水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

鄭玉粦

摘? ?要：文章設(shè)計了基于B/S+GPRS+ZigBee無線水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)方案，并分析了系統(tǒng)軟件功能應(yīng)用情況。珠江水情中心水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用遠程監(jiān)測方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多種實時數(shù)據(jù)的采集、處理分析、查詢、存儲和動態(tài)顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)故障自診斷、系統(tǒng)維護升級，為遠程水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供有效保障。

關(guān)鍵詞：珠江流域;水情中心;水咸潮動態(tài)監(jiān)測;架構(gòu)設(shè)計;軟件功能

1? ? 水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 主要實現(xiàn)的功能

對珠三角部分取水口（泵站）及掛定角、竹排沙、馮馬廟、沙洛圍、馬騮洲、大橫琴、聯(lián)石灣、平崗、竹銀等咸情測站進行遠程監(jiān)控，監(jiān)控中心位于珠江水情中心，監(jiān)控中心對各報汛的站點進行信息整合，對各站點數(shù)據(jù)進行分析、處理、查詢、存儲。系統(tǒng)設(shè)計多個數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫資料收集、空間數(shù)據(jù)庫資料收集與處理、水量調(diào)度歷史數(shù)據(jù)分析，咸情、風(fēng)情專業(yè)數(shù)據(jù)分析，調(diào)度綜合數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)庫測試等功能，咸情、風(fēng)情專業(yè)數(shù)據(jù)庫主要用于存儲珠江河口咸情、潮位和風(fēng)情等監(jiān)測信息，存儲的數(shù)據(jù)主要包括珠江河口各測站、水庫、取水口測得的含氯度信息，當(dāng)日最大含氯度統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各潮位站的實時潮位過程，風(fēng)向、風(fēng)速、大氣濕度、氣壓等。調(diào)度綜合數(shù)據(jù)庫主要用于存儲西北江骨干水庫及珠江三角洲主要供水水庫蓄水信息、取水口取水信息、珠海澳門需水供水信息、航運信息、電站調(diào)度信息以及調(diào)水相關(guān)其他工情信息、視頻信息如蓄水、取水、需水、供水等以及實時監(jiān)測圖像及現(xiàn)場采集的視頻數(shù)據(jù)等。

1.2? 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

隨著通信技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻技術(shù)以及大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)不斷發(fā)展，遠程工業(yè)監(jiān)測應(yīng)用廣泛。目前，其物理架構(gòu)主要有主機集中架構(gòu)、客戶/服務(wù)器（Client/Server，C/S）模式、瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）模式，不同架構(gòu)模式各有特點。目前應(yīng)用較多的為B/S模式，是C/S模式的進一步網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拓展模式，其物理架構(gòu)清晰，客戶機信息交互能力強，實時監(jiān)測控制功能響應(yīng)快，服務(wù)器數(shù)據(jù)處理能力大，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡便，具有良好的擴展性和可移植性，系統(tǒng)便于維護和升級，成本低且操作靈活方便。其缺點在于服務(wù)器硬件設(shè)計要求較高，服務(wù)器承載系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的主要功能，一旦服務(wù)器癱瘓，系統(tǒng)將無法工作，因此，要求其服務(wù)器具有良好的安全性能和穩(wěn)定性?；陧椖刻攸c，本文采用B/S模式。B/S模式多為3層結(jié)構(gòu)，主要有Web服務(wù)器、瀏覽器/手機客戶端、數(shù)據(jù)庫端。瀏覽器/手機客戶端主要實現(xiàn)人機交互功能，實現(xiàn)界面信息展示，與Web服務(wù)器進行信息交互;Web服務(wù)端實現(xiàn)各種業(yè)務(wù)邏輯的分析處理，數(shù)據(jù)庫端實現(xiàn)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、風(fēng)情專業(yè)數(shù)據(jù)庫、調(diào)度綜合數(shù)據(jù)庫、視頻數(shù)據(jù)庫等數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行存儲管理[1]。

