郭　江，秦繼偉

（天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900）

地下水供水水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用研究綜述

郭江，秦繼偉

（天津水利電力機(jī)電研究所，天津 301900）

摘要：采用自動(dòng)化控制、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等高新科技手段，對(duì)地下水供水水源井進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸，實(shí)現(xiàn)水資源綜合調(diào)度管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由主控層、網(wǎng)絡(luò)層及現(xiàn)地控制層組成，應(yīng)用基于高速長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)、SCADA數(shù)字電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)和GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)地智能終端等設(shè)備，具有信息傳輸量大、抗電磁干擾、傳輸頻帶寬、抗輻射性強(qiáng)等特點(diǎn)，具備控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視與事故報(bào)警、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)采集處理及圖像監(jiān)視等功能。

關(guān)鍵詞：水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控高速長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)；SCADA數(shù)字電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)；GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

1　引言

水資源短缺和水污染問(wèn)題以及因超采水資源引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益顯著，如何合理有效配置水資源、強(qiáng)化水資源安全管理及抓好節(jié)水工作成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)刻不容緩的重大命題。水源井是重要的供水基礎(chǔ)設(shè)施，水源井地下水監(jiān)測(cè)信息、地下水綜合調(diào)配及合理利用對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市供水及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等都具有重要作用。通過(guò)水利信息化建設(shè)，加強(qiáng)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控能力，實(shí)現(xiàn)水源井地下水水量、水位、水質(zhì)及井泵參數(shù)、周?chē)锢憝h(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，為地下水規(guī)劃管理、水資源優(yōu)化配置調(diào)度、工情管理工作奠定基礎(chǔ)。

水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)集現(xiàn)代通信技術(shù)、數(shù)據(jù)信號(hào)采集技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)，對(duì)遠(yuǎn)端進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)測(cè)和控制[1]。將視頻光端機(jī)、SCADA電臺(tái)、可編程智能終端等設(shè)備無(wú)縫集成，對(duì)水源井泵組、微機(jī)保護(hù)裝置、高低壓配電系統(tǒng)、直流系統(tǒng)以及泵站等重要部位與關(guān)鍵對(duì)象實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控，對(duì)地下水水量、水位、水質(zhì)等必要的數(shù)據(jù)、圖像、指令進(jìn)行上傳、接收與處理，對(duì)視頻光端機(jī)、SCADA電臺(tái)、可編程智能終端設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程修改，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，達(dá)到遠(yuǎn)程維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值班（或少人值守）的目的。

2　發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

2.1發(fā)展現(xiàn)狀

1997年1月，首屆基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷工作會(huì)議由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院聯(lián)合主辦，有來(lái)自30個(gè)公司和研究機(jī)構(gòu)的50多位代表到會(huì)。會(huì)議主要討論了有關(guān)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)放式體系、診斷信息規(guī)程、傳輸協(xié)議及對(duì)用戶(hù)的合法限制等，并對(duì)未來(lái)技術(shù)發(fā)展作了展望。由斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院合作開(kāi)發(fā)基于Internet的下一代遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷示范系統(tǒng)，得到了制造業(yè)、計(jì)算機(jī)業(yè)和儀器儀表業(yè)的Sun、HP、Boeing、Intel、Ford等12家大公司的熱情支持和通力配合。之后，由這些公司共同推出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的系統(tǒng)Testbed。Testbed用嵌入式Web組網(wǎng)、用實(shí)時(shí)JAVA和Bayesian Net初步形成在Internet范圍內(nèi)的信息監(jiān)控和診斷推理。另外，還有許多國(guó)際組織，如MIMOSA、SMFPT、COMADEM等，也紛紛通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控與故障診斷咨詢(xún)和技術(shù)推廣工作，并制定了一些信息交換格式和標(biāo)準(zhǔn)。許多大公司也在產(chǎn)品中加入了Internet功能，如Bently的計(jì)算機(jī)在線(xiàn)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DataManager2000，它可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（NetDDE）的方式向遠(yuǎn)程終端發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。著名的National Instru-ments公司也在產(chǎn)品Lab Windows／CVI以及 Lab VIEW中加入了網(wǎng)絡(luò)通訊處理模塊，因而可以通過(guò)WWW、FTP、Email方式在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳送。法國(guó)“ALARM”研究組對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的智能報(bào)警和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，并在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用。

