（通信与信息系统专业论文）基于μCOSⅡ的灌区水情远程测报系统研究.pdf

摘要 本课题是根据水利部水利科技重点项目 “ 灌区微机网络测量与控制系统研究”，并以 河北省逐鹿县的实际为背景进行设计开发的。 作者把嵌入式实时操作系统p lc / o s - i i 应用于 灌区水情远程测报系统的研究中。 本系统以公用电话网作为通信信道，实现水情数据的远距离传输、存储和处理。测控 点的嵌入式 数据采集系统 采用全 新的设 计理念， 它利 用实时操作系统i c / o s - i i 进行任务之 间的切换和通信，保证了系统的实时性、可靠性和稳定性。测点通过嵌入式微处理器 s 3 c 4 4 b o x控制传感器采集水位数据， 处理后保存并显示;同时等待与控制中 心的p c机 建立连接， 并根据接收的命令将相应的数据按照预先约定的通信协议， 通过mo d e m经公 用电话网传送到控制中心。 p c机信息管理系统则将接收到的数据按时间先后顺序存放在相 应的数据库中，供日 后用户查询和分析，从而实现了灌区用水量的实时测报和科学管理。 本文首先对系统的需求进行分析， 确定系统功能目 标和性能要求， 并提出总体设计框 架， 划分功能模块。 然后据此详细阐述基于w c / o s - i i 的嵌入式数据采集系统的 硬件设计和 软件编程，研制 p c机信息管理系统软件，并提出提高系统可靠性的一些方法。最后介绍 系统调试的情况，并对本系统进一步开发的内容及方向提出了设想。 关键词:远程数据采集、嵌入式系统、实时操作系统、 i .c / o s - i i 、s 3 c 4 4 b o x ab s t r a c t t h i s s u b j e c t i s d e s i g n e d b as e d o n t h e w a t e r c o n s e r v a n c y s c i e n t i f i c a n d t e c h n o l o g i c a l m a i n p r o j e c t o f t h e wa t e r mi n i s t rys t u d y o n t h e s y s t e m o f c o m p u t e r n e t w o r k m e as u r i n g a n d c o n t r o l l i n g i n i r r i g a t e d d i s t r i c t . a c c o r d i n g t o t h e c o n d i t i o n o f z h u l u c o u n ty , h e b e i p r o v i n c e , t h e a u t h o r a p p l i e s t h e r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m g c / o s - i i t o t h e s t u d y o f w a t e r l o n g - d i s t a n c e mo n i t o r i n g a n d f o r e c as t i n g s y s t e m i n i r r i g a t i o n d i s t r i c t . t h i s s y s t e m r e g a r d s p s t n as c o m m u n i c a t i o n c h a n n e l s a n d r e a l i z e s d a t a l o n g - d i s t a n c e t r a n s m i t t i n g , s a v i n g a n d p r o c e s s i n g . t h e e m b e d d e d d a t a c o l l e c t i n g s y s t e m i n mo n i t o r i n g s i t e a d o p t s a n e w d e s i g n i d e a a n d u t i l i z e s r e a l - t i m e o p e r a t i n g s y s t e m p c / o s - i i t o c a r r y o n s w i t c h i n g a n d c o m m u n i c a t i n g b e t w e e n t h e t as k s , t h e n e n s u r e s t h e r e a l - t i m e c h a r a c t e r , d e p e n d a b i l it y a n d s t a b i l i ty o f t h e s y s t e m. t h e s y s t e m u s e s t h e e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r s 3 c 4 4 b o x t o c o n t r o l t h e s e n s o r t o g a t h e r w a t e r d a t a , t h e n p r o c e s s e