、抗干扰能力；能与本地 计算机水雨情局域网共享水雨情信息。该系统是一个十分庞大又复杂的系统， 而通信方式又是水雨情遥测系统中的最重要的方面之一。在传统的水雨情遥测 通信方式中有超短波、短波、卫星，有线拨号等通信方式，然而这些通信方式 常常会受到通信质量、通信条件、通信范围、地理环境、建设成本及运行费用 等因素的限制，不能很好地满足实际水雨情数据传输的需要，无线接入以其方 武汉理工大学硕士学位论文 便、快捷和廉价的优势，弥补了有线方式的不足。可以说近十几年来，互联网 技术和移动无线通信技术是信息技术的两大热点，无线计算机网络技术正是这 两大热点技术的结合。近几年，覆盖全国的g p r s 网络已成为一种可持续利用 和开发的资源，因而在此基础上开发出满足需求的无线接入产品就成为可能。 水雨情自动测报系统的功能和服务范围也可进行扩展，例如在收集水雨情数 据的同时，增添闸门开启信息、风向风速、墒情、水质、闸坝、视频信息等参 数，因地制宜，充分利用各种通信资源，在有可靠公网通信信道时优先采用， 并充分发挥专网的作用。 1 2 国内外水雨情自动测报系统的发展 水雨情测报是水文工作的一个重要组成部分，是国家一项重要的基础工作， 在水利规划、水利工程建设管理、防汛抗旱、水资源管理与保护工作都发挥了 重要作用。水文测报的核心内容是脓测与分析评价水资源的质量状况及其变化 规律，为国家和各级政府开发利用、管理与保护水资源提供科学依据。 水雨情自动测报技术是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理 的专门技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利 用的先进手段。它综合水文、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最 新成果，用于水文测量和计算，提高了水雨情测报速度和洪水预报精度，改变 了以往仅靠人工测量水雨情数据的落后状况，扩大了水雨情预报范围，对江河 流域和水库安全渡汛和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发挥重大 作用。 美国和日本是世界上较早重视水雨情自动测报技术开发的国家。2 0 世纪7 0 年代后期，随着微型计算机和单片机芯片的出现和发展以及无线电通信电台质 量的提高，使水雨情自动测报技术有了较快的发展。1 9 7 6 年美国s m 公司与美 国天气局合作研制成的一套水雨情自动测报设备是这个时期有代表性的产品。 8 0 年代以来，由于遥控设备、数据传输方式，微机技术和预报调度软件的进一 步发展，水雨情遥测和防洪调度自动化技术在全世界得到广泛的应用。9 0 年代 以后，国际上多家公司推出了功能强、应用范围广的产品，在水利、水电、气 象以及各类遥测水文、气象参数的专业领域都适时地得以应用【l 】【2 】。 对于水雨情自动测报系统的开发和研制，国外行业始终处于较为领先的地 武汉理工大学硕士学位论文 位。首先，水文信息不但可以从本地读取或保存在大容量数据存储卡中，而且 可采用有线或无线两种方式进行远程传送。有线数据传输直接通过电话线路或 互联网来实现：无线方式有以下几种：无线电波、移动通信网络( g s m 、g p r s 等) 、通信卫星。因此，无线传输节省了自动测报站信息传送线路的建设和维护 费用，使测站有更强的地域适应空间；同时客户可以通过网络或无线可移动设 备获得实时的气象信息。另外，信息的应用范围更广，主要包括：气象和气候 研究、环境监测保护、农业生产、水文、机场、道路交通、航海、科考，以及 体育运动等方面。 我国水雨情自动测报技术的开发研制始于2 0 世纪7 0 年代中期，形成初期产 品在国内一些水库实地应用。当时受日本应答式机制产品影响较大，1 9 7 7 年中 国水利水电科学研究院( 简称水科院) 仪研室研制应用于怀柔水库和黄石水库的 y c - 7 7 水雨情遥测系统就属于这类产品。我国早期也有过自报式水雨情测报装 景，但其设计缺陷较多，误差很大，未能达到实用阶段。8 0 年代中期开始以较 高的起点，较快的速度确立了自已的技术基础，建成了很多规模不小的水雨情 自动测报系统( 常把它简称为“系统”) 。