1.3? 遠程監(jiān)控中心與手機客戶端

監(jiān)控中心位于珠江水情中心，作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的管理核心對各報汛的站點進行信息整合，對各站點數(shù)據(jù)進行分析、處理、查詢、存儲。遠程監(jiān)控中心匯聚并處理各監(jiān)測點參數(shù)用于控制輔助決策，遠程監(jiān)控中心管理下層數(shù)據(jù)，并通過Internet實現(xiàn)與同省/市其他遠程監(jiān)控中心連接，實現(xiàn)資源信息的共享。手機客戶端能夠自動接收監(jiān)控中心/紫蜂協(xié)議（ZigBee）—通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)關(guān)的監(jiān)測數(shù)據(jù)和警情信息數(shù)據(jù)，管理人員可根據(jù)管理權(quán)限通過手機客戶端主界面查詢各種監(jiān)測信息，例如，需要查詢某潮汛站點當(dāng)日最大含氯度時，通過手機界面點擊查詢類別，控制命令由手機客戶端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)幀格式處理后，再轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)日最大含氯度采集模塊，采集模塊實時動態(tài)采集到響應(yīng)的參數(shù)后回傳給手機客戶端，實時顯示到手機操作界面，實現(xiàn)當(dāng)日最大含氯度參數(shù)數(shù)據(jù)的查詢和存儲功能[2]。

1.4? 采集模塊功能實現(xiàn)

采集模塊主要由各種參數(shù)傳感器（溫度、流量、壓力等）、ZigBee處理器、通信模塊等構(gòu)成。需要采集的數(shù)據(jù)主要包括珠江河口各測站、水庫、取水口測得的含氯度、當(dāng)日最大含氯度;各潮位站的實時潮位、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣濕度、氣壓等。采集模塊通過各種傳感器采集具體的模擬數(shù)據(jù)等參數(shù)，采集模塊電路中的單儀器模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital，A/D）模塊把模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給ZigBee-GPRS系統(tǒng)處理器及網(wǎng)關(guān)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)進行存儲、分析、融合、傳遞發(fā)送[3]。

2? ? 水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件應(yīng)用

2.1? 系統(tǒng)配置與主界面

水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件監(jiān)控上位機程序與數(shù)據(jù)庫可以自主選擇，允許分布在不同的主機上。第一次運行軟件需要對程序和服務(wù)器的IP地址、端口號進行配置，并對站點狀態(tài)報告時間間隔、判定故障的檢查時間進行設(shè)置，設(shè)置完成后退出程序，重新啟動系統(tǒng)后可以應(yīng)用[4]。服務(wù)器配置也可以直接進文件夾bin＼Debug下的ipendpoint.ini的文件用記事本打開，直接修改。另外，需要對各監(jiān)測站點及遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）進行配置，可以通過監(jiān)控系統(tǒng)主頁面進行設(shè)置。

2.2? 站點狀態(tài)監(jiān)控功能實現(xiàn)

各監(jiān)測站點狀態(tài)可以通過軟件進行實時監(jiān)測，用來監(jiān)測遙測站點RTU狀態(tài)。軟件中將“最新數(shù)據(jù)列表”“站點狀態(tài)報告”“站點數(shù)據(jù)走勢圖”3個功能顯示在同一個板塊上，根據(jù)按鈕的切換而變化。中間都有個“左移”小按鈕，可以移到左邊，顯示全部的信息。

站點狀態(tài)報告是一個輔助檢查的功能，每隔一段時間系統(tǒng)自動檢查心跳包、數(shù)據(jù)包是否到達，如果連續(xù)檢查幾次，心跳包或者數(shù)據(jù)包沒到達，那么斷定是否故障或者是否為其他原因。目前分成3種情況：RTU正常，傳感器正常;RTU正常，傳感器異常;RTU異常，傳感器不明。移動鏈路是否正常，可以從客戶端套接字判斷。在出現(xiàn)該站點的客戶端套接字，說明該站點的客戶端套接字正常，否則可能存在移動卡欠費、站點宏電故障、太陽能沒電、供電線路故障等問題。

報告時間可在系統(tǒng)配置中進行設(shè)置。一般設(shè)置5 min采集一次。上位機30 s檢查一次，檢查10次，如果5 min沒來數(shù)據(jù)包，但心跳包又正常，系統(tǒng)判斷為傳感器異常。

