基于wincon8331的天津市远程潮位自动化监测系统方案

项目情况介绍
　　
天津市位于华北平原的东部，海河流域的尾闾，北依燕山，东临渤海，西南与河北省平原接壤。全市总面积11305平方公里，其中平原面积占全市陆地面积的94.2％。该市海岸线长152.8公里，沿海海挡跨越汉沽、塘沽、大港三个行政区。北起汉沽区涧河口，南至大港区沧浪渠入海口，全长139.62 公里，其中汉沽区30.614公里、塘沽区80.749公里、大港区28.257公里。

图1：wincon8331 智能型控制器外观及配置

天津市海岸线虽然不长，但是对天津经济发展具有影响的塘沽区大部分、大港区政府、天津港务局、大港油田、渤海石油、天津经济开发区、天津港保税区以及天津新港造船厂、长芦盐场等单位分布在沿海塘、汉、大三区。随着沿海经济的飞速发展，防潮工作十分重要。天津市海挡建设虽然在一九九二年大潮后，市政府加大投资力度，统一规划、修建了高标准海挡，建成了路挡结合的海防路。但天津沿海46.5公里重点海挡只有26.2公里达到百年一遇标准，其余的重点海挡达不到十年一遇标准；另外90.7公里一般海挡达五十年一遇的有20.1公里，其余的一般海挡，达不到五年一遇标准。特别是在东南亚海啸灾难发生后，政府对海潮的破坏有了新的认识，体会到监测与防护并重的重要性。因此，加大了对海潮就有了本项目的建设。并希望通过本项目的建设，为长期、系统、科学的海潮监测积累经验、摸索方向，为将来的大规模监测打下良好的基础、做好技术的选型和准备。

系统建设内容
　　
天津市沿海潮位实时监测系统包括三个部分的建设：雷达潮位数字测报、风力风向测报、实时潮位监测发布系统软件开发。先期潮位遥测系统建设1个中心站（防汛办公室），大港电厂海泵房、塘沽石化码头、汉沽盐厂海泵房等3个遥测站。后续再陆续添加建设监测站点。

系统建设原则

　　■ 实用性：实用性将作为系统建设的基本出发点。系统的设计以方便、简捷、高效为目标，既充分体现实时预报与统计，友好的用户界面，业务人员可以熟练操作；
　　■ 可靠性：作为防潮预报系统，必须能高可靠的连续运行，本系统本着经济实用，高性价比的原则设计，从系统硬件、系统结构、设计方案、技术保障等方面综合考虑，使得系统能保证稳定可靠；
　　■ 灵活性：系统使用灵活，可以方便的察看预报信息，历史信息，及统计信息，同时可以实时报警功能；
　　■ 扩展性：考虑到业务不断发展与变化，要求系统在结构、容量和处理能力等方面具有强大的扩充能力，本系统设计中充分考虑到其扩充能力，其软、硬件均采用工业化标准设计，并预留软、硬件接口，保证了系统扩展能力。

系统基本功能需求
　　
根据潮位监测的专业特点和现场的客观条件，天津市水务部门对远程潮位监测系统提出了如下基本要求：

　　■ 数据必须能够本地保存，而且必须能够保存至少一年的数据。现场作为中心数据的有力补充，在需要的时候可以由控制中心发命令取得，或者安排人员到现场取得，同时方便监测人员的现场办公；
　　■ 现场与监测中心采用GPRS通信，领导及相关管理人员配备的PDA也能通过GPRS网络同步接收实时监测数据，方便在特殊时期的及时响应，同时也减少中心数据库的查询压力；
　　■ 系统具备远程更新程序的能力。管理中心可通过GPRS网络远程更新现场控制器上运行的程序，更改采集周期、存储方式等关键程序指标，或完全更新程序，以满足不同时期对现场监测的需要；
　　■ 现场支持本地图形界面，满足现场办公要求。现场设备提供方便的图像输出端口，在发生灾情或其它紧急时刻，管理人员可在现场通过显示设备，最好是显示器了解现场监测情况；
　　■ 无人职守，设备必须可靠、体积小巧。考虑到防风的需要现场监测点体积必须小巧、可靠，同时现场设备也必须稳定可靠，关键是计量节省监测站有限的空间；
　　■ 系统拓展性好，将来新建站点只需要通过简单设定就可以纳入原有的监测体系；
　　■ 系统各组件采用市场上的通用硬件和软件，以此来有效的降低系统建制成本，并简化系统的后期维护。同时，也以此来增强维护人员对系统的掌控力，方便将来的系统扩容。