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，在我國(guó)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，將嵌入式設(shè)備接入Internet已經(jīng)成為一種必然，而通過(guò)Web方式對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，則是最自然和最切實(shí)可行的選擇，基于嵌入式Web技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的最新發(fā)展趨勢(shì)，嵌入式Web技術(shù)改變了以往監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足了現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、分布式等要求[4]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的設(shè)備制造商在其產(chǎn)品中加入了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，以提高其產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，并且可以使設(shè)備使用者更好地了解設(shè)備運(yùn)行狀況，統(tǒng)一監(jiān)督管理，從而提高生產(chǎn)效率。

2.2發(fā)展趨勢(shì)

目前運(yùn)行的多數(shù)分布式測(cè)控系統(tǒng)通常以局域網(wǎng)為基礎(chǔ),測(cè)控僅局限于同一地點(diǎn)，所以具有一定的地域局限性，尤其是當(dāng)被監(jiān)控部分所處環(huán)境惡劣、現(xiàn)場(chǎng)噪音干擾大、工作人員不宜停留的工作場(chǎng)所，運(yùn)行維護(hù)工作就顯得尤為困難。因此，無(wú)論是在水源井的管理還是其他工業(yè)生產(chǎn)中，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的重要性正在逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和重視。

在水源井的管理中，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水源井現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和快速獲得，為遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，運(yùn)管和技術(shù)人員無(wú)須親臨現(xiàn)場(chǎng)就可以監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種參數(shù)，維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行，從而減少值守工作人員，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的無(wú)人值班（或少人值守）[5]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)除了在地下水水源管理中廣泛應(yīng)用外，跨地域發(fā)展的企業(yè)集團(tuán)，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增強(qiáng)企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力等都具有十分重要的意義。

3　基于高速長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)的水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

光纖通信是現(xiàn)代通信技術(shù)中最為重要的技術(shù)之一，信息高速公路就是由光導(dǎo)纖維鋪設(shè)而成的。其突出優(yōu)勢(shì)是：①通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)；②信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好；③抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳；④光纖尺寸小、重量輕,便于敷設(shè)和運(yùn)輸；⑤無(wú)化學(xué)腐蝕，使用壽命長(zhǎng)；⑥無(wú)輻射，難于竊聽(tīng)。

3.1光纖通信原理

光纖通信是利用光波在光導(dǎo)纖維中傳輸信息。光纖通信中的光波主要是激光，激光具有高方向性、高相干性、高單色性等優(yōu)點(diǎn)，所以又叫激光-光纖通信。光纖通信是在發(fā)送端把要傳送的信息(如數(shù)據(jù)、話(huà)音)變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過(guò)光纖發(fā)送出去；在接收端檢測(cè)器收到光信號(hào)后再把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)由光發(fā)射機(jī)、光纖與光接收機(jī)組成。發(fā)送端的電發(fā)射機(jī)把信息進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，用轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)去調(diào)制光發(fā)射機(jī)中的光源器件（LED），LED就會(huì)發(fā)出攜帶信息的光波。光波經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)接收端。在接收端的光接收機(jī)把數(shù)字信號(hào)從光波中檢測(cè)出來(lái)送給電接收機(jī)，而電接收機(jī)再進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，恢復(fù)成原來(lái)的信息。其通信過(guò)程如圖1所示：

3.2應(yīng)用研究

圖1　通信過(guò)程

（1）通信差錯(cuò)控制技術(shù)

為降低誤碼率，引入前向糾錯(cuò)（FEC）編碼技術(shù)。

（2）通信可靠性控制技術(shù)

