1.1 河道水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　水位監(jiān)測(cè)終端通過(guò)無(wú)線傳輸方式連接至中心服務(wù)器,。目前可供選擇的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)有：中國(guó)移動(dòng)GPRS和中國(guó)聯(lián)通CDMA 1x。GPRS是中國(guó)移動(dòng)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),，目前中國(guó)移動(dòng)普遍采用CS-2,，編碼速率為13.4kbps，工業(yè)所使用的GPRS模塊最高等級(jí)為Class10,，即支持4個(gè)下行時(shí)隙,，2個(gè)上行時(shí)隙，同時(shí)最多使用5個(gè)時(shí)隙,，所以目前采用GPRS傳輸?shù)乃俾蕿橄滦?3.6kbps（4Timeslots）上行26.8kbps（2Timeslots）,。CDMA 1x是中國(guó)聯(lián)通基于CDMA的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，目前在支持1個(gè)SCH（補(bǔ)充業(yè)務(wù)信道）Release0的情況下RC3（無(wú)線配置）定義的前向（下行）信道最高數(shù)據(jù)速率為153.6kbps,，反向（上行）信道最高數(shù)據(jù)速率為76.8kbps,。
?? ?之所以選擇以GPRS為主、以CDMA為輔的組網(wǎng)方案,，是因?yàn)樵趯?shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在偏遠(yuǎn)地區(qū)GPRS的覆蓋率（Rx≥-95dBm）較CDMA略有優(yōu)勢(shì),。但CDMA的軟切換及其相關(guān)技術(shù)在掉線率的控制上優(yōu)于GPRS技術(shù)[2]。
1.2 中心服務(wù)器接入方式
　　中心站接入Internet的方式可大致分為專網(wǎng)和公網(wǎng)兩種,。
??? ·專網(wǎng)方式：即中心站與水位監(jiān)測(cè)終端都在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,，通過(guò)向無(wú)線運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)APN專網(wǎng)業(yè)務(wù)，中心站與終端均使用內(nèi)網(wǎng)地址（私有地址）相互通信,。
??? ·公網(wǎng)方式：中心站通過(guò)其他運(yùn)營(yíng)商（如中國(guó)電信,、中國(guó)網(wǎng)通等）接入Internet，水位監(jiān)測(cè)終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入Internet,，從而實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器之間的相互通信,。
　　由于本系統(tǒng)將采用以GPRS為主,、以CDMA為輔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以不適合采用移動(dòng)專網(wǎng)接入,，故采用固定IP接入Internet的公網(wǎng)組網(wǎng)方式,。同時(shí)中心站架設(shè)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN(Virtual Private Network)服務(wù)器，使其他相關(guān)部門通過(guò)基于Internet的VPN方式授權(quán)訪問(wèn)中心服務(wù)器,。VPN 利用不可靠的公用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸媒介,，通過(guò)附加的安全隧道、用戶認(rèn)證,、訪問(wèn)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)與專用網(wǎng)絡(luò)類似的安全性能,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重要信息的安全傳輸。這種方式成本低,，并且克服了Internet 不安全的特點(diǎn),。

2 水位監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)
　　水位監(jiān)測(cè)終端需要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能^[3]：
　　(1)為了能實(shí)現(xiàn)連續(xù)快速的實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)，水位采集終端首先需要具有快速實(shí)時(shí)水位采集傳輸?shù)墓δ堋?BR>　　(2)在非實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作模式下,，能夠根據(jù)設(shè)定進(jìn)行定時(shí)水位采集并能將數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)期保存在本地,。
　　(3)保存在本地的歷史水位數(shù)據(jù)能夠按照中心服務(wù)器的需要上報(bào)。
　　(4)能夠?qū)?dāng)時(shí)的水位與設(shè)定的水位上下閾值進(jìn)行比較,，若越限應(yīng)向中心服務(wù)器自動(dòng)報(bào)警,。
　　(5)能夠自動(dòng)檢測(cè)聯(lián)網(wǎng)狀況，若出現(xiàn)異常能重新?lián)芴?hào)確保實(shí)時(shí)在線,。同時(shí)具有自動(dòng)校時(shí)功能，確保與中心服務(wù)器的時(shí)鐘同步,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步,。
　　(6)能夠?qū)⒔K端的工作狀態(tài)（包括電源狀況）及時(shí)傳送至中心服務(wù)器，以便管理和維護(hù),。
　　根據(jù)以上功能將終端系統(tǒng)劃分為電源模塊,、中央處理模塊、存儲(chǔ)模塊,、用戶接口模塊,、輸入模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊等，如圖2所示,。

