无线数据通信的分布式实时水文监测系统

    摘要：介绍基于无线数据通信的分布式实时水文监测系统，该系统具有实时监测和报警、历史数据本地远程查询、水文趋势预测和分析等功能。同时详尽阐述了无线扩频技术以及无线数据通信的抗干扰措施等。

    关键词：无线数据通信 扩频 抗干扰 硬件/软件设计

长江流域发生洪灾的频率逐年增加，防洪成了治理长江的首要任务。怎样才能更好地掌握河流的水文特征、预测讯期的来临，做好防洪准备，水文实时监测就成了防水治水的重要环节。为了避免人工监测中存在的弊端，开发了一套无线数据通信的分布式远程实时水文实时监测系统。该系统具有实时监测和报警、历史数据本地和远程查询、水文趋势预测和分析等功能。

1 分布式水文监测系统设计、实施方案

整个系统由遥测站、监测主站、Intranet/Internet三个部分组成，其结构组成图如图1所示。其中遥测站总共有13个，结构与1#遥测站相同。

1.1 数传MODEM的扩频技术[1、2]

WY9678E型无线数传MODEM是一种新型折直接序列扩频无线调制解调器，其工作原理为：在发送端直接用具有高码率的扩频编码去扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频编码进行解扩使之还原成原始信号。具体讲：发送端的信号D在模2加法器调制后经伪随机码发生器产生扩频信号，再经载波调制器用QPSK方式调制载波信号，调制后获得的带宽扩频信号经宽带放大器放大后发射出去；而在接收端，接收的信号放大后经射频宽带滤波器处理，提高信噪比并提取所需信号以对齐相位，同步电路拾取发送来的扩频码的准确相位，并以此作为同步信号，使其PN码发生器产生的扩频信号和发送来扩频码的相位差尽可能小，以此获得信息数据D。

系统采用扩频通信技术给设计带来设计好处：①提高了系统的抗干扰性能，有较高的信噪比；②由于扩频信号被淹没在白噪声之中，不易被发现，因而信号隐蔽性强，且干扰小；③易于实现码分多址；④提高了通信的抗多径干扰性能。WY9678E工作在全球通用的、无需申请许可的2.4GHz的ISM波段上，它内置16位80188CPU、信号调制解调器及RS422A/485标准通信接口。采用PLL合成技术使其具有高频稳定性，采用时分制脉冲编码调制PCM方式使其具有较强的抗多径干扰能力等，PC104总线方式的工业控制计算机有较好的通信兼容性，二者配合使用，使通信性能得到了较大的改善。WY9678E与工控机（PC014以及监测工控机）的通信规约如下：

·通信接口：标准异步RS-422A五线制全双工方式；

·通信字格式：1位停止位、7位数据位、偶校验；

·波特率：9600bps。

1.2 天线

电台天线的架设高度及其增益直接影响着通信的质量和距离。为了排除长江流域高山的影响，特制了一种防雷击和抗电波、多径干扰的全向天线，架设在岸基，并且与地面的相对高度保持在20～50m之间，增益在6dB～11dB之间，有效改善了系统的通信性能。

2 关键技术研究

2.1 强干扰下的远距离天线电通信技术

由于长江岸边装备有导航雷达、电视发射等强电磁场发射装置，无线电通信信道极易被干扰。而无线数据通信是水文监测信息传唯一通道，因此强电磁干扰下的无线通信是本系统的关键技术之一。

解决这一关键技术的途径是采用两套频点不同的数传电台作为冗余设计，并在频点的选择上避开主要的干扰频带，同时采用先进高效的编码技术和纠错技术以保护传输指令和数据的正确性。

2.2 多径干扰解决技术

长江流域的特殊寺理环境极易造成无线数据通信的多径干扰。在本系统中，利用扩频码之间的相关特性，在接收端把从径信号来的同一码序列相加使有用信号加强，然后取出其中最强的信号，从而达到有效的抗多径干扰。

3 系统程序设计

在数据服务上采用Windows NT为服务器操作系统，以SQL Server为数据库管理系统、Power Builder作为开发工具，开发基于Client/Server程序。监测工控机部分的软件设计以Windows 9X为运行环境，应用软件采用Windows视窗技术，且为全新的文浏览器界面，操作界面图形化，使操作更为直观、方便、灵活，视窗界面更为友好。

3.1 监测部分

实时监控系统软件主要完成如下任务：实时监测水文信息与水情、设备故障报警，测量参数的实时集中显示与存储，数据管理、分析、统计与查询，报表的定时和随机打印等。软件的功能如图2所示。监测部分的软件设计采用Visual Basic和Visual C++混合编程的方法。主站与遥测站间的通信程序采用Microsoft的MSCOMM ActiverX控件，并通过ODBC驱动数据库，连续Office97/2000中的Access数据库。整个应用程序采用模块化方式编程，其中包括主控模块、初始化与自检模块、通信控制模块、实时监测模块、数据处理、监测报警模块、数据管理模块、报表定时、随机打印等。

3.2 通信过程解决方法

在整个程序编写过程中，实时通信、监测模块最为重要。通信程序一旦出现问题，整个系统将处于瘫痪状态。因此，在通信程序中，采用了差错控制及容错技术，通信控制过程为：

（1）发命令并接收返回数据。首先将命令和数据分别构成字符串Mark$和Space$，根据通信规则设定接收返回数据所需的时间。启动RTS信号，用查询方式将对应的P=Mark和P=Space的Mark$和pace$以单字节间隔方式分别发送出去后，撤消RTS信号。当接收返回数据的第一个数据时引发OnComm事件，按设定时间间隔启动定时器。当定时器事件产生时，在定时器事件过程中读回已接收的全部返回字节，再设定下位机直接上报数据对应的时间间隔并关闭定时器。

(2)下位机直接上报数据。由于预设了下位机直接上报数据对应的时间间隔，当上报数据的第一个数据到来时，对应的情况和接收返回数据一样。

（3）干扰处理。当单纯的干扰数据到来时和下位机直接上报数据的对应时间间隔是相似的，也启动定时器事件。定时器事件产生后读入数据，经控制程序分析可抛弃干扰数据。当干扰数据伴随正常数据一同到来时，可适当加长产生定时器事件的时间间隔，保证读入所有数据并分析。

通信控制采用上述方法有效地解决了总线争用、接收/发送数据信号时出现的少收误收、数据传输误码等问题，大大提高了网络通信控制的有效性和实时性，并可提高设备的利用率。

无线远程实时水文监测为长江流域的水情预测预报提供了一种较为先进的分析手段。本系统利用在无线通信领域较先进的扩频技术以及较为得力的抗干扰措施保证了系统的安全性和可靠性，有一定地推广价值，适合水库、长江支流等水情的监测、预报等。