引入校驗(yàn)數(shù)據(jù)包機(jī)制，通過(guò)在系統(tǒng)設(shè)備可編程智能終端同監(jiān)控中心服務(wù)器之間定時(shí)發(fā)送校驗(yàn)數(shù)據(jù)包，使校驗(yàn)數(shù)據(jù)包往返于監(jiān)控中心服務(wù)器和可編程終端之間，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備間的通信是否保持暢通。

（3）波分復(fù)用技術(shù)（WDM）

所謂波分復(fù)用，就是用一根光纖同時(shí)傳輸幾種不同波長(zhǎng)的光波以達(dá)到擴(kuò)大通信容量的目的。在系統(tǒng)的發(fā)送端，由各個(gè)分系統(tǒng)分別發(fā)出不同波長(zhǎng)的光波如λ1、λ2、λ3、λ4，并由合波器合成一束光波進(jìn)入光纖進(jìn)行傳輸來(lái)擴(kuò)大通信容量。

（4）相干光通信技術(shù)

①可以增大光纖的傳輸容量，②提高光接收機(jī)的靈敏度（可提高10～20 dB）。相干光通信技術(shù)的關(guān)鍵是光源器件、光波的匹配，此外，本振光和從光纖傳輸來(lái)的光載波必須具有良好的匹配，這就要求光纖應(yīng)該是偏振保持光纖。

（5）智能終端同光端機(jī)通信設(shè)計(jì)

智能終端和監(jiān)控中心服務(wù)器之間的通信完全由光端機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)智能終端網(wǎng)絡(luò)控制芯片同光端機(jī)間的通信設(shè)計(jì)，來(lái)完成監(jiān)控中心的各種功能。

3.3應(yīng)用實(shí)例

2011年7月，二連浩特市第二水源地供水工程成功應(yīng)用了基于高速長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)的水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水源地水源井及泵站等重要部位與關(guān)鍵對(duì)象、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了有效監(jiān)控和監(jiān)測(cè)，并做到必要的數(shù)據(jù)、視頻圖像、指令的上傳和接收與處理等。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行證明，該監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)新穎、工作可靠且管理方式靈活高效，同時(shí)，對(duì)于其他需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的行業(yè)，該系統(tǒng)也具有一定的借鑒參考價(jià)值。

4　基于SCADA數(shù)字電臺(tái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的水庫(kù)泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

無(wú)線(xiàn)通訊作為一種重要的通訊手段，已越來(lái)越多地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)電臺(tái)具有維護(hù)方便、繞射能力強(qiáng)，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠(yuǎn)等特點(diǎn)，適合點(diǎn)多而分散，地理環(huán)境復(fù)雜等場(chǎng)合，在很多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。SCADA數(shù)字電臺(tái)運(yùn)行在25kHz信道，25kHz信道間隔空中數(shù)據(jù)傳輸速率為19 200 b/s，收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間在10ms內(nèi)，可完全滿(mǎn)足用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳輸和響應(yīng)速度的要求，并且在山區(qū)、戈壁等無(wú)線(xiàn)信號(hào)不能覆蓋的地區(qū)，可采用SCADA數(shù)字電臺(tái)進(jìn)行通訊，采用數(shù)字電臺(tái)通過(guò)電磁波進(jìn)行通訊，也不用支付費(fèi)用，運(yùn)行成本低。

SCADA數(shù)字電臺(tái)傳輸距離在50 km以上（開(kāi)闊無(wú)阻擋），可在全雙工、半雙工、單工方式下工作，收發(fā)同頻或異頻。電臺(tái)自帶系統(tǒng)網(wǎng)管軟件，能實(shí)現(xiàn)空中遠(yuǎn)程設(shè)置電臺(tái)參數(shù)，如發(fā)射功率、發(fā)射頻率等，也可以實(shí)現(xiàn)空中遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)其他電臺(tái)工作狀態(tài)，如工作電壓、工作電流、接受信號(hào)強(qiáng)度、信噪比、誤碼率、狀態(tài)告警等。

