基于3G的城市积水监测系统研究毕业设计.docx
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基于3G的城市积水监测系统研究毕业设计
基于3G的城市积水监测系统研究
基于3G的城市积水监测系统研究
摘要
城市积水智能监测系统主要为城市道路、地面、隧道、立交桥等容易积水的场合提供预警服务。
系统主要由数据中心以及分布在各处的监测站组成。
其中：
监测站由基于嵌入式系统的积水监测仪、电子水位计、温湿度传感器、雨量传感器、视频摄像机等设备监测各个积水点的水文、气象数据，可以完成积水深度、温度、湿度、雨量等数据采集以及视频图像、图片信息的采集，并通过3G无线通信方式上传至数据中心。
数据中心通过相关的软件，接收并处理由监测站发来的数据，将处理的数据信息在第一时间分发给相关部门，并根据具体情况及时发布预警信息。
系统要求实现的功能包括：
实时或定时收集各监测站的水深、温度、湿度、雨量、视频等数据；动态监测并显示各监测站的水深、温度、湿度、雨量等信息；预告水情突发情况，通过网络、短信以及监测站的显示屏发布应急方案；编辑、播发公共信息、政策法规、公益广告以及商业广告等。
本系统的研究成果可以作为城市应急指挥的重要依据，并为城管、交通等部门提供决策支持。
关键词：
3G；监测系统；嵌入式系统；数据库；
3G-BASEDMONITORINGSYSTEMFORURBANWATER
Abstract
Citywatermaincityroadsintelligentmonitoringsystem,ground,tunnels,overpassesandsoeasytoprovideearlywarningofwaterservicesfortheoccasion.Systemconsistsofdatacentersandstationsdistributedthroughoutthecomposition.Where:
Stationsofhydrological,meteorologicaldatabasedonembeddedsystemwatermonitor,electronicwaterlevel,temperatureandhumiditysensors,rainsensors,videocamerasandotherequipmenttomonitoreachwaterpoint,youcancompletethewaterdepth,temperature,humidity,rainfallandotherdatacollectionandcapturevideoimages,pictures,information,andcommunicationvia3Gwirelessuploadtothedatacenter.
DataCenterviatherelevantsoftware,receivesandsenttothemonitoringstationdata,theinformationwillbetreatedinthefirsttimecirculatedtotherelevantdepartments,andtimelydisseminationofearlywarninginformationdependingonthecircumstances.
Systemrequirementsimplementedfeaturesinclude:
real-timeorscheduledmonitoringstationstocollectwaterdepth,temperature,humidity,rainfall,videoandotherdata;dynamicmonitoringanddisplayallstationswaterdepth,temperature,humidity,rainfallandotherinformation;noticeregimenburstcase,throughthenetwork,SMSandstationdisplaypublishcontingencyplans;editing,broadcastpublicinformation,policiesandregulations,publicserviceadvertisingandcommercialadvertising.
Resultsofthissystemcanbeusedasanimportantbasisforthecity'semergencycommandandprovidedecisionsupportforurbanmanagement,transportationandothersectors.