1 9 8 3 年正式开发，1 9 8 6 年投入运行，山 中国水利水电科学研究院研制的黄龙滩水雨情遥测和洪水预报、防洪调度自动 化系统作为国产化正规产品的起点，其后，国内同时期先后建成了一些水雨情 自动测报系统，其中知名度较高的工程包括：天桥、鲁布革及黄河三门峡至花 园口区间。9 0 年代是我国这一专业技术发展最快的时期，一些较大的系统都相 继建成，其中包括赣江、闽江、酉水、澜沧江、红水河及沅江等流域上的万安、 水日、风滩、漫湾、岩滩、天生桥及五强溪等水电厂的较大型水雨情自动测报 工程【3 】【4 】。近十年内有更多较小的水雨情自动测报工程业已建成，它们都发挥很 好的作用。 。 在水情遥测数据传输方面，早期采用较低无线电频段( 3 0 - - 1 0 0 m h z ) 的模拟信 号通信方式，其后逐步改用较高频段( 1 0 0 - - - , 4 0 0 m h z ) 数据通信方式，它们属于v h f u h f 超短波段范范畴。它具有一定的绕射能力和抗干扰能力，比较适用于较远 距离的山区水情数据传送，对于非近距离的障碍物不会形成严重的通信阻隔。 对于阻隔较严重的多山地区，它仍能选择适当的中继站来实现较远距离的山区 通信，所以目前大多数情况下的水情数据传输均可采用超短波通信方式来实现。 利用卫星传输水情数据早在7 0 年代末和8 0 年代初就已开始，美l 雾本土很大 一部分水文站的水文数据都是通过卫星传输的，国土面积较小的日本和英国也 武汉理工大学硕士学位论文 都较普遍地采用卫星转发水情数据。 我国除早期曾在大宁河和渔子溪流域等地分别引进过卫星地面设备进行数 据传送外，对卫星数据通信在水情遥测中的开发工作一直不曾间断，尤其是近 年来，加速了对它们的应用研究。 随着卫星通信的新发展，在提高卫星通信的利用率，满足不同业务需要方面， 出现了许多新技术，构成了一些新型的卫星通信网络：如h 蚰a 塔a t 国际卫星移 动通信系统和v s a t 卫星网系统，都适于水情数据的传送。i n m a r s a t 系统通信网 点的设备可以小型化到便携式程度。实现多点通信，适合远海、航空、高原山 区和荒原僻地使用。v s a t 卫星通信网络系统具有很大的灵活性和很强的适应能 力，特别适合综合业务的应用。可提供点到点服务，也可提供一点到多点通信， 通信覆盖面很大，也是很具竞争力的卫星通信网络系统。 在国外，一些公用电话网络发达国家仍乐于采用有线水情数据通信，我国大 部分地区尚不具备这种条件。不过，国内很多行政企业单位己经有了地面微波 通信，在己建有微波通信联系的情况下，如若可能，它们之间的微波线路可以 利用作为水情数据传输。 2 0 0 3 年以前，除了使用无线电和通信卫星以外，无线数据传输方式主要采 用g s m 短信传送雨量信息。随着移动通信技术的进步，2 0 0 3 年国外首先出现了 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 无线数据传输的自动测 报系统。国际上的主要生产厂家有芬兰的v m s m a 、意大利的d p s - p r o m a t i c 、法 国的c i m e l ，英国的c a m p b e l ls c i e n t i f i c 和c a s e l l a c e l 等等。 在此仅以法国c i m e l 的e n e r c o4 0 7 ，4 1 1 ，4 1 6 型自动站为例作简单介 绍。迄今为止，上述类型的4 0 0 0 多套自动站被全球有5 0 多个国家和团体所使 用。其主要性能如下【5 】； 超低功耗的待机状态，以及自我检测系统 可兼容2 1 6 个信息采集通道 一系列的防雷、防水等防护措施和灵活的供电方式 信息获取方式可选择：本地读取、存储卡储存、电话网络连接、无线电或 移动通信网络、卫星传送 投资及维护费用低廉 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 水雨情自动测报系统现状分析 从水雨情自动测报系统的发展来看，技术的发展主要有两个方面：第一是硬 件系统的构建，鄱所采用的硬件技术。这方面的发展主要由微电子等技术的发 展决定。