系统组件及配置方案

现场设备选择
　　
现场控制设备是整个系统最关键的部分，它是现场程序运行的基本平台，还必须担负现场数据存储、现场通信等关键任务，其稳定性和可靠性直接影响整个系统的稳定和可靠。可以说现场控制设备的选择关系到整个系统的成败，是整个系统的基石。
　　
经过慎重的考虑和选型，系统最终选用台湾泓格科技的PAC产品Wincon8331智能型控制器作为现场控制器。该设备外观及基本配置如图1：
　　
Wincon8331尺寸为：229mm×110mm×90mm，不占用太大的机柜空间，而且支持导轨安装，可以很好的满足现场对设备空间的限制。而且，该设备还具备如下特点：

　　■ 采用低功耗的StrongARM处理器作为系统CPU，并且采用无风扇设计，可有效的保证系统的稳定运行；
　　■ 采用微软开发的实时操作系统Windows CE.net，并且操作系统固化在一片32M的Flash上，将操作系统与应用程序有效的隔离开来，保证操作系统不死机，以次来提升操作系统的稳定性和可靠性；
　　■ wincon8331提供VGA接口。在现场接上普通显示器就可以进行图像显示。同时设备还提供标准的USB接口和PS/2键盘鼠标接口，可支持键盘鼠标操作和USB存储设备。以此来满足系统对本地操作的需要；
　　
Wincon8331提供一片128M的CF卡作为存储器，可存储复杂的程序，并可以以文件的形式存储大量的数据，在本系统中至少可以存储2年左右的现场数据和操作日志；

　　■ 支持多线程，在CPU运算能力许可下，可以同时处理多个系统任务。
　　
除了硬件配置能充分满足系统的要求外，wincon8331的开发过程也让本项目系统开发的技术人员惊喜不已。这些技术人员之前对自动化系统接触不多，而专长于内部的办公、业务等信息系统的构造与开发。从开发工具上来说，也就是熟悉VC、VB、J-Build等高级语言开发工具。所以，惊喜的是 wincon8331采用windows风格图形界面，并且支持EVC和VB.net程序开发，可以延续这些技术人员的开发习惯，并且可以在不添加其他辅助软件的情况下，采用高级开发语言实现本地程序的图形界面。基本的数据处理就可以在本地完成，然后将处理好的数据再发送到监测中心，减轻监测中心系统的运算压力。最终，通过比较，采用微软提供的EVC作为本地程序的开发工具。

现场GPRS模块选择
　　
GPRS通信模块保证现场通信的稳定性和可靠性，该项目选择台湾赫立讯的GPRS模块作为现场的通信终端设备。该模块具有如下特点：

　　■ 可靠性强：该模块设计科学，制造工艺精湛，性能稳定、可靠，经受过广大用户不同应用环境的考验，获得一致好评。并且通过国际FCC和CE认证；
　　■ 系统不当机：内建Watchdog模块，保证系统不当机。并且具备断线重拨功能：系统自动检测通信状态，当发生网络情况不好，发生掉线状况时自动重新拨号，在最短的时间内恢复通信；
　　■ 功耗低：该模块工作功耗是0.27W－0.5W，可大大节约电能的利用；
　　■ 体积小，便于安装：减少对机柜宝贵空间的需要；
　　■ 环境适应能力强：可适应各种复杂环境的应用；
　　■ 具备自动休眠功能，并提供多种唤醒功能：事件驱动、定时唤醒、呼叫唤醒、中心端唤醒；
　　■ 提供远程参数修改功能；
　　■ 提供强大的管理软件，用户几乎不用编程即可使用。