站點狀態(tài)具有狀態(tài)信息功能模塊。應(yīng)用過程，偵聽端口正常打開底色為綠色，打不開或其他故障底色自動切換為紅色;數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接正常底色為綠色，連接不上，自動切換為紅色。各個站點與中心監(jiān)控端連接正常，底色為綠色，否則立即變?yōu)榧t底色。監(jiān)測點不但有底色變化警報，還可監(jiān)測到最后一次數(shù)據(jù)到達時間。

除了站點狀態(tài)報告和系統(tǒng)狀態(tài)信息外，還有一個獨立的心跳包監(jiān)測模塊，也可監(jiān)測遙測站點RTU狀態(tài)，其中，心跳包監(jiān)測在遙測站點設(shè)備維護與調(diào)試應(yīng)用中較為關(guān)鍵。

2.3? 數(shù)據(jù)采集功能實現(xiàn)

在主頁面中首先對遠程設(shè)置下位機采集間隔時間進行設(shè)置，遠程對下位機可以進行普通復(fù)位和RTU寄存器的復(fù)位。目前用的是上位機和下位機應(yīng)答機制，召集回來的數(shù)據(jù)如有雷同，入庫時系統(tǒng)會進行判斷，只存入未存在的數(shù)據(jù)。另外，每個站點采集過來的數(shù)據(jù)需要減去一個珠基高層偏差量，其默認(rèn)值為0。需要采集/停止采集數(shù)據(jù)時，啟動采集和停止采集功能。

采集數(shù)據(jù)表顯示內(nèi)容主要包括站點編號、站點名稱、監(jiān)測日期（采集數(shù)據(jù)日期）、溫度、鹽度、水位、傳感器電壓、太陽能電壓、備注（備注里可以看出收到的該條數(shù)據(jù)是定時報數(shù)據(jù)還是召集過來的數(shù)據(jù)）等信息。

2.4? 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢主要由實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)月數(shù)據(jù)3個板塊組成。實時數(shù)據(jù)為當(dāng)天的數(shù)據(jù)，其中，表格顯示的是當(dāng)天的所有數(shù)據(jù)，曲線展示最新288個點走勢圖。數(shù)據(jù)查詢界面左邊的下拉選項可以選擇站點和監(jiān)測量，另外，也可以更改實時數(shù)據(jù)自動更新時間，時間為1～10 min，共10種選擇項，選擇好后系統(tǒng)根據(jù)下拉框里的值自動變化。歷史數(shù)據(jù)選項可以查詢?nèi)魏稳掌诶锏臄?shù)據(jù)，頁面左邊除了站點名稱和監(jiān)測量下拉框外，需要選擇起始日期和終止日期的選擇。當(dāng)月的數(shù)據(jù)查詢首先在數(shù)據(jù)查詢頁面選擇站點監(jiān)測名稱和監(jiān)測量，然后選擇年月，年月下拉框里的數(shù)字，可以點開下拉框右邊黑色下三角形進行點選，也可以手動直接修改。

3? ? 結(jié)語

水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案采用B/S+GPRS+ZigBee無線遠程監(jiān)測方案，能夠?qū)崿F(xiàn)多種實時數(shù)據(jù)的采集、處理分析、查詢、存儲和動態(tài)顯示，實現(xiàn)系統(tǒng)故障自診斷、系統(tǒng)維護升級。為遠程水咸潮動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供有效保障。另外，通過軟件對系統(tǒng)進行配置，可讓監(jiān)控中心對各報汛的站點進行信息整合，實現(xiàn)水量調(diào)度歷史數(shù)據(jù)、咸情及風(fēng)情專業(yè)數(shù)據(jù)、調(diào)度綜合數(shù)據(jù)等的分析和監(jiān)控，并能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測圖像及現(xiàn)場采集視頻等動態(tài)管理功能。

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Abstract：In this paper， a wireless brackish tide dynamic monitoring system based on B/S+GPRS+ZigBee is designed， and the application of the software function of the system is analyzed. The dynamic monitoring system of water and salt tide in Pearl River water regime center adopts remote monitoring scheme， which can realize the collection， processing and analysis， query， storage and dynamic display of various real-time data， realize the system fault self-diagnosis， system maintenance and upgrade， and provide an effective guarantee for the remote water and salt tide dynamic monitoring system.

Key words：Zhujiang river basin; water regime center; dynamic monitoring of water and salt tide; architecture design; software function