最初的产品由分立式电子元器件等组装而成，随着单片机芯片的出现 和发展，单片机在测报系统上得到了广泛的应用。更多更新的电子技术也将应 用于测报系统中。第二是所采用的通信技术。最初使用较多的是电台、电报或 有线电话等方式，随着数据传输方式的多样化，g s m 、卫星通信等技术以其方 便、灵活、可靠等优点被广泛使用。 但是经过分析市场上主要的产品，我们发现通信技术是各单位开发产品时的 考虑重点，以南瑞水雨情分公司的n a r i 系列水雨情测报系统为例【6 1 ，该产品就 提供了多种通信方式，如海事卫星c 站( i n m a r s a t c ) 、v a s t 卫星、全球通卫星、 北斗卫星、公用网( g s m 、p s t n 、g p r s 、c d m a 等) 、扩频通信等，部分原因 是因为水雨情测报终端比较多的用于野外、偏远地区，甚至是阻隔较严重的多 山地区，需要考虑在地形复杂的情况下如何将采集到的水雨情数据准确、及时 的传送到中心站。而硬件系统发展就不如通信技术那么迅速，大多数产品还是 采用单片机系统来构建，虽然具有设计简单、成本低等优点，但随着功能的增 加，逐渐显露出了很多缺点，如功能不够强大、可扩展憔差。此外，由于单片 机系统开发中，硬件和软件联系紧密，软件开发是依赖于硬件开发的，必须等 到硬件设计的完成才开始，软件开发人员也需要掌握一定的硬件知识，增加了 开发难度。而且当系统需要升级或增加功能时，都要重新开发，浪费了人力物 力 为了实现“维护健康长江、促进人水和谐”，在“十一五”规划中提出：全面实 现水位、雨量在线监测和报汛自动化，部分水位站实现无人值守。这给报汛自 动化提出了更高的要求，不仅要维护现有设备的正常运行，而且要与时俱进， 利用新技术完善自动报汛能力。针对上述问题，本文提出一种新的解决方案： 綦于g p r s 技术的水雨情测报系统设计方案，以l p c 2 1 3 2 作为主控芯片，它是 一款具有a r m 内核的3 2 位的r i s c 微处理器，它有很高的运算速度和处理能 力，利用a r m 技术对数据采集系统进行重新设计，利用公用的g p r s 网络进行 数据传输。论文主要完成基于a r m 的硬件平台的构建，包括c p u 、内存、实时 时钟、显示、键盘、网络接口和水位雨量传感器接口电路。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文主要工作 本文通过对水雨情监控的调查，分析目前水雨情监控存在的问题，提出了新 的水雨情监控系统的总体结构，通过分析水雨情测报终端在整个系统中的应用 过程，首先给出水雨情测报终端的总体设计方案，然后按照总体方案来实现水 雨情测报终端的设计。 具体主要包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 需求分析。针对现有水雨情数据采集系统进行分析，了解水位、雨量数据 采集的原理、技术要求及规范。 ( 2 ) 系统研究。深入学习嵌入式应用的基本原理、应用方法、应用技术，为嵌 入式水雨情数据采集系统应用提供理论、方法及其技术等依据。 ( 3 ) 硬件设计。深入研究嵌入式a r m 微处理器的工作原理，掌握p h i l i p s 公司生产的l p c 2 1 3 2 芯片的特性、外围接口技术、指令系统、软件开发环境等。 ( 4 ) 软件设计与编码实现。编写水位、雨量数据接口程序，数据处理程序和网 络传输数据程序，用c 语言和汇编语言实现。 ( 5 ) 整机调试。在a d s 开发环境中，先分别调试各软硬件模块，然后进行整 体调试与测试。 ， ( 6 ) 论文成果。经过调试、测试完成后，嵌入式水雨情数据采集系统能正常工 作，通过水位、雨量传感器采集相应的数据，按要求存储在f l a s h 固态存储器中。 实现网络接入功能，通过网络传输数据，在远程水雨情中心的服务器中，可以 接收实时水雨情信息。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水雨情自动测报系统的总体设计 2 1 水雨情测报系统的总体结构 根据现阶段我国的国情，水雨情自动测报系统应符合以下要求：操作简单、 价格便宜、数据测量准确、自带电源，耗能少，能适应野外的工作环境，有抗 雷击的功能。