無線數(shù)據(jù)通信的分布式實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：介紹基于無線數(shù)據(jù)通信的分布式實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)本地遠(yuǎn)程查詢、水文趨勢(shì)預(yù)測(cè)和分析等功能。同時(shí)詳盡闡述了無線擴(kuò)頻技術(shù)以及無線數(shù)據(jù)通信的抗干擾措施等。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)通信 擴(kuò)頻 抗干擾 硬件/軟件設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江流域發(fā)生洪災(zāi)的頻率逐年增加，防洪成了治理長(zhǎng)江的首要任務(wù)。怎樣才能更好地掌握河流的水文特征、預(yù)測(cè)訊期的來臨，做好防洪準(zhǔn)備，水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就成了防水治水的重要環(huán)節(jié)。為了避免人工監(jiān)測(cè)中存在的弊端，開發(fā)了一套無線數(shù)據(jù)通信的分布式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水文實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)本地和遠(yuǎn)程查詢、水文趨勢(shì)預(yù)測(cè)和分析等功能。

1 分布式水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施方案

整個(gè)系統(tǒng)由遙測(cè)站、監(jiān)測(cè)主站、Intranet/Internet三個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)組成圖如圖1所示。其中遙測(cè)站總共有13個(gè)，結(jié)構(gòu)與1#遙測(cè)站相同。

1.1 數(shù)傳MODEM的擴(kuò)頻技術(shù)[1、2]

WY9678E型無線數(shù)傳MODEM是一種新型折直接序列擴(kuò)頻無線調(diào)制解調(diào)器，其工作原理為：在發(fā)送端直接用具有高碼率的擴(kuò)頻編碼去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻編碼進(jìn)行解擴(kuò)使之還原成原始信號(hào)。具體講：發(fā)送端的信號(hào)D在模2加法器調(diào)制后經(jīng)偽隨機(jī)碼發(fā)生器產(chǎn)生擴(kuò)頻信號(hào)，再經(jīng)載波調(diào)制器用QPSK方式調(diào)制載波信號(hào)，調(diào)制后獲得的帶寬擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)寬帶放大器放大后發(fā)射出去；而在接收端，接收的信號(hào)放大后經(jīng)射頻寬帶濾波器處理，提高信噪比并提取所需信號(hào)以對(duì)齊相位，同步電路拾取發(fā)送來的擴(kuò)頻碼的準(zhǔn)確相位，并以此作為同步信號(hào)，使其PN碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻信號(hào)和發(fā)送來擴(kuò)頻碼的相位差盡可能小，以此獲得信息數(shù)據(jù)D。

系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信技術(shù)給設(shè)計(jì)帶來設(shè)計(jì)好處：①提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，有較高的信噪比；②由于擴(kuò)頻信號(hào)被淹沒在白噪聲之中，不易被發(fā)現(xiàn)，因而信號(hào)隱蔽性強(qiáng)，且干擾?。虎垡子趯?shí)現(xiàn)碼分多址；④提高了通信的抗多徑干擾性能。WY9678E工作在全球通用的、無需申請(qǐng)?jiān)S可的2.4GHz的ISM波段上，它內(nèi)置16位80188CPU、信號(hào)調(diào)制解調(diào)器及RS422A/485標(biāo)準(zhǔn)通信接口。采用PLL合成技術(shù)使其具有高頻穩(wěn)定性，采用時(shí)分制脈沖編碼調(diào)制PCM方式使其具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力等，PC104總線方式的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有較好的通信兼容性，二者配合使用，使通信性能得到了較大的改善。WY9678E與工控機(jī)（PC014以及監(jiān)測(cè)工控機(jī)）的通信規(guī)約如下：

·通信接口：標(biāo)準(zhǔn)異步RS-422A五線制全雙工方式；

·通信字格式：1位停止位、7位數(shù)據(jù)位、偶校驗(yàn)；

·波特率：9600bps。

1.2 天線

電臺(tái)天線的架設(shè)高度及其增益直接影響著通信的質(zhì)量和距離。為了排除長(zhǎng)江流域高山的影響，特制了一種防雷擊和抗電波、多徑干擾的全向天線，架設(shè)在岸基，并且與地面的相對(duì)高度保持在20～50m之間，增益在6dB～11dB之間，有效改善了系統(tǒng)的通信性能。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 強(qiáng)干擾下的遠(yuǎn)距離天線電通信技術(shù)

由于長(zhǎng)江岸邊裝備有導(dǎo)航雷達(dá)、電視發(fā)射等強(qiáng)電磁場(chǎng)發(fā)射裝置，無線電通信信道極易被干擾。而無線數(shù)據(jù)通信是水文監(jiān)測(cè)信息傳唯一通道，因此強(qiáng)電磁干擾下的無線通信是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