s , s a v e s a n d d i s p l a y s t h e m. a t t h e s a m e t i m e i t w a it s t o b e c o n n e c t e d w it h p c a t t h e c o n t r o l c e n t e r , r e c e i v e s c o m m a n d - s t r i n g , t h e n u s e s mo d e m t o s e n d t h e c o r r e s p o n d i n g d a t a w i t h p re d e fi n e d c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l t o p c t h r o u g h p s t n . t h e i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m i n p c t h e n p u t s t h e r e c e i v e d d a t a i n t o t h e c o r r e s p o n d i n g t a b l e o r d e r l y f o r u s e r s i n q u i ry a n d a n a l y s e s i n t h e f u t u r e , t h u s i t r e a l i z e s w a t e r c o n s u m p t i o n o f i r r i g a t i o n d i s t r i c t t o o b s e r v e a n d p r e d i c t i n r e a l t im e a n d s c i e n t i fi c m a n a g e m e n t . t h i s t h e s i s f i r s t a n a l y s e s t h e d e m a n d o f t h e s y s t e m , c o n fi r m s s y s t e m f u n c t i o n g o a l s a n d r e q u i r e d p e r f o r m a n c e , t h e n p u t s f o r w a r d t h e d e s i g n i n g o v e r a l l f r a m e a n d d i v i d e s f u n c t i o n m o d u l e s . i t a l s o i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e d e s i g n a n d s o ft w a r e p r o g r a m m i n g o f t h e e m b e d d e d d a t a c o l l e c t in g s y s t e m b a s e d o n g c / o s - i l a n d d e v e l o p s s o ft w a r e m e t h o d o f t h e p c i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t s y s t e m i n d e t a i l , t h e n p u t s f o r w a r d s o m e m e t h o d s t o i m p r o v e s y s t e m a t i c d e p e n d a b i l ity . l a s t i t i n t r o d u c e s t h e d e b u g g i n g c i r c u m s t a n c e s , a n d s u g g e s t s t h e i d e a o f t h e s y s t e m i n t h e f u r t h e r c o n t e n t s a n d d i r e c t i o n s . k e y w o r d : l o n g - d i s t a n c e d a t a c o l l e c t i n g , e e m b e d d e d s y s t e m, r e a l - t im e o p e r a t i n g s y s t e m ( r t o s ) , g c / o s - i i 、s 3 c 4 4 b o x 河海大学工学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在传统控制系统应用过程中， 因功能比较简单， 通常以单片机或d s p 等微控制器为主 要控制核心。 但随着人们对系统的 运算速度、 扩展能力、可靠性、功耗和集成度等方面要 求的不断提高， 传统的控制方式已 失去原有的 优势， 特别是针对高性能、 低功耗的 实际现 场应用，只需采用基于微处理器的嵌入式系统就可以实现所需要的功能，而且性价比高。 