無(wú)線水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、第一章緒論1.1課題研究的背景和意義我國(guó)洪水災(zāi)害頻繁，給國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了重大損失。為增加洪水有效預(yù)見期，提高水文預(yù)報(bào)的精度，及時(shí)準(zhǔn)確地為防汛和水利水電調(diào)度提供科學(xué)的依據(jù)，20世紀(jì)70年代我國(guó)開始建設(shè)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。水位測(cè)報(bào)系統(tǒng)對(duì)充分發(fā)揮防汛減災(zāi)，合理利用水資源具有十分重要的意義。水情測(cè)量數(shù)據(jù)是重要的水文參數(shù)，水位測(cè)量的精度和實(shí)時(shí)性，直接影響到水庫(kù)防洪安全、發(fā)電灌溉等。我國(guó)水資源不平衡，幅員遼闊，地理環(huán)境復(fù)雜，地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，水位測(cè)量工作仍存在一些困難。在大型發(fā)電站、重要水文站水位測(cè)量技術(shù)相對(duì)先進(jìn)一些，而普通的報(bào)汛站和水

2、文監(jiān)測(cè)站的測(cè)量技術(shù)仍處于比較落后的狀態(tài)，水文站測(cè)洪能力不適應(yīng)監(jiān)測(cè)大規(guī)模洪水的要求。至90年代初，我國(guó)很多地方水文測(cè)報(bào)設(shè)施經(jīng)過(guò)幾十年的運(yùn)行，大多處于陳舊老化的報(bào)廢狀態(tài)，出現(xiàn)了設(shè)施破爛不堪、難以承擔(dān)日常水文測(cè)報(bào)工作的局面。近年來(lái)，在國(guó)家計(jì)委和水利部的關(guān)心下，我國(guó)水文建設(shè)項(xiàng)目增多，建設(shè)步伐加快，使得水文測(cè)報(bào)設(shè)施破舊落后的狀況得以改善。但距離水文工作現(xiàn)代化還有很大的距離。在新形勢(shì)下，水位檢測(cè)要求穩(wěn)定和準(zhǔn)確，傳感器必須準(zhǔn)確的檢測(cè)到水位信息，并通過(guò)變送器把水位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤的呈現(xiàn)給觀測(cè)人員。因此傳感器能否準(zhǔn)確地檢測(cè)水位、穩(wěn)定運(yùn)行就成為了關(guān)鍵。1.

3、水位監(jiān)測(cè)的基本發(fā)展情況有些國(guó)家水位監(jiān)測(cè)技術(shù)依然處于比較落后的狀態(tài)，在很多地區(qū)的河流、湖泊或水庫(kù)，還在使用比較落后的監(jiān)測(cè)設(shè)備，有些地方還在通過(guò)人工采集水文數(shù)據(jù)，這顯然不能滿足現(xiàn)代化水位監(jiān)測(cè)的要求。水文監(jiān)測(cè)有它特定的應(yīng)用背景，一般都在比較偏僻的區(qū)域，這使得很難通過(guò)架設(shè)有線來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸，在這種情況下，使用無(wú)線通信是一種很好的選擇。當(dāng)前使用的GPRS、GSM、微波和數(shù)傳電臺(tái)等都有一定范圍的使用，但它們都有其適用的局限性。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概念的提出，以及水文監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的需求，ZigBee技術(shù)在水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能，并具有其它幾種無(wú)

4、線技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)。2.國(guó)外水位監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代后期，隨著微型計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展水位監(jiān)測(cè)技術(shù)有了較快的發(fā)展。1976年美國(guó)SM公司與美國(guó)氣象局合作研制的一套水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。80年代以來(lái)，由于遙控設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸方式和微機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，水位監(jiān)測(cè)和防洪調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)在全世界得到廣泛的應(yīng)用。90年代以后，國(guó)際上多家公司退出了功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的產(chǎn)品，在水利水電、氣象等領(lǐng)域都適時(shí)得到應(yīng)用。在國(guó)外，美國(guó)和日本是較早開始水文自動(dòng)化技術(shù)研究的國(guó)家。美國(guó)既是工業(yè)先進(jìn)、通訊、交通網(wǎng)非常發(fā)達(dá)的國(guó)家，又是幅員廣大、人口密度不

