基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现

华北电力大学（保定）硕士学位论文基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现姓名：曹磊申请学位级别：硕士专业：计算机科学与技术；计算机应用技术指导教师：黄志强2011-03华北电力大学硕士学位论文I摘要为了科学合理开发、利用、保护、管理水资防治水害，落实《中华人民共和国水法》，本文在综合分析国内外远程监控技术现状的基础上，结合水资源保护的专业知识与经验，充分研究无线通信技术、计算机测控技术、自动化技术和地理信息技术，设计实现了基于无线网络的水资源远程监控系统。该系统由监控中心微机、Zigbee-GPRS-Internet网络和远程监控终端三部分组成。监控中心微机位于水资源管理部门，监控终端位于水资源提取设备的现场。系统通过GPRS-Internet网络实现监控中心微机至Zigbee网络的网络节点之间的远程通信，通过Zigbee网络实现网络节点至测控终端之间密集的近距离通信，在TCP/IP协议基础上自行设计实现了具有Polling规约和CDT规约特点的通信规约。该系统开发基于Windows2000Server，以Delphi7.0为开发平台，采用SQLServer2000关系数据库和MapInfo8.0GIS软件，设计了系统数据库，运用跨平台集成地图开发技术，OLE自动化技术、多线程技术以及动态链接库等技术，实现用户与MapInfo后台服务器程序的实时交互。该系统实现的功能主要包括：远程监测、远程控制和丰富的信息管理功能。该系统能够控制水资源的提取、合理调度开发水资源、方便收缴水资源费，通过对用户取水信息进行分析处理，提高了水资源管理水平。测试结果表明数据传输速度高、稳定可靠，达到了预期设计要求，是落实水法的有力工具，具有应用价值。关键词：水资源；远程监控；GPRS；Zigbee华北电力大学硕士学位论文IIAbstractInordertorationallydevelop,utilize,protectandmanagewaterresource,controlwaterdisastersandachievetheimplementationofwaterlawofthepeople'srepublicofchina,thisthesisrealizestheWaterRemoteMonitoringSystemofwirelessnetwork,basedonanalysisofcomputermonitoringtechnologyathomeandabroad,integratedexpertiseandexperienceofwaterresourceconservationbyusingtechnologyofcommunications,computermeasuringandcontrolling,automationandGIS.Thesystemadoptsthehierarchicaldistributedstructure.Thefirstlayeristhemonitoringcentercomputer.ThesecondlayeristheZigbee-GPRS-Internetcommunicationnetwork.Thethirdlayeristhetrackingcontrolterminal.Computercontrolcenterislocatedinwaterresourcesoffice,andterminalunitinthesceneofwaterresources.ThroughtheGPRS-Internet,SystemachievethetelecommunicationwithnetworknodeofZigbee.InZigbeenetwork,trackingcontrolterminalachievethelow-distancecommunicationswithanotherwiththeprotocolbasedonTCP/IPinZigbee.ThisprotocolisdesignedbyourselvesfromtheCDTandPollingcommunicationsprotocol.ThesystemisdevelopedbyDelphi7,SQLserver2000relationaldatabaseandmapinfo8software.Databaseisdesigned.Systemuseintegratedmapdevelopmentacrosstheplatform,OLEautomatictechnology,multiplethreadstechnologyanddynamiclinkalibrarytoachievethereal-timeinteractionbetweenuserandthemapinfoapplicationserver.Thesystemrealizesdatatransmission,datacollection,analysisofdataprocessing，remotemonitoringandadequateinformationmanagement.Thesystemcancontroltheextractionofwaterresources,reasonablelyschedulethewaterresourceandwaterresourcesfeecollection.Throughtheanalysisofuserwaterinformationprocessing,systemimprovethewaterresourcesmanagement.Testresultsindicatethatdatatransmissionspeedishighandreliable.itachievedtheanticipateddesignrequirementwithgoodvalueofapplicationandpopularization,isapowerfultoolofimplementofwaterlaw.Keywords:waterresources；remotemonitoring；GPRS；Zigbee华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现》，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文使用授权书《基于无线网络的水资源远程监控系统设计与实现》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√”）：保密□，在年解密后适用本授权书不保密□作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日华北电力大学硕士学位论文1第1章引言1.1课题背景及意义水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。世界许多地方对水的需求已经超过水资源所能负荷的程度，同时还面临水资源利用不平衡的情况。缺水状况在我国普遍存在。我国人均占有地表水资源量约2700立方米，仅为世界人均值的四分之一[1]。随着人口增长，工农业不断发展，水资源供需矛盾日益加剧，由此产生了许多不利的影响。第一，对工农业生产影响很大，全国每年有3亿亩农田受旱。西北农牧区尚有4000万人口和3000万头牲畜面临缺水问题。第二，对市民的日常生活工作带来了相当大的困扰，有些城市生活用水不够，尤其是北方缺水城市不得不采取限制手段。由于我国水资源管理存在严重问题，2002年，我国颁布了新版《中华人民共和国水法》[2]。目前，我国水资源管理的自动化程度低，主要还以人工操作为主，无法很好地满足水资源保护利用的需要，主要体现在监控手段落后、无法及时进行水资源信息采集决策，使传统的人工决策调度更具不确定性。近年来，无线通信技术发展迅速，在监控领域中得到了成功的应用。将无线网络技术应用到水资源管理中成为一种发展趋势[3]。在城镇水资源的日常管理工作中，水资源监控系统的站点多、地域分布广且分散，决策人员需要面对各种数据，包括用户取水证号、取水额定指标、缴费情况、自备水井设备情况、水量、水压、气象和地形地貌等。借用传统方法，无法方便地分析这些实时数据，很难及时找出合理的解决方案，而利用无线通信技术可以及时准确将数据传到监控中心，由监控中心进行分析给出决策方案，方便水资源高效管理。为了更好地顺应新水法的要求，推进水资源管理信息化的进程，必须将计算机、无线通信等技术应用到水资源管理工作中。基于上述问题，本课题为了科学合理开发、利用、保护、管理水资源，防治水害落实水法，设计了基于无线网络的水资源远程监控系统。这种新型远程监控系统集计算机技术、自动控制技术和无线通信技术为一体，与传统的人力管理的方式相比，该系统具有高环境适应性、高实时性和高可靠性等优点，能节约大量的人力和物力，有较高的社会推广价值，顺应了我国新水法对水资源供需协调、综合平衡、保护生态、厉行节约、合理开源的原则要求，对提升我国水资源管理水平具有现实意义。华北电力大学硕士学位论文21.2国内外研究动态1.2.1远程监控系统的研究动态计算机监控系统的含义比较广泛，一般指具有数据采集、监视、控制功能的计算机系统，这类产品中，比较典型的、具有代表性的是远程监控系统[4,5]。这种远程监控系统可以分为以下几大类。（1）应用专线的远程监控系统这种监控系统一般采用自行架设专线（如电缆）来作为数据传输的通道[6]。优点是通信数据量大且通信频繁，实时性、可靠性和保密性高；缺点是测控距离较短。系统主站使用串口及调制解调器与子站连接。终端（或监控中心）发送的数据通过串行口送给本地调制解调器进行调制之后，通过专线传输给远方调制解调器，远方调制解调器将收到的信号解调为数字信号，通过串行口送给监控中心（或终端）。这种远程监控系统在石油、电力、铁路等领域的应用十分广泛[7]。（2）应用电话网的远程监控系统这种监控系统使用电话网实现通信，进行远程监控。优点是系统硬件成本较低、建网周期短，信息传输快。缺点是通信数据量较小、实时性和保密性不高。这种监控系统中的上位机只在屏幕上显示数据库中保存的最新数据。每个下位机一般设定为定时采集数据信息，将数据保存在自己的数据库中；如果主站要查询某个子站的数据或执行动作时，上位机通过查询自己数据库，确定应下位机的电话号码，通过拨号方式建立上位机和下位机之间的连接。这种监控系统实时性要求不高，一般用在预防事故的环境[8]。（3）应用光纤的远程监控系统这种监控系统一般使用光缆作为媒介实现通信。优点是高稳定性、传输容量大、抗干扰能力强。缺点是造价比较昂贵，维护成本高。这种监控系统中，最重要的设备是光纤收发器和串口。光纤收发器用于进行光电之间的转换。由于这种监控系统对稳定性和可靠性要求很严，在串口和光纤收发器选择中也必须严格把关。在广播电视站、通信站中，对发射机的远程监控广泛应用这种监控系统。（4）基于Internet的远程监控系统这种监控系统以计算机为中心、以网络为核心。优点是人们可以从任何地点获取测量的数据信息；缺点是数据传输的可靠性、准确性和实时性较低，网络安全也是一个问题。基于Internet的监控系统适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛[10]。1997年1月，首届基于Internet