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3中心站系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1水位監(jiān)測(cè)終端管理子系統(tǒng)
　　水位監(jiān)測(cè)終端管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要在于應(yīng)用層協(xié)議,，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定和高效地運(yùn)行。應(yīng)用層協(xié)議首先需要實(shí)現(xiàn)中心站與監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)通信,，監(jiān)測(cè)通信鏈路狀況,，在中心站實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的管理。
3.1.1數(shù)據(jù)通信功能
　　數(shù)據(jù)采集終端向中心站傳送數(shù)據(jù)可以通過(guò)基于IP的TCP或UDP兩種傳輸層協(xié)議,，TCP對(duì)上層提供可靠的端到端服務(wù),，但是這種可靠性是以系統(tǒng)資源和網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷為代價(jià)的,，而采用UDP傳輸則會(huì)節(jié)省大量的系統(tǒng)資源。GPRS/CDMA都是以流量計(jì)費(fèi)的,，因此采用占系統(tǒng)資源更小的UDP更適合實(shí)時(shí)傳輸,。然而采用UDP傳輸也會(huì)產(chǎn)生新的問(wèn)題，如由GPRS/CDMA網(wǎng)關(guān)動(dòng)態(tài)分配造成的監(jiān)測(cè)終端通信端口不固定問(wèn)題,，同時(shí)由于UDP沒(méi)有提供可靠的通信傳輸,，也需要在終端管理中確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
3.1.2 動(dòng)態(tài)終端管理功能
　　由于UDP傳輸在傳輸之前并沒(méi)有與目的主機(jī)建立連接,，而是由GPRS/CDMA網(wǎng)關(guān)做動(dòng)態(tài)地址映射（DNAT）,，映射到公網(wǎng)的IP地址及端口號(hào)" title="端口號(hào)">端口號(hào)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間都有可能更改，所以中心站需要獲取當(dāng)前終端的公網(wǎng)地址及端口號(hào)才能與終端正常通信,，這就需要終端定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包,，即通常所說(shuō)的心跳包來(lái)維持與中心站的通信鏈路。為了不使心跳包的流量無(wú)謂浪費(fèi),，應(yīng)該在上層協(xié)議中將心跳包設(shè)計(jì)成有用的數(shù)據(jù)包（例如終端配置信息等）,，由終端發(fā)起連接并定時(shí)主動(dòng)發(fā)送心跳包告知中心站自己的存在，中心站發(fā)送心跳包響應(yīng)告知終端中心站的存在,。同時(shí),，中心站根據(jù)終端發(fā)送的心跳包的源地址和端口號(hào)不斷更新站點(diǎn)狀態(tài)表（如表1）中相應(yīng)終端的IP地址和端口號(hào)，并通過(guò)該地址和端口與終端進(jìn)行通信,。若中心站超時(shí)未收到終端的心跳包便認(rèn)為其斷線,；終端超時(shí)未收到中心站的心跳響應(yīng)便認(rèn)為通信鏈路異常，啟動(dòng)PING電信服務(wù)器任務(wù)（例如DNS服務(wù)器）進(jìn)行鏈路測(cè)試,，若收到回應(yīng)則認(rèn)為自身網(wǎng)絡(luò)連接正常等待中心站恢復(fù),，若無(wú)回應(yīng)則認(rèn)為自身網(wǎng)絡(luò)連接異常采取重新?lián)芴?hào)進(jìn)行連接。中心站通過(guò)維護(hù)站點(diǎn)狀態(tài)表來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)終端的管理,。
3.1.3 數(shù)據(jù)的可靠傳輸
??? 應(yīng)用層協(xié)議還要保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,。由于終端系統(tǒng)資源有限，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地降低終端系統(tǒng)的復(fù)雜度,。為了確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸,，超時(shí)重傳應(yīng)在中心站實(shí)現(xiàn)，即中心站發(fā)送的任何命令都需要終端響應(yīng),，若中心站超時(shí)未收到終端響應(yīng)便認(rèn)為命令發(fā)送失敗需要重發(fā),，重新發(fā)送的命令幀應(yīng)與原命令幀保持一致，但在各個(gè)功能模塊的協(xié)議設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮到重發(fā)機(jī)制可能引發(fā)的后果,；其次為了防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)需要在中心站和終端雙方都實(shí)現(xiàn)對(duì)幀校驗(yàn)功能,，因此需要在幀結(jié)構(gòu)中包含校驗(yàn)位。
3.1.4 幀結(jié)構(gòu)
??? 中心站發(fā)送的命令幀（如圖3）包括：命令類型,、目的終端號(hào),、命令號(hào),、命令長(zhǎng)度、命令內(nèi)容及CRC校驗(yàn),，終端根據(jù)收到命令幀的CmdType判斷是何種指令,，例如0x00表示心跳包響應(yīng)、0x11實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢命令,、0x12歷史數(shù)據(jù)查詢命令,、0x18時(shí)鐘校對(duì)命令等。

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??? 終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀(如圖4)包括：數(shù)據(jù)類型,、終端狀態(tài),、終端號(hào)、數(shù)據(jù)內(nèi)容及CRC校驗(yàn),。中心站根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀的DataType與StationID判斷是來(lái)自哪個(gè)終端的何種數(shù)據(jù),，例如：0x00 配置信息、0x01實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),、0x02歷史數(shù)據(jù),、0x04命令響應(yīng)、0x0F系統(tǒng)告警等,。

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?? ?如上所述,，在系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的幀格式表示不同的中心命令和終端數(shù)據(jù)，用盡可能少的字節(jié)數(shù)表述盡可能多的信息量,，使得中心服務(wù)器能夠及時(shí)了解各個(gè)終端的工作狀況,，實(shí)現(xiàn)終端的動(dòng)態(tài)管理。
3.2水位數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)
??? 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的主要功能是建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)庫(kù),，定時(shí)向各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送歷史數(shù)據(jù)查詢命令,，維護(hù)水位數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性；通過(guò)GIS模塊實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況（如圖5所示）,；當(dāng)通過(guò)VPN授權(quán)后的客戶端要求查詢某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí),，中心服務(wù)器自動(dòng)生成相關(guān)報(bào)表（如圖6所示）,，并根據(jù)客戶端是否要求對(duì)某個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，向監(jiān)測(cè)點(diǎn)發(fā)送實(shí)時(shí)命令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理,。

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