现场传感器选择

图2：OTT 数字雷达液位传感器

图3：05103v 型测风装置

传感器关系到监测数据的准确性和可靠性，并且传感器属于易损设备。在本项目中，考虑现场的的复杂情况，必须选用可靠、稳定、易维护的传感器。本项因此，采用进口传感器作为数据采集终端。

水位传感器：本系统选用德国OTT数字雷达液位传感器KALESTO，其主要技术指标如下：

　　■ 测量原理：采用连续调频波；FM: 24.125 GHz;
　　■ 波段：24，125GHZ。
　　■ 辐射角：5°C；
　　■ 供电：10.5～15 VDC；
　　■ 量程：0～30米；
　　■ 精度：1cm;
　　■ 分辨率：1mm;
　　■ 数字输出：RS485/9600bit/s；
　　■ 内充N2，防雷电；
　　■ 防护等级：IP68；带继电保护；
　　■ 工作温度：-40～+85°C
　　
分速风向传感器：本系统选用美国YOUNG公司生产的05103v型测风装置，其主要技术指标如下：

　　■ 风速: 0-60 m/s
　　■ 最大抗风: 100 m/s
　　■ 风向: 3
　　■ 分速: ±0.3 m/s （0.6 mph）
　　■ 风向: ±3 degrees
　　■ 最小临界值:＊
　　■ 风速: 1.0 m/s
　　■ 风向: 1.1 m/s
　　■ 供电:8-24 VDC （5 mA @ 12 VDC）
　　■ 工作温度:-50 to 50° C
　　■ 信号输出:0-1.00 VDC full scale;0-5.00 VDC optional

现场能源供应及防雷
　　
现场具备市电供应条件，因此采用市电供应。而防雷是现场必不可少的防护措施，由专业公司提供相关设备及施工，本方案不做阐述。

监测中心主要软件服务器
　　
监测中心根据系统需求，在考虑将来系统可拓展性的基础上，建制了如下三个软件服务器：

　　■ 系统应用服务器。该服务器承担系统应用层面的所有功能。主要包括：数据展示、数据分析、报表、WEB发布、数据上报、系统维护等功能模块。考虑到将来系统的拓展，系统功能的拓展，采用VB.NET开发；
　　■ SQL-server数据库服务器。主要用于遥测数据的存储；
　　■ iPush Server通信服务器。该软件由台湾艾扬科技开发，并已在台湾及国外环境监测、智能交通等项目中得到了广泛的应用。主要承担现场设备与监测中心的通信、数据同步分发、通信端口设定等功能。
　　
通过该软件可以使系统具备如下特点：

　　■ 实现现场监测数据的主动上报。只需设定现场监测数据上报的条件，当上报时间或数据变动范围等条件满足系统设定要求时，系统对满足条件的数据进行主动上报，将数据主动发送到监测中心，减轻监测中心工作量。并且，发送条件可以随时通过监测中心的软件进行远程更新；
　　■ 保证数据在GPRS和internet传递过程中的安全性。该功能的核心是提供数据加密与提供数据保证送达功能，克服在GPRS和internet环境中经常发生的数据丢包、数据窃取等问题；
　　■ 科学的规划现场设备与监测中心的通信通路，处理监测数据的重要性等级，满足上百点监测设备同时上报数据的需要。亦可保证系统同时、同步与现场设备进行通信，进行现场程序更新、系统对时等操作。通过此功能，为将来系统的拓展预留了足够的空间；
　　■ 实现监测中心与监测现场设备间的双向通信。克服GPRS网络等动态IP网络与固定IP间双向通信困难的问题，使监测中心可以方便的了解监测现场设备的状态，并可随时向下发送命令或更新现场设备上的应用程序。