数据传输可靠，网络建设的成本尽可能低。下位机及测量部分应 满足上位机除了能随时调看当前的水位、流量、雨量数据外，可以根据监测站 点的水位值和雨量值的变化自动向中心站加报相关数据，实现预警、报警的自 动化管理。此外还可将历史数据汇总保存，供日后查看、分析，以便掌握不同 时期的水雨情变化情况，真正实现水文工作的信息化，数字化。 水雨情自动测报系统是采用现代科技对水文信息进行实时遥测、传送和处理 的专门技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理利 用的先进手段。它综合了水文、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关 最新成果，用于水文测量和计算，提高了水雨情测报速度和洪水预报精度，改 变了以往仅靠人工测量水雨情数据的落后状况，扩大了水雨情测报范围，对江 河流域及水库安全渡汛和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发挥重 大作用。 水雨情自动测报系统总体结构如图2 1 所示，水雨情自动测报系统由若干个 水雨情终端( 下位机) 称为r 1 1 _ 远程终端单元和远程监控中心等几部分组成。 r t u 根据实际需要运行在各库区、灌区及江河流域的重要监测点，进行现场的 水雨情数据采集，并通过g p r s ，g s m 网络将数据远传到中心站，通过中心站服 务器上安装的专用配套软件从而可以进行水文数据的分析和处理。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 水雨情自动测报系统总体结构 水雨情终端内部集成了微处理器、存储器、电源电路( 由太阳能电池板和铅 酸电池组成) 、r s 2 3 2 通讯电路、无线通信模块等，可实现太阳能以及铅酸蓄电 池两种供电方式的灵活切换保证系统运行、可通过无线网络与中心站通信，并 可以由水文工作人员通过笔记本等手持设备现场读取固态存储器中保存的水 位、雨量等信息。 监控中心通过计算机网络技术，数据库技术和软件平台实现远程监控功能。 监控中心存有各监测站点的信息，在系统运行的过程中，监控中心可对水雨情 终端的运行参数( 如水位雨量的报警限、终端主动发起通讯的时间等) 进行设定， 并可在计算机上以曲线、图形的方式动态显示监测站点的水位、雨量的变化情 况，便于水文工作人员赢观的监测点的情况进行观察和分析。 2 2 远程无线通信的实现方案 在水雨情自动测报系统信息网络系统中，通信技术是重要的环节之一。遥 测的数据传输网络可以由有线或无线信道组成。有线信道一般传输数据的信号 质量较好，但因遥测子站不便于移动，使应用受到了一定的限制。在有条件的 地区，使用有线传输仍是优选方案。无线信道可以使遥测子站能够方便地移动， 武汉理工大学硕士学位论文 给站点的选择带来了很大的方便。在采取相应的技术措施后，数据通信质量完 全可以满足实际要求。 由于水雨情自动测报系统中的监测点都在环境恶劣且地势开阔的野外，属 高雷电发生区，故而，应尽可能地缩短测报终端到m o d e m 的数据传输有线线 路，而对于各测站至中心站之间的远距离数据传输，则应采取无线通信方式。 无线通信方式主要有短消息、g p r s 、c d m a 、卫星通讯等通讯方式，各自 的特点简述如下： 短消息业务s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 是全球移动通信系统g s m 提供的 种主要业务，它不用拨号建立连接，是g s m 中唯一不用建立端端业务路 径的业务，点对点短消息以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送。 空闲时占用独立专用控制信道( s d c c h ) ，信息速率为7 8 2 b s ；通话时占用慢速 随路控制信道( s a c c h ) ，信道速率为3 8 3 b s 。