5、均的國(guó)家。因此各種制式、各種通信方式的測(cè)報(bào)系統(tǒng)均比較發(fā)達(dá)。其中自報(bào)式超短波系統(tǒng)、衛(wèi)星平臺(tái)獲得廣泛的應(yīng)用，而且美國(guó)是大面積使用流星余跡通信進(jìn)行水文遙測(cè)的唯一國(guó)家。使用衛(wèi)星的系統(tǒng)如極軌衛(wèi)星環(huán)境數(shù)據(jù)(包括水文數(shù)據(jù))收集系統(tǒng)ARGos系統(tǒng)，及大量氣象同步衛(wèi)星平臺(tái)，均可進(jìn)行水文數(shù)據(jù)傳輸。近年美國(guó)的suTRON公司被美國(guó)海洋和大氣局(NOAA)授權(quán)研制下一代水位測(cè)量系統(tǒng)州GwLMs)。該系統(tǒng)將會(huì)集成目前的海平面及大流域測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，用最先進(jìn)的傳感器，衛(wèi)星傳輸手段，集中數(shù)據(jù)處理及接收。日本在37萬(wàn)kmZ的國(guó)土面積上，建有26個(gè)雷達(dá)雨量站，2500個(gè)地

6、面雨量站和2100個(gè)水位站，觀測(cè)范圍覆蓋整個(gè)日本。這些測(cè)站采用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，數(shù)據(jù)通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)焦な率聞?wù)所，收集全國(guó)的水文信息僅用10分鐘，且每小時(shí)更換一次信息，事務(wù)所也可以通過(guò)監(jiān)視器察看測(cè)站的運(yùn)行情況。所有測(cè)站均實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成化和綜合程度比較高。對(duì)于水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)和研制，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家始終處于領(lǐng)先地位，其特點(diǎn)是:系統(tǒng)發(fā)展比較完善，傳感器測(cè)報(bào)設(shè)備先進(jìn)可靠;通信方式多樣化且十分先進(jìn);分析預(yù)報(bào)技術(shù)成熟并積極采用各種先進(jìn)的技術(shù)。在監(jiān)測(cè)設(shè)備方面，國(guó)外的數(shù)據(jù)采集終端除了具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、處理和傳輸這些基本功能外，在

7、傳感器集成、多參數(shù)采集、監(jiān)測(cè)設(shè)備智能化方面技術(shù)也比較成熟。3.國(guó)內(nèi)水位監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)包括三個(gè)階段:初級(jí)階段、發(fā)展階段和網(wǎng)絡(luò)化階段。二十世紀(jì)七十年代中期開始到八十年代中期為初級(jí)階段。水文信息化從1980年開始，起步于信息源的處理。八十年代中后期開始的十余年為發(fā)展期。九十年代后期，為適應(yīng)防汛和水利調(diào)度現(xiàn)代化、信息化的要求，以及近代通信、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代特點(diǎn)，水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)入了網(wǎng)絡(luò)化階段。2001年，水利部印發(fā)了《全國(guó)水利信息化規(guī)劃綱要》，提出了全國(guó)水利信息化的發(fā)展思路。在水利系統(tǒng)的信息化工作中

8、，防汛信息系統(tǒng)建設(shè)起到了先鋒帶頭作用。目前，從水利部機(jī)關(guān)到各流域、各省市實(shí)現(xiàn)了水情、雨情信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實(shí)現(xiàn)了信息的自動(dòng)化接收、處理和分析。在國(guó)家防汛指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)中，提出了在全國(guó)將建立224個(gè)水情分中心、228個(gè)雨情分