4.1 SCADA數(shù)字電臺(tái)通訊原理

SCADA數(shù)字電臺(tái)作為系統(tǒng)通訊的核心設(shè)備，是將信號(hào)變成相應(yīng)頻段的電磁波信號(hào)進(jìn)行傳輸，電臺(tái)采用3個(gè)不同的通信頻率：0、1和2。其中，0專(zhuān)門(mén)用于信道訪(fǎng)問(wèn)；1用于群內(nèi)通信；而2用于群首之間的通信。在MAC層，采用改進(jìn)型CSMA/CD算法。發(fā)送數(shù)據(jù)的結(jié)點(diǎn)先向接收結(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)RTS，等待收端響應(yīng)。收端如果在這時(shí)沒(méi)有接收數(shù)據(jù)，也沒(méi)有收到其他結(jié)點(diǎn)的發(fā)送請(qǐng)求，就向請(qǐng)求結(jié)點(diǎn)發(fā)送CTS信號(hào)。發(fā)端收到CTS后就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，收方要回送ACK信號(hào)。整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程通常被稱(chēng)為RTS/CTS/DATA/ACK過(guò)程。

4.2應(yīng)用研究

（1）TCP/IP協(xié)議棧應(yīng)用

基于TCP/IP協(xié)議棧的高速數(shù)字電臺(tái)系統(tǒng)是一種新型的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備，是無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的生力軍，它不僅是一個(gè)無(wú)線(xiàn)信道傳輸設(shè)備，更是一個(gè)復(fù)雜的路由設(shè)備，具有強(qiáng)大的互聯(lián)功能。本系統(tǒng)將這種技術(shù)成功的應(yīng)用在了盤(pán)山紅旗水庫(kù)泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)通訊速度快、效率高、穩(wěn)定可靠。

（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選擇

高速數(shù)字電臺(tái)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用了IPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族實(shí)現(xiàn)整個(gè)電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。采用IPS協(xié)議族，系統(tǒng)能自動(dòng)建立起半自治的多個(gè)群首，形成小型的、按地理取向的組群或小區(qū)，組群之間的通信使用OSPF路由協(xié)議。組群的拓?fù)湫畔⒉幌蛲鈧鞑?，其他的群也不?huì)收到。通過(guò)采用這種機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的高速互聯(lián)，而且使系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸更為安全。

（3）網(wǎng)絡(luò)的抗干擾措施

為提高信道訪(fǎng)問(wèn)效率，減少通信中的干擾，電臺(tái)通訊系統(tǒng)采用3個(gè)不同的通信頻率：0、1和2。，0專(zhuān)門(mén)用于信道訪(fǎng)問(wèn)；1用于群內(nèi)通信；2用于群首之間的通信。由于各個(gè)通信頻率各負(fù)其責(zé)，不互相影響，因而采用這種機(jī)制來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

（4）OPC技術(shù)應(yīng)用

OPC技術(shù)是把硬件供應(yīng)商和軟件供應(yīng)商分離開(kāi)來(lái)，提供了從設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)源獲得數(shù)據(jù)和用一種標(biāo)準(zhǔn)的方法與任何客戶(hù)通信的機(jī)制。通過(guò)OPC機(jī)制可以使軟件開(kāi)發(fā)者從不得不考慮不同廠(chǎng)商的繁雜的硬件細(xì)節(jié)中解放出來(lái)，大大提高了工作效率。解決了不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的設(shè)備之間不能通信的問(wèn)題。

（5）短信報(bào)警模塊功能設(shè)計(jì)

作為現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程通訊技術(shù)的代表之一GSM已經(jīng)發(fā)展的十分成熟，隨著手機(jī)用戶(hù)的普及，GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍越來(lái)越廣，因此，基于GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控成為一種廉價(jià)、便捷的方式，受到人們的青睞，盤(pán)山紅旗水庫(kù)泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用宏電