因此， 什么是嵌入式系统， 如何在实际应用中进行嵌入式系统开发， 越来越成为人们 十分关注的研究课题。本文以 灌区的水情数据为研究对象， 进行了嵌入式数据采集系统的 设计，并对实时操作系统的相关问题进行了研究。 1 . 1灌区水情测报的意义11 112 1 2 1 世纪， 世界已 进入人口、 资源和环境统一协调的可持续发展时代。 水作为资源的重 要组成部分，直接关系到人类的生存、 发展，社会的文明 和进步。水资源的有限性以 及人 类对水资源长期的破坏性使用，使世界水资源供应不仅日 益短缺，而且状况不断恶化， 越 来越成为严重影响人类生产、生活正常发展的重要制约因素之一。 我国的水资源状况也不容乐观，虽居世界第四 位， 但由于人口 众多，耕地面积少， 人 均水量仅为2 2 0 0 立方米， 是世界人均水量的 1 / 4 。 此外， 由于工农业盲目 和不科学的发展， 水资源污染问 题在我国也显得特别突出。同时，时间空间水量分布不均、洪涝灾害复杂、 生态环境恶化问题亦日 趋严重。据估计，到本世纪中叶，我国人均水量还将下降到 1 7 0 0 立方米左右，水资源短缺问题将更加突出。 我国是农业大国， 农业用水量占 全国 用水量的2 / 3 以 上， 提高水的 利用率和利用效率， 杜绝农业用水存在的严重浪费现象， 对于缓解我国水资源短缺问题具有极其重要的现实意 义。目 前我国农村绝大部分地区灌区管理及行业管理大量资料和信息仍然以 传统的手工作 业为主，既无法实现对各类资料信息的有效管理、维护，也无法做到信息共享。这不仅影 响到灌区管理水平的提高，而且各级水利行业主管部门也难以做到及时、准确和全面了解 掌握灌区及行业发展的状况及变化趋势。 随着信息技术的迅猛发展， 如何抓住数字化、网络化与信息化建设带来的发展机遇， 加快灌区信息化建设，加强灌区及行业管理能力建设、提高管理水平，向管理要效益己成 为当前及今后灌区管理的一项十分重要和紧迫的任务。 灌区水情远程测报系统就是在这样的背景下出现的，是灌区信息化建设的重要内容之 一。它充分利用现代信息技术， 深入开发和广泛利用灌区管理的信息资源， 包括信息的采 集、传输、存储和处理等，大大提高信息采集和加工的准确性以及传输的时效性，做出及 时、 准确的反馈和预测，为灌区管理部门 提供科学的决策依据， 提升灌区管理的效能，促 进灌区管理工作的健康发展。 基- t - o c o s - 1 1 的灌区水情远程测报系统研究 1 2 国内外研究现状1 2 1 1 3 i 世界各国，特别是发达国家都注重将高新技术与传统的农业技术相结合，投入大量的 物力和财力进行水情实时监测和水资源管理，以期能更好地利用水资源和提高管理效率。 目前，世界上在这方面取得较好成绩的国家，有美国、澳大利亚等。 维多利亚州的g o u l b u r n m u r r a y 水务局是澳大利亚负责g o u l b u m 和m u r r a y 流域水资源 管理最大的农村水利机构。它的监测和灌溉管理系统负责管理六大灌区和维多利皿州水资 源调度，主要业务是在所有的河道系统建立完善的实时水情监测和管理系统。其中包括 s c a d a 系统，计算机系统、水情数据库及水资源管理和灌溉供水计划和调度。而美国的 s r p 灌区自动化灌溉系统，不仅实现了灌溉用水的准确计量，而且实现了灌溉系统的自动 化控制，使灌溉达到了最佳效果。 我国灌区信息化建设开始于八十年代，当时称为计算机技术在灌区中的应用。一些高 校和科研单位开始了研究和试点，并取得了一批研究成果并在生产实践中应用，同时也走 了一些弯路。有的灌区过于偏重自动化建设，脱离了中国国情，加之当时有的硬件设备不 过关，使得系统建起来以后没有得到很好的利用，造成了资金浪费。近几年来，随着信息 技术的发展，各地结合灌区续建配套节水改造项目的实旋不同程度开展了一些工作。目前 存在的主要问题是：整体规划不够，标准不统一；成果不能共享、重复开发、重复建设； 没有成系统的成熟产品，没有形成商品化，造成成本高，售后服务跟不上；灌区对信息化 的认识不够等。总体上看，我国灌区灌溉管理系统软件的开发应用和适合我国的测控设备 仍与国外有较大差距。 1 3 本课题来源与主要内容 1 3 1 课题来源1 4 1 河北省涿鹿县是一个以农业、林果为主的农业县。县内有2 4 万亩水浇地，由四个灌 区( 惠民北渠灌区、桑南灌区、七一灌区和劈山灌区) 控制，采用明渠引水灌溉，灌溉用 水主要靠永定河上游的两条无调节河道提供。由于水资源紧张，从8 9 年开始采用人工集 控分配灌溉用水，虽取得了一定效果，但采用人工监测流量和上报流量存在着大量的问题 数据不准确、反映流量数据不及时等，不能充分有效地利用水资源，造成了时间上 的延误和经济上的浪费。因此，必须有一套先进的符合该地区实际的科学手段，对灌溉用 水量的水费进行较为准确的测量和计算，科学合理地进行水资源管理。 本课题就是根据水利部水利科技重点项目“灌区微机网络测量与控制系统研究”，结 合河北省逐鹿县的实际，并在灌区水情远程测报系统的基础上进行改进开发的。 原系统的下位机部分是基于单片机的数据采集系统，其中存在着不少缺陷： ( 1 ) 系统采用单片机为控制核心，其可扩展性低；因为单片机的i o 端口资源很有限， 随着控制系统功能的不断增强( 如增加回控功能、网络功能，增设多个采集点等) ，必然 河海大学工学硕士学位论文 第一章绪论 会进行相应的扩展，从而导致电路、数据处理等更加复杂。 ( 2 )部分操作比较复杂，如键盘的使用。系统设置了三个功能按键，其中有两个键 存在着双重功能， 通过连续按下相同的键可以 选择不同的功能，这样做虽然硬件接口比 较 简单， 但要占 用较多的c p u运行时间， 而且随着社会节奏的日 益加快， 人们更加注重提高 工作效率，力求使控制器更具有人性化、傻瓜化的特点。 ( 3 ) 数据处理速度较慢， c p u利用率不高。由 于系统采用8 位单片机， 其处理速度 较慢， 在中断服务程序过程中， 如果处理的数据量较大时， 必定会占 用过多的c p u运行时 间，从而影响其他部分功能的实现。 ( 4 )下位机使用l e d显示简单信息，或以按键来进行简单信号输入，而大部分的功 能是由p c机干预产生，所以很难自 成系统。 因此， 针对以上各种问题， 对原系统进行改进。 本系统从嵌入式处理器的选择入手， 主要设计了 一个基于嵌入式实时操作系统 l c / o s - 1 1 的 远程数据采集系统。 由 于时间与条件 的限制， 本论文仅完成了系统的前期工作，即通过公用电话网实现水情数据的远程监测， 并在嵌入式处理器的选型等方面为后期扩展嵌入式w e b 服务器，实现i n t e rn e t 功能做好了 充分的准备。 1 . 3 . 2系统方案论证 嵌入式系统的设计是本论文的重点，但什么是嵌入式系统，为什么要使用实时操作系 统，该系统又有何特点?下面给予详细论证。 嵌入式系统 e m b e d d e d s y s t e m ) 被定义为: 以 应用为中 心、 以 计算机技术为基础， 软 硬件可裁减， 适应对功能、可靠性、 成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统。以其 小型、专用、易携带、可靠性高等特点，已经在工业控制领域得到了 广泛的应用，如工业 工程控制、远程监控、智能仪器仪表、 机器人控制器、数控系统等。典型的嵌入式系统由 硬件和软件两大部分组成， 即以 微处理器 ( m p u ) 或微控制器 ( m c u ) 为核心的 硬件设计 和基于嵌入式应用的实时操作系统 ( r t o s )的软件开发。 1 . 嵌入 式 处理 器 及 其 选 型15 11617 118 19 1 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分。目 前， 世界上具有嵌入式功能特 点的处理器己 经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u . m p u等3 0 多个系列。根据其现 状，嵌入式处理器可以分为下面几类: ( 1 ) 嵌入式微处理器 ( mp u ) :是由通用计算机中的c p u演变而来的，主要特点是 具有 3 2位以 上的处理器，具有较高的性能。与计算机处理器不同的是， 在实际嵌入式应 用中，只保留相关的功能硬件，以 最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目 前主 要的 嵌入式处理器类型 有a m 1 8 6 / 8 8 , p o w e r p c . 6 8 0 0 . a r m / s t r o n g a r m等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器 ( mc u ) : 其典型代表是单片机， 是目 前嵌入式系统工业的主流。 基于p c / o s - 的灌区 水情远程测报系统研究 和嵌入式微处理器相比， 它最大的 特点是单片化， 体积大大减小， 从而使功耗和成本下降、 可靠性提高。由于mc u低廉的价格、 优良 的功能，拥有的品 种和数量最多，比 较有代表 性的包括 8 0 5 1 , mc s - 2 5 1 , mc s - 9 6 , 6 8 k系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器 ( d s p ) : 是专门 用于信号处理方面的处理器， 具有很高的编 译效率和指令执行速度， 在数字滤波、f f t 、谱分析等方面获得了大规模的应用。目 前最 为广泛应用的是t i 的t ms 3 2 0 c 2 0 0 0 / c 5 0 0 0 系列。 ( 4 ) 嵌入式片上系统 ( s o c ) :是追求产品 系统最大包容的 集成器件，是目 前嵌入式 应用领域的热门话题之一，在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要 的 作用.比 较典型的通用系列如s i e m e n s 的t ri c o re a 在以往的现场控制系统应用中， 常规方式是采用上位枷下位机的控制方式， 上位机一 般为工控机或p c机，下位机一般为单片机或d s p 等微控制器。 随着网络技术和通信技术 的发展，工业控制现场的网络化己经成为发展趋势.这就对传统的基于微控制器的控制系 统提出了更高的要求。目 前3 2 / 6 4 位微处理器的 性能得到了很大的提升，且新一代的嵌入 式微处理器本身所具备的网 络和人机交互的能力， 使得它有可能取代以 往基于微控制器的 控制方式， 特别是针对高性能、低功耗的实际现场应用，只需要采用基于微处理器的嵌入 式系统就可以实现所需要的功能，而且性价比高。 