解決這一關(guān)鍵技術(shù)的途徑是采用兩套頻點(diǎn)不同的數(shù)傳電臺(tái)作為冗余設(shè)計(jì)，并在頻點(diǎn)的選擇上避開主要的干擾頻帶，同時(shí)采用先進(jìn)高效的編碼技術(shù)和糾錯(cuò)技術(shù)以保護(hù)傳輸指令和數(shù)據(jù)的正確性。

2.2 多徑干擾解決技術(shù)

長(zhǎng)江流域的特殊寺理環(huán)境極易造成無線數(shù)據(jù)通信的多徑干擾。在本系統(tǒng)中，利用擴(kuò)頻碼之間的相關(guān)特性，在接收端把從徑信號(hào)來的同一碼序列相加使有用信號(hào)加強(qiáng)，然后取出其中最強(qiáng)的信號(hào)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)服務(wù)上采用Windows NT為服務(wù)器操作系統(tǒng)，以SQL Server為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、Power Builder作為開發(fā)工具，開發(fā)基于Client/Server程序。監(jiān)測(cè)工控機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)以Windows 9X為運(yùn)行環(huán)境，應(yīng)用軟件采用Windows視窗技術(shù)，且為全新的文瀏覽器界面，操作界面圖形化，使操作更為直觀、方便、靈活，視窗界面更為友好。

3.1 監(jiān)測(cè)部分

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要完成如下任務(wù)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水文信息與水情、設(shè)備故障報(bào)警，測(cè)量參數(shù)的實(shí)時(shí)集中顯示與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)管理、分析、統(tǒng)計(jì)與查詢，報(bào)表的定時(shí)和隨機(jī)打印等。軟件的功能如圖2所示。監(jiān)測(cè)部分的軟件設(shè)計(jì)采用Visual Basic和Visual C++混合編程的方法。主站與遙測(cè)站間的通信程序采用Microsoft的MSCOMM ActiverX控件，并通過ODBC驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫，連續(xù)Office97/2000中的Access數(shù)據(jù)庫。整個(gè)應(yīng)用程序采用模塊化方式編程，其中包括主控模塊、初始化與自檢模塊、通信控制模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測(cè)報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報(bào)表定時(shí)、隨機(jī)打印等。

3.2 通信過程解決方法

在整個(gè)程序編寫過程中，實(shí)時(shí)通信、監(jiān)測(cè)模塊最為重要。通信程序一旦出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)。因此，在通信程序中，采用了差錯(cuò)控制及容錯(cuò)技術(shù)，通信控制過程為：

（1）發(fā)命令并接收返回?cái)?shù)據(jù)。首先將命令和數(shù)據(jù)分別構(gòu)成字符串Mark$和Space$，根據(jù)通信規(guī)則設(shè)定接收返回?cái)?shù)據(jù)所需的時(shí)間。啟動(dòng)RTS信號(hào)，用查詢方式將對(duì)應(yīng)的P=Mark和P=Space的Mark$和pace$以單字節(jié)間隔方式分別發(fā)送出去后，撤消RTS信號(hào)。當(dāng)接收返回?cái)?shù)據(jù)的第一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)引發(fā)OnComm事件，按設(shè)定時(shí)間間隔啟動(dòng)定時(shí)器。當(dāng)定時(shí)器事件產(chǎn)生時(shí)，在定時(shí)器事件過程中讀回已接收的全部返回字節(jié)，再設(shè)定下位機(jī)直接上報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔并關(guān)閉定時(shí)器。

(2)下位機(jī)直接上報(bào)數(shù)據(jù)。由于預(yù)設(shè)了下位機(jī)直接上報(bào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔，當(dāng)上報(bào)數(shù)據(jù)的第一個(gè)數(shù)據(jù)到來時(shí)，對(duì)應(yīng)的情況和接收返回?cái)?shù)據(jù)一樣。

（3）干擾處理。當(dāng)單純的干擾數(shù)據(jù)到來時(shí)和下位機(jī)直接上報(bào)數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔是相似的，也啟動(dòng)定時(shí)器事件。定時(shí)器事件產(chǎn)生后讀入數(shù)據(jù)，經(jīng)控制程序分析可拋棄干擾數(shù)據(jù)。當(dāng)干擾數(shù)據(jù)伴隨正常數(shù)據(jù)一同到來時(shí)，可適當(dāng)加長(zhǎng)產(chǎn)生定時(shí)器事件的時(shí)間間隔，保證讀入所有數(shù)據(jù)并分析。

通信控制采用上述方法有效地解決了總線爭(zhēng)用、接收/發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)出現(xiàn)的少收誤收、數(shù)據(jù)傳輸誤碼等問題，大大提高了網(wǎng)絡(luò)通信控制的有效性和實(shí)時(shí)性，并可提高設(shè)備的利用率。

無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)為長(zhǎng)江流域的水情預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了一種較為先進(jìn)的分析手段。本系統(tǒng)利用在無線通信領(lǐng)域較先進(jìn)的擴(kuò)頻技術(shù)以及較為得力的抗干擾措施保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性，有一定地推廣價(jià)值，適合水庫、長(zhǎng)江支流等水情的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)等。