系统工作流程
　　
每个现场监测站点需要监测影响海潮变化的三个参数：潮位、风速、风向。系统通过OTT的数字雷达液位传感器采集潮位参数。该传感器通过RS- 485口与wincon8331主机连接，wincon8331通过EVC编写的通信程序按照该公司提供的通信协议读取该传感器采集到的潮位值。系统通过 YOUNG公司生产的05103v型测风装置监测现场的风速和风向参数，由于该装置提供两路0-5V的电压输出，故通过在wincon8331上插入泓格公司的I-8017H并行模拟量采集模块采集该装置输出的电压值，再通过YOUNG公司提供的电压参数比对表换算出风速和风向参数。
　　
Wincon8331通过RS-232口与赫立讯的GPRS模块连接，通过内部的拨号程序拨入internet。由于Wincon8331提供一个10/100M网络接口，将来在系统拓展的时候，将采用wincon8331的网口与GPRS路由器连接的方式来接入internet，并由GPRS路由器来保证网络的畅通，让wincon8331更专注与数据采集与运算。
　　
在普通工况下监测站点需要wincon8331每5分钟从前端传感器采集一次数据，并按时间顺序存储在wincon8331的CF卡上。在完成存储工作后，利用iPush Server提供的现场API函数主动将数据发送到监测中心的iPush Server，并由该API完成数据传递过程中的数据加密、数据保证送达、数据等级设置等工作，以保证数据的安全性和完整性。iPush Server接收到来自现场的数据后，主动将数据同步发送到 SQL-server数据库、主应用程序和PDA上，保证所有应用程序得到的数据是同步、同样的数据，避免数据不同步的现象发生。
　　
在汛期或者其它要求情况下，wincon8331需要每30秒从前端传感器采集一次数据（OTT的数字雷达液位传感器采集一次数据需要约30 秒），采集频率的改变通过监测中心远程更新现场的监测程序来完成。并且，这个过程由iPush Server提供的动态IP寻址、数据同步广播机制和数据保证送达机制来保障，以此来保证数据的完整性和双向的数据通信。这样，所有站点的程序更新和对时可以通过一次操作来完成，并且即使出现网络条件不好的状态，操作人员也不需要进行重复操作，系统会利用保证送达机制自动处理，大大降低操作人员的工作量。

图4：潮位远程监测系统总体结构

监测中心的实时监测系统的数据由iPush Server直接主动提供，并且保证和数据库的数据更新同步，也不需要访问数据库来得到数据。只有进行报表、历史分析等功能时才需要访问数据库。通过这样的访问机制大大降低了数据库的工作压力，保证了系统的流畅运行，在将来系统拓展时这个优点将更加突出。
　　
监测现场的监测、通信程序都是采用EVC编写，该语言支持图形化界面。这样当有工作人员需要到现场进行办公时，只需携带便携式显示器通过连接 wincon8331的VGA端口就可以了解现场的监测状态、查询本地的历史数据，或者通过CF读卡器读取wincon8331保存的数据。

系统的特点及带来的效益
　　
数据采集、本地数据存储和远程通信是远程监测系统的核心功能。本系统的本地设备单元、本地通信单元和系统通信单元均采用市场上技术领先的产品，并通过泓格科技的有效整合保证了系统在这些方面的创新和技术领先，让系统具备了一些独一无二的特点，比如说本地运算体系、主动性数据交换体系、远程同步程序更新体系等等，这些特点是其它类似系统无法比拟的。

图5：系统软件通信结构

特别值得一提的是系统采用分散式运算体系。由wincon8331在现场完成数据采集、数据运算、数据存储、本地显示、数据通信等功能，并采用主动上报的方式与监测中心进行通信，大大降低了监测中心服务器运算和通信的负担。让中心服务器可集中进行数据分析和数据报表等复杂工作，降低了监测中心对硬件服务器的要求。真正做到了现场、中心各司其责、独立运做。这样一方面加快了系统建设的速度、简化了实施过程，也顺应了业界提倡的分布运算、集中监控的潮流。