为适应工业控制现场的网络化发展需求， 本系统的最终目 标是实现设备上网功能。因 此， 根据本系统的功能和性能要求，以 及嵌入式处理器的发展状况， 并为后期扩展i n t e r n e t 功能，使设备能够上网提供方便，决定采用 a r m 系列嵌入式微处理器。a r m ( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) 嵌入式处理器是 一种高性能、 低功耗的3 2 位r i s c芯片，由 英国a r m公司设计。世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于a r m体系结构的通 用芯片， 或在其专用芯片上嵌入a r m的相关技术。 目 前， a r m微处理器己遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。a r m 微处理器目 前 有五个系列: a r m7 , a r m9 , a r m9 e , a r m1 0 和s e c u r c o r e ， 其中a r m7 最为广泛使用。 a r m7 是低功耗的3 2 位核， 最适用于对价位和功耗敏感的消费类应用， 具有嵌入式i c e - r t 逻辑、低功耗、能提供0 .9 mi p / mh 2 的三级流水线和冯. 诺依曼结构等特点。 2 、嵌入式操作系统6 1 0 1 1 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括 硬、软件系统)极为重要的组成部分， 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、 设备驱动接口、通信协议、图 形界面、 标准化浏览器等 b r o w s e r 。嵌入式操作系统具有通 用操作系统的基本特点，但在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以 及应用 的专用性等方面具有更为突出的特点。 实时多任务操作系统是指具有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。它能够 进行任务管理 ( 任务调度) 、任务间同步和通信 ( 信号量和邮箱) 、存储器优化管理 ( r o m 管理) 、实时时钟服务以及中断管理服务等，具有规模小、中断被屏蔽时间和中断处理时 河海大学工学硕士学位论文 第一章绪论 间短、任务切换快等优点。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系统而言，可抢 占型实时操作系统是指内核可以抢占正在运行的任务的c p u使用权， 并将使用权交给进入 就绪态的优先级更高的任务， 即内核抢了c p u让别的任务运行。 而不可抢占型实时操作系 统则使用某种算法决定让某个任务运行后， 把c p u的控制权完全交给了该任务， 直到它主 动将c p u控制权还回来。 因此， 可抢占 型实时 操作系统的实时性好， 优先级高的任务只要 具备了运行的条件，即任务进入了就绪态， 就可以 立即 运行。 也就是说，除了 优先级最高 的 任务， 其他任务在运行过程中都可能随时被比 它优先级高的任务中断，让后者先运行。 通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性。 目 前，嵌入式实时操作系统在嵌入式系统中的应用越来越广泛，尤其在功能复杂、系 统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式实时操作系统环境下开发实时应用程序的设计 和扩展变得非常容易，不需要大的改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干 独立的 任务模块， 使应用程序的设计过程大为 简化: 而且对实时性要求苛刻的事件都得到 了 快速、可靠的处理。 通过有效的系统服务，嵌入式实时操作系统使得系统资源得到更好 的利用。 因此，嵌入式控制器内嵌实时操作系统， 具有实时性、成本低、小型化、专用化和高 可靠性，克服了 传统的基于单片机控制系统功能不足和基于p c的控制系统非实时 性的 缺 点，在工业控制领域将具有广泛的应用前景。 3 、本系统的优越性 本课题使用嵌入式a r m微处理器和嵌入式实时操作系统进行系统开发，与原系统相 比，其优越性在于: ( 1 ) 采用3 2 位微处理器，其处理能力与速度大大超过单片机系统，接近p c机的水 平， 但体积更小; 且 其具有丰富的 硬件 接口 ， 如l c d , u s b , u a r t , 7 1 个通 用u o口 等， 为扩展提供了方便。 ( 2 )由于在终端机上扩展了 l c d ，提供了强大的图形用户界面，而且键盘响应也具 有很高的实时性， 可以完全满足信息的输入和对控制系统的千预等工作， 使数据采集系统 具有人性化的特点; ( 3 ) 采用源码公开、 可移植性强的 嵌 入式实时 操作 系统r c / o s - i i ， 利用它 进行系统 的任务管理、任务间的通信等，从而提高了系统的实时性、可靠性与稳定性; ( 4 )大部分保留原系统的功能，使之能与原系统兼容。 ( 5 ) 设计简单， 通用性好; 系统采用模块化的设计方法， 开放的用户程序接口( a p i ) 函数供用户直接调用使用， 且采用可移植性很强的高级语言c进行编写， 可读性强，简单 易懂。 基于ac/os-11的灌区水情远程测报系统研究 1 . 3 . 3本课题的主要内容 本课题利用嵌入式系统设计的理念，根据灌区水情测报系统的特点，以水情数据为研 究对象， 主要设计了一个嵌入式数据采集系统。 该系统通用性好， 可扩展性强， 可靠性高， 在实验范围之内， 基本上完成了系统的 特定功能。在硬件实现技术上，选用了接口 丰富、 处理能力极强的嵌入式a r m微处理器， 提升了系统的性能。在软件设计上采用了 嵌入式 实时 操作系统w c / o s - 1 1 0 p c / o s - 1 1 是 源码 公开、 可移植到 各 种目 标系 统中的 多 任务实时内 核，使用它可以 避免走以前编写线性程序的老路，从而能够直接在多任务内核下实现多任 务处理，提高了c p u的利用率， 保证了系统的实时性、稳定性与可靠性。 本论文以灌区的水位数据为研究对象，讨论如何用电话线实现对水情的实时监测和数 据的远程传输。其主要内容有以下几方面: ( 1 )系统的结构设计与分析 根据系统的主要功能要求和性能要求，划分系统 各功能模块;阐述流量测量原理与方法、远程数据采集方案的选择，以 及数据通信系统相 关内容的设计。 ( 2 )数据采集系统的具体设计 从系统的结构框图出发，介绍各部分功能模块 的具体实现，并给出相应的电路图和部分关键代码;软件上，结合嵌入式实时操作系统 g c / o s - 1 1 的 特点， 讨论 其 在a r m微处 理 器s 3 c 4 4 b o x 上的 移 植 过 程， 并 介绍 嵌 入式 应 用 程序的整个开发过程， 包括任务划分、 任务间调度和通信的实现、 开发调试的相关内 容等。 ( 3 ) 信息管理系统的软件设计 由于该部分功能较简单，且关键技术都较成熟， 本论文仅给出各模块的功能实现方法。 ( 4 ) 针对系统设计的不足进行改进，提出了系统的下二步设想，以期本系统的设计 和实现能够为类似的应用提供一个有益的参考。 河海大学工学硕士学位论文第二章系 统总体结构设计与 分析 第二章系统总体结构设计与分析 灌区水情远程测报系统是根据水利系统的规范和要求，充分利用数据采集技术、计算 机通信技术和数据库技术等实现水位数据的采集、传输和处理为一体的综合信息管理系 统， 是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。 下面以 河北省逐鹿县的实际为背景， 针对系统中所涉及的一些相关技术进行了详细的设计与分析. 2 . 1灌区水情远程测报系统概述 2 . 1 . 1系统的总体结构框图14 11 2 111 3 1 本课题是以河北省逐鹿县的实际为背景进行设计、 开发的。 河北逐鹿县共有4 个灌区， 且每个灌区距离县城都较远，要掌握各灌区的情况，把各灌区的水位、流量等数据及时准 确地传送到县水务局，需要建立一个星型的微机通信网 络，以解决数据的远程传输问 题。 显然，新建一个网 络是不经济的， 且对于 广大农村也不切实际.目 前公 用电 话网已 进入程 控交换时代， 技术成熟、 价格较低、 容量大、 覆盖面广。因此， 利用现有的公用电 话网 建 立微机通信网络， 是经济、方便的实现联网的方法。 整个系统的结构示意图如图2 . 1 所示: 一 1 图2 . 1灌区水情远程侧报系统结构示意图 由上图可知，该系统是由控制中心和若干个现场测控点组成。控制中心位于县城的水 务局内，主要工作是远程监视各测点的水位高度，控制各测点传输实时或历史数据，并进 .7 . 基于p c / o s - 1 1 的 灌区水情远程测报系统研究 行分析处理， 建立水情数据库，为灌区 进行水资 源调度提供基本数据和决策依据。 测控点 建于4 个灌区的枢纽位置上， 主要由 水位计、 数采仪和mo d e m三部分组成， 其中 数采仪 起主导作用。它主要实现对水位数据进行采集，并能接收控制中心命令或根据现场工作人 员的输入进行相应的操作。控制中心和现场测点均可对实时水位数据进行查询，以 便及时 对异常做出 处理。 控制中 心和现场测点 使用m o d e m通过公用交换电话网 相连， 从而实现 数据的远程传输。 2 . 1 . 2主要功能要求 根据以上的分析，灌区水情远程测报系统的主要功能如下: ( 1 ) 数采仪通过水位计实时采集灌区水位数据，自 动计算出与当前水位值相对应的流 量值，并每隔一定的时间 ( 考虑存储器容量的有限性)将这些数据按时间先后顺序存储起 来;也可根据现场工作人员的输入进行相应的操作，如实时数据的读取或显示; ( 2 ) 数采仪等待与控制中心建立连接， 并按照预先约定的 通信协议， 将水位流量数 据通过公用电话网上传给控制中心; ( 3 ) p c 机根据用户的 输入， 通过公 用电 话网控制测控点进行相应的操作: ( 4 ) p c机接收测点传送过来的数据，经过处理存放在数据库中，供日 后统计查询; ( 5 ) p c 机能够根据水利系统的习 惯以 报表、曲 线图 等多种方式进行查询。 为了实现这几项功能，在实际的设计开发中，可以 按照以下的功能模块进行设计: 图2 . 2系统主要功能模块图 由图2 .2 可知，本系统包含两大功能模块:测点数据采集系统和p c机信息管理系统。 