由于公众g s m 网络在全球范围内 实现了联网和漫游，建立g s m 系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传 输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令 的数据通信系统，可以广泛用于包括过程检测在内的远程监控、定位导航、个 人通信终端等。 在g s m 系统中，点对点短消息的传递与发送是由短消息服务q ，, l , ( s m s c ) 来提供服务的。s m s c 的作用像邮局一样，接收来自各方面的邮件，然后把它们 进行分拣，再发给各个用户。s m s c 的主要功能是存储和转发用户的短消息，它 与移动网在功能上是完全分离的实体。 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是g s m p h a s e 2 1 规范实现的内容之一，能提供比现有g s m 网9 6 k b i t s 更高的数据纠7 l 【8 】。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规 则以及相同的t d m a 帧结构，因此具有很好的信号覆盖；随着中国移动g p r s 网络建设的日臻成熟，地区的覆盖率超过9 0 ，g p r s 信号达到了无盲区覆盖1 9 。 g p r s 突破了g s m 网只能提供电路交换的思维方式，只通过在现有g s m 网络中增加相应的功能实体( g g s n ，s g s n ) 和对现有的基站系统进行部分改造来 实现分组交换。g p r s 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据【l o 】，从 而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。g p r s 特别适用于间断的、突 发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。同时它具 有与现有的g s m 一样安全功能，是一种经济高效的分组数据技术，可有效地利 9 武汉理工大学硕士学位论文 用稀有的无线资源，计费方式灵活( 数据量或时长) 、能够快速建立接入、同时可 提供g s m 和g p r s 的业务，也可使用m 协议连接到外部数据网【1 1 】。 c d m a 是码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的英文缩写，它是在数字 技术的分支扩频通信技术基础上发展起来的为现代移动通信网所要求的大容 量、高质量、综合业务、软切换等要求而设计的一种崭新而成熟的无线通信技 术。 c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息 数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的 带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与 接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩， 以实现信息通信。 在国内，中国联通2 0 0 1 年开始建设窄带c d m a 商用网，2 0 0 2 年开始放号 运营，2 0 0 3 年开始建设c d m a 2 0 0 0 1 x 系统，积极推出中高速率的新业务，现 在系统正在建设中。 在深山密林等g p r s 不能覆盖的地方，卫星通讯方式非常有优势，可以起 到独特的作用。常用水文数据遥测的卫星有两种，目前较为广泛使用的卫星通 信有i n m a r s a t 卫星通信和v s a t 卫星通信【1 2 1 。这两种卫星通信方式在水雨情自动 测报系统中的应用比较见表2 - 1 ： 表2 - 1卫星方案比较 、雪信系统 i n m a r s a t v s a t 比较内蕃、 采用l 频段，频率为采用c 或k u 频段，c 频段为 1 5 1 6 g h z 。对雨、雾衰减 4 6 g h z ；k u 频段11 1 4 g h z ，c 频段地 通信频段 非常小，可忽略不计。面干扰严重，k u 频段雨雾天气衰减大， 雨衰严重。恶劣天气无法正常工作。 