无线传输在实时水位监测系统中的应用

3 中心站系统设计

3.1 水位监测终端管理子系统

水位监测终端管理子系统的设计主要在于应用层协议，以实现整个系统稳定和高效地运行。应用层协议首先需要实现中心站与监测终端的数据通信，监测通信链路状况，在中心站实现对数据采集终端的管理。

3.1.1 数据通信功能

数据采集终端向中心站传送数据可以通过基于IP的TCP或UDP两种传输层协议，TCP对上层提供可靠的端到端服务，但是这种可靠性是以系统资源和网络开销为代价的，而采用UDP传输则会节省大量的系统资源。GPRS／CDMA都是以流量计费的，因此采用占系统资源更小的UDP更适合实时传输。然而采用UDP传输也会产生新的问题，如由GPRS／CDMA网关动态分配造成的监测终端通信端口不固定问题，同时由于UDP没有提供可靠的通信传输，也需要在终端管理中确保数据的可靠传输。

3.1.2 动态终端管理功能

由于UDP传输在传输之前并没有与目的主机建立连接，而是由GPRS／CDMA网关做动态地址映射(DNAT)，映射到公网的IP地址及端口号经过一段时间都有可能更改，所以中心站需要获取当前终端的公网地址及端口号才能与终端正常通信，这就需要终端定时发送数据包，即通常所说的心跳包来维持与中心站的通信链路。为了不使心跳包的流量无谓浪费，应该在上层协议中将心跳包设计成有用的数据包(例如终端配置信息等)，由终端发起连接并定时主动发送心跳包告知中心站自己的存在，中心站发送心跳包响应告知终端中心站的存在。同时，中心站根据终端发送的心跳包的源地址和端口号不断更新站点状态表(如表1)中相应终端的IP地址和端口号，并通过该地址和端口与终端进行通信。若中心站超时未收到终端的心跳包便认为其断线；终端超时未收到中心站的心跳响应便认为通信链路异常，启动PING电信服务器任务(例如DNS服务器)进行链路测试，若收到回应则认为自身网络连接正常等待中心站恢复，若无回应则认为自身网络连接异常采取重新拨号进行连接。中心站通过维护站点状态表来实现对各个终端的管理。

3.1.3 数据的可靠传输

应用层协议还要保证数据的可靠传输。由于终端系统资源有限，在设计中应尽可能地降低终端系统的复杂度。为了确保数据的可靠传输，超时重传应在中心站实现，即中心站发送的任何命令都需要终端响应，若中心站超时未收到终端响应便认为命令发送失败需要重发，重新发送的命令帧应与原命令帧保持一致，但在各个功能模块的协议设计中应充分考虑到重发机制可能引发的后果；其次为了防止数据出错需要在中心站和终端双方都实现对帧校验功能，因此需要在帧结构中包含校验位。

3.1.4 帧结构

中心站发送的命令帧(如图3)包括：命令类型、目的终端号、命令号、命令长度、命令内容及CRC校验，终端根据收到命令帧的CmdType判断是何种指令，例如0x00表示心跳包响应、0x11实时数据查询命令、0x12历史数据查询命令、0x18时钟校对命令等。

终端发送的数据帧(如图4)包括：数据类型、终端状态、终端号、数据内容及CRC校验。中心站根据收到数据帧的DataType与StationID判断是来自哪个终端的何种数据，例如：0x00配置信息、0x0l实时数据、0x02历史数据、0x04命令响应、0x0F系统告警等。

如上所述，在系统中采用统一的帧格式表示不同的中心命令和终端数据，用尽可能少的字节数表述尽可能多的信息量，使得中心服务器能够及时了解各个终端的工作状况，实现终端的动态管理。

3.2 水位数据管理子系统

数据管理子系统的主要功能是建立监测点水位数据库，定时向各个监测点发送历史数据查询命令，维护水位数据库的完整性；通过GIS模块实时显示当前各个监测点的情况(如图5所示)；当通过VPN授权后的客户端要求查询某个监测点数据时，中心服务器自动生成相关报表(如图6所示)，并根据客户端是否要求对某个监测点进行实时监控，向监测点发送实时命令，实现数据的集中统一管理。

通过采用GPRS／CDMA传输系统，以及基于C／S架构的上层软件系统实现了多个监测单位能够同时对一个或多个水位监测站点进行实时监控，提高了整个河道防汛水位控制监测系统的可靠性、实时性和稳定性，达到了预期改造目标。但由于部分站点由蓄电池和太阳能电池提供能源，在设计中未把低能耗作为设计目标，加大了个别站点蓄电池和太阳能电池的成本投入，在下一步工作中将把降低能耗作为一个重要目标来实现。