测点数据采集系统按要求实时地或接受命令随机地采集水位数据以及按照一定的通信协 议传输数据: p c 机信息管理系统对接收到的数据进行处理存储， 以供分析查询使用。 这两 大功能模块又分别由几个子模块组成。在后面的章节中，笔者将按照这个框图，对几个主 要模块的设计进行详细介绍。 2 . 1 .3性能 要求。 111 2 111 4 1 水利是关系到国计民生的大事。一旦水情失控，不但会浪费宝贵的水资源，甚至会造 成财产和生命的重大损失。因此灌区水情远程测报系统对性能要求比较高。本设计主要考 河海大学工学硕士学位论文 第二章系统总体结构设计与分析 虑了系统的可靠性以及安全性。 水情数据对于水利部门来说非常重要， 除了用于数据查询外， 还用于水文分析、 结算， 以及决策辅助，因此，采集的数据要求准确可靠，且原始数据以及经过处理的统计数据均 需要长期保存，由于计算机系统本身并不可靠，因此需要采取措施，在系统出 现故障时或 者数据丢失时，能够恢复原有的数据。 提高系统可靠性可以从以 下两方面考虑:一是提高 系统设备的可靠性;二是从软件方面，如测量采用的方法、数据处理的算法设计等。在本 系统中，主要从芯片的选型、电路的设计、数据的冗余等方面来保证系统的可靠性。 而导致水情远程测报系统的不安全因素包括自 然的和人为的两类。自 然的因素主要指 测点处的地理条件和气候条件。测点所在的地方一般比 较偏远，条件差，对系统安全性的 影响表现为损坏设备、导致系统故障或不能工作。人为因素则包括操作人员、管理人员和 系统用户等。各类用户使用系统的权限不尽相同，因而必须健全对用户的管理。系统中的 数据在网络中传输时，也需要相应的安全保障措施。本系统采用了软硬件抗干扰技术以实 现系统的安全性. 2 . 2流量测量 2 .2 . 1流量测量的基本原理 1 、流t与 流量计算11 5 1 所谓流量，是指单位时间内 流经封闭管道或明渠有效截面的流体量，又称瞬时流量。 当流体量以 体积表示时称为体积流量;当 流体量以 质量表示时称为质量流量。 假设流体流过有效截面中的 某一 微小 面积为“， 流 速为， ， 且被测 流体的密 度为p ， 则流体流过该微小面积d a 的体积流量肉 ， 和质量流量d q . 分别为 d q , = v - d a 内。 = p 。以( 2 - 1 ) 而流体流过整个有效截面的体积流量4 ， 和质量流量可由 对截面面积积分求得: q = i v -d 4 q . = 工 ， ， “ ( 2 - 2 ) 如果有效截面上各点的流速是相等的，或能求出其流速平均值v ，则流量公式 ( 2 - 2 ) 可写成如下简单形式: q . =v . a 9 .二9- a ( 2 - 3 ) 基于p c / o s - 1 1 的 灌区水情远程测报系统研究 流量的计量单位是导出单位。 由流量公式 ( 2 - 3 ) 可导出体积流量的计量单位为立方米 / 秒( 耐/ s ) ; 质量 流 量的 计 量单 位为 千 克 / 秒( k g / s ) . 2 、流量测量的方法 测量流量的方法可归纳为两大类:一类是根据流量的定义进行直接测量的所谓直接 法，即在某一时间间隔内，用标定的容器盛接流过流体的体积或质量;另一类是通过测量 其它与流量相关的数据，经过一定的换算而得到流量值的所谓间接法。 在有压管路中测量流量的基本方法是在管路中装入特殊结构的部件，局部地改变水流 的压强和流速，然后通过压强的变化与流量之间的关系来确定流量。一般采用文杜里 ( v e n t u r i ) 流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声式流量计、孔板流量计 等。而对于河流或明渠中的具有自由 水面的水流，则是通过测量水位、压差、流速等来确 定流量。一般的方法为量水堰测量法、量水槽测量法、流速一 面积法及水位一 流量曲 线法。 在水利和农业的实际应用中，通常是采用水位一 流量曲线法。该方法是把流速一 面积法 测得的流量和水位画成曲线， 作出水位一 流量曲线后， 便只要通过测量水位， 就可求出流量。 2 .2 .2本系统的流量测量16 1 本系统所测流量是明渠中灌溉用水的 流量，属于大流量的测量，显然不可能用直接法 测量， 只能考虑间接法。目 前用于测量明渠流量的流量仪;其基本原理仍是量水堰测量法 或量水槽测量法。 这些方法的最大缺陷是要在河道或渠道里修建量水堰或量水槽，直接导 致了成本的增加。 一套超声波明渠流量仪的价格在2 万元以上，对于广大经济不发达的农 村来说，采用流量仪测流量是不符合实际的。 如前所述， 在生产实践中测量流量最常用的方法是水位一 流量曲线法。 河北省琢鹿县水 务局积累了多年的数据， 绘制了灌区渠道的水位一 流量曲线图， 为本系统采用此方法提供了 条件。这样，本系统只要采用价格相对便宜的水位传感器， 测出明渠中的水位，再通过水 位一 流量曲线图，便可得到相应的流量数据。 然而， 水位一 流量曲线图的曲 线不一定涵盖了整个水位值的有效范围， 因此必须用数学 的方法推算出曲线没有涵盖的部分的水位一 流量关系。 通常的方法是用最小二乘法拟合曲 线 法或用拉格朗日( l a g r a n g e ) 插值 法。 考 虑到 琢鹿县 水务局提 供的 部分水 位一 流量数据， 而 用最小二乘法拟合曲线时需要解线性方程组， 且计算过程中的舍入误差会严重影响解的 精 确性，所以 本系统考虑用拉格朗日 插值法。 