空间段：4 颗主用卫星，7 颗备用卫星； 卫星地面站：全球三十多个 空间段：单星运行； 可靠性用户终端：各厂家终端不能互换。故障 卫星地站； 率较高。 用户终端：近五十种，可互 换使用。 用户不需担心卫星及卫星空间段月租费高，如亚太一号卫星， 投资对比 地面站的建设，一次性投资3 6 m h z 带宽卫琨资源年租金约1 8 0 万 武汉理工大学硕士学位论文 少，用户终端约为3 5 0 0 美美元用户终端价格高，主站设备约一 元( i n m a r s a t - c ) 。无土建。 百万美元，小站价格在8 0 0 0 1 0 0 0 0 美 元不等。土建( 须在遥测站征地建房) 并 且安装、维护费用高。 按使用量收取通信费用，没 有月租金。安装及维护费用不管是否使用。按月租费收取 收费对比 少。每年通信费用约壹万五每年通信费用约五万元。 仟元。 用户购买终端并登记入网需要总体设计，设各选型、频率租用申 建设速度便可使用。请、建站许可证、站址勘测、基建、设 备安装调试等 用户终端体积小，主机如一主站天线直径一般为9 - 11 米，小站天 本字典，天线像警车上的警 线直径一般为2 4 - 4 5 米( c 频段) 和 灯。重量轻，主机l 。3 l ( g ，1 2 1 8 米( k u 频段1 。主机体积较大， 天线o 7 5 k g 。遥测站终端设对环境要求高，需要建机房及经常性维 设备比较 备可组成一体化封闭式结护。 构装入合金筒内，筒外屏 蔽，即可防雷，又便于运输、 安装和维护。 水文监测；地震监测；环境电话、传真、数据通信、可视图文、会 监测配电系统监测；输油、议电视等业务。一般用于解决各行业、 ，应用领域 输气管道监测；航标、浮标部门专用通信网的通信问题及传输数 监测据量犬的领域。 根据水雨情测报系统的实际需求，对上述技术进行比较选择。 。， 卫星通信系统具有覆盖范围大，通信距离远等特点，本水雨情测报系统主 要是在我国各库区、灌区及江河流域，虽然也可以采用卫星通信技术，但是在 陆地范围内移动通信网覆盖的区域，卫星通信系统的终端价格和通信费用高昂， 数据传输速度慢，与移动通信系统相比不具有竞争优势。 c d m a 网络的系统容量大( 理论上使用相同频率资源的情况下，c d m a 移动 网比g s m 要大4 5 倍) 、频率规划灵活( 用户按不同的地区码区分，所以不相同 的c d m a 载波可在相邻的小区内使用，因此c d m a 网络的频率规划灵活，扩 展简单) 、频带利用率高【1 3 】，在原理上比g s m 和g p r s 技术都先进，但是由于 其系统处于建设之中，覆盖范围不如g p r s 广，主要覆盖了一些主要城市，就 目前情况看可以用在一些写字楼、机场等热点地区作为无线网络的接入方式。 随着c d m a 系统的进一步建设，覆盖范围的提高，c d m a 技术的应用肯定会有 更好的前景。 武汉理工大学硕士学位论文 g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用，资源利用率高，特别适用于间断的，突发性的和频繁 的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。网络覆盖范围广，信号 可以有效地覆盖大部分我国各库区、灌区及江河流域，方便地实现与h l t e m e t 无 缝连接，是目前实际应用中最适合使用的技术。 短消息具有收费低廉( 每发送一条o 1 元，接收免费。而且s i m 卡选择不同 的套餐还可以更加优惠) 、随时随地( 用户可以随时随地发送短消息，如果对方没 开机或不在服务区，短消息会存储在短消息中心，一旦对方开机就会收到，不 像打电话必须要求对方同时接听) 的特点。虽然每条容量有限，而且具有一定的 延时，但是它可以用于在无g p r s 网络或者网络覆盖状况不理想情况下的联络， 并且可以方便实现将监测系统的一些故障报警信息及时的发送到水文工作人员 的手机上。 因此，短消息和g p r s 技术均可以被本水雨情自动测报系统所采用。 2 3 主控制器实现方案 主控制器也就是常说的微处理器( 以下称作微处理器) ，是水雨情自动测报系 统的核心，它的选择将对测报系统能实现的功能产生决定性的影响。