GPRS短信報(bào)警模塊，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，將水庫(kù)越限報(bào)警信息傳輸至接收人員。

4.3應(yīng)用實(shí)例

2011年4月，遼寧盤(pán)山縣紅旗水庫(kù)監(jiān)控工程成功應(yīng)用了基于SCADA數(shù)字電臺(tái)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的水庫(kù)泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水庫(kù)的水位、降雨量、水溫、氣象等信息與關(guān)鍵對(duì)象、參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程有效監(jiān)控、監(jiān)測(cè)，并做到必要的數(shù)據(jù)、指令的上傳和接收與處理等。

系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)通訊狀況良好，運(yùn)行成本低且維護(hù)簡(jiǎn)單，達(dá)到了預(yù)期的水庫(kù)泵站遠(yuǎn)程調(diào)度、遠(yuǎn)程管理的目的。

5　基于光纖、GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

在當(dāng)前眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，光纖網(wǎng)絡(luò)基于其通信容量大、傳輸速度快、無(wú)干擾、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，已應(yīng)用越來(lái)越多，由于光纖網(wǎng)絡(luò)的敷設(shè)受成本限制，應(yīng)用光纖網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際上還是基于現(xiàn)場(chǎng)工作的，還不能將應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)及各種參數(shù)跨地域遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于跨地域傳輸數(shù)據(jù)的需求，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)成了未來(lái)通信技術(shù)的發(fā)展方向。

GPRS通用無(wú)線(xiàn)分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無(wú)線(xiàn)IP連接。GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的科技，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶(hù)手上。雖然GPRS是作為現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)向第三代移動(dòng)通信演變的過(guò)渡技術(shù)，但是它在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)[7]。

GPRS適用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的主要特點(diǎn)為：①永遠(yuǎn)在線(xiàn)，接入速度快。用戶(hù)可以隨時(shí)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)保持連接。②采用數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)方式，即用戶(hù)只需要在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)按照數(shù)據(jù)通信量進(jìn)行計(jì)費(fèi)，這樣可以大幅度降低用戶(hù)的使用費(fèi)用。③支持IP協(xié)議。GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，底層支持TCP/IP協(xié)議，使得GPRS能夠與Internet實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。

5.1 GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信原理

GPRS網(wǎng)絡(luò)是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念所發(fā)展出的一套基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸方式。所謂的包交換就是將數(shù)據(jù)封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)類(lèi)似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)是比較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄馡nternet這類(lèi)的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是閑置的。

5.2應(yīng)用研究

（1）確保網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性機(jī)制

當(dāng)GPRS在線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)卻不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)被降低而出現(xiàn)掉線(xiàn)情況。因此，引入心跳設(shè)置及掉線(xiàn)參考兩種機(jī)制來(lái)同時(shí)保證GPRS永久在線(xiàn)。通過(guò)心跳設(shè)置使設(shè)備運(yùn)行期間發(fā)送數(shù)據(jù)包，任何一方收到后即原樣返回，來(lái)保證GPRS優(yōu)先級(jí)；掉線(xiàn)參考機(jī)制使用ICMP協(xié)議中的PING操作來(lái)保證無(wú)線(xiàn)掉線(xiàn)情況。

（2）無(wú)線(xiàn)VPN虛擬專(zhuān)網(wǎng)

為保證局端和數(shù)據(jù)監(jiān)控中心之間信息傳輸?shù)陌踩?，系統(tǒng)采用了GPRSVPN技術(shù)。即監(jiān)控中心通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)和移動(dòng)公司GPRS網(wǎng)的GGSN連接，從而在局端和監(jiān)控中心之間構(gòu)成一條無(wú)線(xiàn)虛擬專(zhuān)網(wǎng)通道，以此來(lái)解決信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全性和數(shù)據(jù)私密性要求。

（3）網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

為減小GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的擁塞，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)壓縮和滑動(dòng)窗機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿砣刂?。采用該技術(shù)可減少30%～50%的傳輸數(shù)據(jù)量，有效抑制傳輸擁塞，滿(mǎn)足了GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸瞬時(shí)大數(shù)據(jù)量的要求