拉格朗日 插值法是在函数分析和数值计算中， 根据给定函数的信息和要求，构造简单近似函数的一种方法。 设x o , x i ， ，x 。 是n + l 个 互 异的 数， y r = ax , ) y o , y i ， 一y . 其原理如下所述: 是相应的函数值 i = 0 , 1 , a , n 现欲在次数不高于n 的代数多项式集合中求多项式 河海大学工学硕士学位论文 第二章系统总体结构设计与分析 p ( x ) = a o + a , x + a + a x ( 2 - 4 ) 使其满 足条件p . ( x , ) = y i ，i = o , i ,a , n ( 2 - 5 ) 若令 p ( x ) = 艺i k ( x ) y k ( 2 - 6 ) 其 中 ，a (x ) 是 满 足 条 件、 (x i) 一 丁 一k 的 。 次 代 数 多 项 式 ， * 一 。 ， ， ， ， 。 。 显 然 ， 由 l u , t * k ( 2 - 6 ) 表示的p ( x ) 是次 数不超过n 的代数多项式，并且它满足插值条件 ( 2 - 5 ) 。由 于 1 , ( x , ) = 0 i o k ， 所以 i k ( x ) = a n ( x 一 x , ) ; 又 因 i k ( x k ) = 1 ， 可 知a - 一 一 上 一 - 。 于 i . 0 , i x k n( x 、 一 二 : ) i = o , e x k 是得到 代入 ( 2 - 6 ) , 1 k ( x ) 得p ( x ) i.o,irk x k - x i x一x k=0 , 1 ,， n( 2 - 7 ) 一 熟 奥 * -e ( jl x x , )y kk-o i.0jsk xk - xi ( 2 - 8 ) 则形如 ( 2 - 8 )的插值多项式就是拉格朗日 插值多项式。 当n =1 ，得只 ( x ) _尤一x , x 0一x , y o 十 x一x , x , 一x 0 ( 2 - 9 ) 它 是 满 足 插 值条 件p i ( x o ) = y p ( x ) = y 。 的 线 性 插 值多 项 式。 由于水务局提供的水位一 流量曲 线在很大范围内接近于直线， 所以 本系统采用拉格朗日 线性插值多项式 ( 式2 - 9 ) 来求出水位一 流量曲 线的解析表达式。以惠民北渠为例，管理处 提供了水位一 流量关系表 ( 表2 . 1 ) 和水位一 流量曲 线图 ( 图2 . 3 ) ， 运用拉格朗日 线性插值多 项式计算出水位一 流量数据 ( 见附录 b ) .然后， 把这些数据存入下位机中，形成一张数据 表。这样，当测得水位值后，就可以 用查表的方法求出流量数据。 表2 . 1水位一流量关系表 水位 ( m)流量 ( m 3 / s )水位 ( m)流量 ( m 3 / s ) 0 . 1 00 . 3 50 . 6 0 5 . 9 0 0 . 2 00 . 8 00 . 7 0 7 . 6 0 0 . 3 01 . 8 00 . 8 0 9 . 0 0 0 . 4 03 . 0 00 . 9 0 1 0 . 4 0 . 5 04 . 4 01 . 0 01 2 . 0 基于rc/os-1的 灌区水情远程测报系统研究 1 . 2 水位 ( 取 ) 0 . 8 流量 ( u 3 / s ) bd乃八u uiln 5 1 0 1 5 图2 .3水位一流量曲线图 2 . 3远程数据采集方案的选择 2 .3 . 1远程数据采集方式1 4 1 目 前，对于分布于多个测点的数据采集和远程监控，要获取数据一般有两种方式进行 通信， 一种是测点发起的通信，即由管理员事先对测点的终端机进行设置，由 终端机定时 或者在某些事件发生时， 就发起到中心站的连接，向中心站提交数据或报告事件的发生。 其优点就是对事件的响应及时， 这对于实时监控应用是非常适合的， 其缺点在于:如果通 信需要建立连接信道的话， 当测点较多时， 如果某些测点终端机同时向中心站发起连接( 在 终端机数目 较多时这种概率是较大的)的话，则会出现网络阻塞问题，显然效率不高。另 一种方式恰好相反，就是由中心站发起连接，而各个终端机均被动等待连接，一般是由中 心站每隔一定的时间，就对各个测点轮询一次进行数据采集，如果发现有异常事件出现， 就采取相应措施进行处理，当然， 在需要的时候，中心站也可马上与终端机连接并采集数 据. 这种集中 式的方法被广泛应用到各种数据采集应用中， 其优点及缺点和前述的由 终端 机的发起的连接恰好相反， 对于测点的事件响应不够及时，但是由于其集中式的特点， 管 理比较方便，如果不是对异常事件非常敏感的应用，一般可以 采取这种方式。 当然，也可以综合这两种方式，由中心站对各个测点连接进行定时的数据采集， 但是 在测点终端机检测到紧急情况时，也可以主动向中心站发起连接，报告事件的发生。 2 . 3 . 2本系统的远程数据采集 对本系统来说， 测点发生的紧急情况一般就是水位超限，这可以由 测点终端机自 行处 理，对于中心站来说，只要能够记录该事件即可。因而可以采用集中式采集方式，即中心 站根据用户的 输入操作连接测点终端机进行数据采集或读取， 而测点终端机则一直等待中 心站的连接。 中心站能够向终端机发送各种命令，并且终端机也应该可以识别这些命令并根据这些 命令进行相应操作，从而保证数据采集以及管理员的一些远程操作的顺利进行，采集的命 河海大学工学硕士学位论文第二章系统总体结构设计与分析