在选择微 处理器时，一般应从字长、指令的种类和数量、内部寄存器的种类数量、微处 理器的速度、中断处理能力以及微处理器的外围电路配套等几个方面来考虑。 目前主要有如下几种类型的微处理器： ( 1 ) 5 1 系列单片机 m c s 5 1 单片机是美国i n t e l 公司于1 9 8 0 年推出的8 位单片机，m c s 5 l 系列单片机采用冯一诺依曼型的总线结构，指令和数据在同一个存储空间，在 取指令和执行时采用单流水线结构，即取一条指令，执行完后在取另一条指令。 5 l 系列单片机集成了几乎完善的8 位中央处理单元，处理功能强，中央处理单 元中集成了方便灵活的专用寄存器，硬件的加、减、乘、除法器和布尔处理机 及各种逻辑运算和转移指令，给应用提供了极大的便利。因此在其推出后，许 多公司都推出了与5 l 系列兼容的单片机，就是说m c s 5 1 内核实际上已经成为 一个8 位单片机的标准，目前以5 1 为内核的单片机是在我国使用最为广泛的单 片机。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) p i c 系列单片机 p i c 系列单片机是美国m i e r o c h i p 公司推出的8 位单片机。p i c 系列单片机 引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构，这种结构与一般采用 c i s c ( 复杂指令集计算机) 的单片机在结构上是有不同的。具有c i s c 结构的单片 机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一种总线，这种总线既要传送指 令又要传送数据。因此，它不可能同时对程序存储器和数据存储器进行访问。 双总线结构，即所谓哈佛结构，这种结构有两种总线，即程序总线和数据总线。 这两种总线可以采用不同的字长，p i c 系列单片机的数据总线是八位，其指令总 线分别有1 2 位、1 4 位和1 6 位等几种不同的档次，取指令时经指令总线，取数 据时经数据总线，互不冲突。大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序 进行的，p i c 单片机采用两级指令流水结构，取指令和执行指令在时间上是相互 重叠的，所以p i c 系列单片机可能实现单周期指令。因此，p i c 系列单片机具有 功能强、可靠性高、功耗低、动作速度快的优点。但由于p i c 系列单片机是8 位机，其应用范围也受到了一定的限制。 ( 3 ) m s p 4 3 0 单片机 m s p 4 3 0 系列单片机是由美国1 1 公司推出的1 6 位单片机，采用精简指令集， 具有7 种源操作数寻址和4 种目的操作数寻址的方式，在指令方面具有2 7 条内 核指令以及一些模拟指令。m s p 4 3 0 系列单片机自1 9 9 6 年问世，在1 9 9 6 年至 2 0 0 0 年间推出有3 3 x 、3 2 x 、3 1 x 、l l x 、l l x l 等几个系列，这些单片机具有低 功耗的优点，但对于片内串行通信接口、硬件乘法器等只有3 3 x 系列才具备， 片内高精度a d 转换器又只有3 2 x 系列才有，3 3 x 和3 2 x 系列的价格都较高 在2 0 0 1 年后1 r i 公司又推出了f 4 1 x 、f 4 3 x 、f 4 4 x 、f 1 5 x 、f 1 6 x 等系列的单片 机，这些单片机具有液晶驱动器，且在系统设计、开发调试及实际应用上都表 现出一些较明显的优点。 ( 4 ) d s p 处理器 d s p 是数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的简称，d s p 主要针对代表 信号的数字量进行数学运算，得到处理结果。比如，医药、医疗、电信、雷达、 声纳、助听器、声音、图像、工业控制等都有不一样的数学表达式，因此数字 信号处理器的种类很多。数字信号处理器处理的信号大部分是无头无尾的连续 量，而且是实时的( o n l i n e ) ，故其取样、运算过程应尽可能短，以不影响信号 的连续性。所以d s p 处理速度很高。1 9 8 0 年