（4）使用PID調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)恒流量

水源井在供水過(guò)程中做到按需進(jìn)行用水量的供給，可以有效的實(shí)現(xiàn)供水綜合調(diào)配和節(jié)約用水。系統(tǒng)采用PID技術(shù)，通過(guò)將給定流量同反饋流量在程序內(nèi)進(jìn)行比較，由PLC驅(qū)動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行模擬量調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)出水閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)恒流量供水。

（5）視頻影像報(bào)警聯(lián)動(dòng)

監(jiān)控中心通過(guò)水源地視頻設(shè)備實(shí)時(shí)查看現(xiàn)地周?chē)h(huán)境情況并通過(guò)安保設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地機(jī)電設(shè)備的防盜、防損壞。系統(tǒng)采用視頻影像報(bào)警聯(lián)動(dòng)機(jī)制，即當(dāng)不明物入侵安全區(qū)域時(shí)，監(jiān)控中安保設(shè)備報(bào)警，同時(shí)，視頻設(shè)備云臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，拍攝被入侵現(xiàn)場(chǎng)情況并錄像。

5.3應(yīng)用實(shí)例

2012年9月，薊縣許家臺(tái)供水所成功應(yīng)用了基于光纖、GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的水源井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水源地水井周?chē)h(huán)境、水位及井泵取水量、管網(wǎng)壓力、井泵電機(jī)電量參數(shù)和圖像進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)地水源的pH值、溫度、溶解氧值、電導(dǎo)率及濁度等水質(zhì)參數(shù)，并將重要數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)控中心，為更好地進(jìn)行水資源管理提供決策。

本系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來(lái)，保證了水源井穩(wěn)定可靠的工作。并優(yōu)化了水資源配置，推進(jìn)了水資源的合理開(kāi)發(fā)，提高了水資源的利用效率和效益。因此，本系統(tǒng)具有廣泛的市場(chǎng)推廣應(yīng)用空間。

6　前景和展望

計(jì)算機(jī)領(lǐng)域經(jīng)歷了一場(chǎng)新的革命,它結(jié)合了現(xiàn)代控制技術(shù)、圖形技術(shù),其目標(biāo)是隨時(shí)隨地為人們提供無(wú)縫的、高質(zhì)量的、易用的、廉價(jià)的信息資源,使其能真正進(jìn)入人們的生活。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平也從初期的模擬信息傳輸與控制飛速發(fā)展到了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸與控制。

目前，遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的主流是應(yīng)用Internet技術(shù)，在TCP/IP協(xié)議和WWW規(guī)范的支持下，合理組織軟件結(jié)構(gòu)，使工作人員通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來(lái)迅速獲取自己權(quán)限下的所有信息并及時(shí)作出響應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用還滲透到了傳感器領(lǐng)域，將網(wǎng)絡(luò)接口芯片與智能傳感器集成起來(lái)，并將通訊協(xié)議固化到智能傳感器的ROM中，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)傳感器的產(chǎn)生，.網(wǎng)絡(luò)傳感器能夠和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，因而成為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)字傳感器[9]，目前國(guó)內(nèi)外有不少儀器公司已研制出了各種各樣的網(wǎng)絡(luò)傳感器。監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展始終與最新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),使用者不斷對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的簡(jiǎn)便性及實(shí)時(shí)性提出更高的要求。因此，必須要更好地、更及時(shí)地應(yīng)用最新技術(shù),這樣，才能使得遠(yuǎn)程監(jiān)控不斷地發(fā)展,不斷地滿(mǎn)足人們的需求。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0023-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.007

收稿日期：2015-03-16

作者簡(jiǎn)介：郭江（1965-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事水電站基礎(chǔ)自動(dòng)化的研究和技術(shù)推廣工作，承擔(dān)水利行業(yè)和電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程的編寫(xiě)工作。