Keyword:
3G；Monitoringsystem；EmbededSystems；Database；
前言
城市的发展必然带来道路的建设，随着我国经济的不断繁荣，大中城市的建设也在突飞猛进地高速发展，城市圈也在已经不断扩大。
为了缓解交通压力和保证出行的畅通，许多城市建设了不少的立交桥和下穿隧道。
近年来，降雨导致一些低洼路段有积水情况发生，随着一次次的强降雨突发降雨的到来使得此情况有愈演愈烈的趋势。
在我国多雨的南方大部分地区，积水有时竟然高达一米以上，且长时间不能及时排走，给人们的出行带来了很大的不便，严重时竟引发行人的死亡和失踪事件……尤其是2012年7月21日北京市区内的大暴雨，更是将这一情况反应到了每位市民面前，城市内涝已经成为了一个迫在眉睫必须解决的问题。
这些情况已经引起了广大政府职能部门的强烈关注：
一方面要积极修建完善并管理好排水设施，另一方面建设城市道路积水监测系统。
该系统的建设极为必要，它即可以为决策机构的领导提供道路积水的实时信息，也为市政排水调度管理机构提供支持，还能准确的指导市民的正常出行。
第1章绪论
1.1积水监测的现状
1.1.1国内研究现状
1998年天津气象科研所与中国水利水电科学研究院减灾中心合作，吸取了原有城市内涝的模型，加入新的技术研发出了新型的仿真模型。
这是气象与水利在此领域的初次合作，是国内首次将地面积水模型与城市内的管道模型相结合的一次重大的突破，这项技术将天气信息与雨量信息同步带入仿真模型中，使该模型具备了一定的沥涝动态监测预报能力，在国内开创先河，在国际社会也造成了广大的影响。
自2000年起一些基于GIS的积水研究技术得到了应用，譬如万洪涛等讨论了基于GIS支持下在洪水模型自动建立步骤的研究，并实际将次技术运用在了黄河中下游的一段河段内，利用地形，水文等条件，通过自动生成的网络空间拓扑结构初步建立了洪水过程数值模拟模型，并详细解释了计算机数据网格的计算方法。
在对城市排水系统产汇流特性分析的基础上，徐向阳等在2002年提出通过采用水文学与水力学相结合的途径成功建立了城市地面积水数字模型的猜想。
该模型能够可靠地模拟暴雨造成水面积水的一些技术参数的变化情况，利用GIS动态功能演绎水量的涨消过程，为制定防洪救灾工作找到了重点的突进方案，合理的利用好有限的人力资源真正的将工作与效率工作。
2005年刘翔在上海市徐汇区通过采用MapX动态模拟区域内各排水区和街区的地面积水过程，并借助GIS将此过程进行可视化模拟。
1.1.2国外研究现状
发达国家城市化现象出现较早，因此城市水涝灾害综合防治对策的研究也起步较早。
美国在二十世纪六十年代就由美国环境保护局发起，梅特卡夫一埃迪公司、佛罗里达大学、美国水资源公司等3个单位联合研制了基于信息高速公路的GIS水涝灾害风险分析系统，该系统主要用于更新信息和采用一些手段，从而提高模型计算能力，是目前发展的主流方向。
由于特殊的气候条件，日本对于城市防洪防汛特别的关注，其中最具有代表的是日本建设省土木研究所在历次逐年的经验累积上建立的城市水灾害系统分析模型。
该系统拥有好几种的模型结构如：
城市化发展模型、降水频率周期分析模型、暴雨汇流模型、河道洪水演化进击模型、洪水泛滥模型、损失资产评估模型、损失原因分析模型等。
近年来，日本也加强了将GIS技术与洪水灾害数值模型相对应的研究。
1.23G技术的研究
1.2.13G的含义以及发展经历
3G是英文3rdGeneration的缩写，指在前二代移动技术之后的下一代移动通信技术。
3G实际上就是一个宽带的无线网络。
相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G），第三代手机一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。
为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内2Mbps（兆字节/每秒）、室外384kbps（千字节/每秒）和行车144kbps的传输速度。
国际电信联盟ITU（在1990年就提出3G的概念，称为IMT-2000标准。
到了1998年，15个关于IMT-2000的技术标准建议案被ITU接受，其中关于卫星的方案有6个，建立在地面的基站的方案有9个，由此地面与天空的技术的争斗拉开了帷幕。
而地面基站建议案中，如果要采用多任务接取技术的项目其中有八种必须采用CDMA相关技术，所以CDMA成为IMT-2000标准的主流。
一直到了1999年11月，从在所有建议案中选出了WCDMA、cdma2000、UTRATDD、EDGE这四项技术作为标准。
IS-136的升级版本之后就是EDGE，UTRATDD再到后面演变成了TD-SCDMA。
就此确定3G的标准演变。
1.2.23G的特点
由于3G网络有容量大与速率高的特性，因此3G运营商所提供的资讯类业务摆脱了2G时代简单的纯文字内容，更多地是通过视频、音频来实时交互性传达资讯的主要内容。
3G拥有涵盖范围广、语音通讯与高移动性等优点
1.2.33G的业务分类
3G业务依据不同的层次可以分为不同的种类：
按照运营网络传输的内容来划分，可以分为两类业务分别为语音业务与数据业务，其中详细的又包括通话业务、视图成像业务、视频分享业务、图片业务;按照面向用户需求的业务划分，可以分为通信需求类业务、资讯接受类业务、娱乐功能类业务及互联网浏览业务。
1.2.43G与2G的对比
3G代表的是指在前二代移动技术之后的下一代移动通信技术。
3G系统是为了用户提供更好的语音、文本和数据等服务而逐渐发展起来的。
相较于现有的通信方面取得的成果，3G技术在如下方面进行了提高：
首先是对系统容量的增加。
其次在通信质量和数据传输速率方面也提高了一大截。
另外利用无缝漫游技术将无线通信系统和Internet连接起来，从而使移动用户终端能够接受到更好的服务。
3G与2G的关键技术的区别是在数据传输速度上的提升，它能够在全球的大背景条件下更好地享受无线漫游，更加完美的处理图像，音乐等。
提供包括网页的访问、电话视频会议、电子商务等多种信息服务，同时也与已有第二代系统的良好兼容。
为了提供这种服务，无线网络对于不同的数据传输速度必须可以支持，也就是说在各个场合下对于传输速率有相应要求的标准值，只有在标准值附近才能够实现所能提供的服务。
1.2.5中国3G三种制式
中国现有的3G制式如图1-1所示：
图1-1中国3G的制式
1.3LTE无线通信技术
1.3.1LTE的含义以及研究方向
LTE的英文全称是LongTermEvolution。
LTE也被人们称为3.9G，它具有最高100Mbps的数据下载能力，是3G向4G演进产生的主流技术。
LTE的研究，包含了一些共知很重要的部分的改进，如减少等待时间、用户数据速率的更加快速、系统容量的改善和覆盖范围的扩大以及运营成本的降低。
（LTE）项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，这种技术可以被看作“准4G”技术是因为以OFDM/FDMA为核心。
3GPPLTE项目的主要性能目标包括：
在20MHz频谱带宽的前提下能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率的服务；对于边缘的用户性能提供了改善；提高了系统的容量；系统的延迟被降低，对于用户平面内部单向传输速率时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态唤醒时间会低于50ms，从睡眠状态到唤醒状态的激发时间将会小于100ms；在覆盖100千米半径的情况下可以支持；能够为速度为350Km/h的移动用户提供大于100kbps的接入服务；该技术支持耦合频谱出现，并对于1.25MHz到20MHz多种带宽可以灵活配置。
与3G相互对比，LTE无线通信在技术上更具有优势，此优势具体体现在高速数据传输速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容的特性上。
1.3.2LTE具有的技术特征
提高了通信速率，下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。
提高了频谱的传输效率，下行的链路为5（bit/s）/Hz是R6版本的HSDPA的的3-4倍;上行的链路为2.5（bit/s）/Hz是R6版本HSU-PA的2--3倍。
主要目标为分组域业务，系统将基于分组交换在整体架构上。
QoS保证实时业务（如VoIP）的服务质量利用严格的系统设计和QoS机制。
系统部署灵活，能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽，并支持“对称”和“非对称”的频谱分配。
确保了系统部署在将来的演化上有灵活性的优势。
降低了无线网络在时间上的延迟：
子帧长度0.5ms和0.675ms，解决了向下兼容的问题。
增加了小区边界比特传输速率，在目前维持基站数目不变通过提高边界速率来使小区的bit速率提高。
支持已经存在的3G系统和非3GPP规范系统的一起协调运作，强调向下的内容。
1.3.3LTE网络结构
LTE是单层结构由NodeB构成。
LTE的架构由3GPP初步确定，也叫演进型结构。
接入网主要由演进型和接入
网关两部分构成。
AGW是边界节点中的一个，假设将它看做组成核心网的一部分，则接入网主要由eNodeB一层构成。
ENodeB包含原来NodeB的一切功能，并在此基础上取得进步。
两者之间将采用网格方式直接互连，这也是在在原有UTRAN结构的重大突破。
1.4IOCP技术
1.4.1IOCP的含义
IOCP：
I/OCompletionPort，即I/O完成端口。
IOCP是一个异步I/O的API，它可以将I/O事件高效地通知给应用程序。
与使用select（）或是其它异步方法不同的是，一个套接字[socket]与一个完成端口关联了起来，然后正常的Winsock操作就可继续进行了。
当发生一个事件的时候，此端口就被系统默认的加入到一个队列中区。
然后应用程序可以查询核心层来得到此完成端口。
1.5系统的优势
本项目产品需要实时处理多个任务，譬如同时采集并处理来自100个监测站的实时积水信息等。
因此，作为完整的嵌入式应用系统，还包括多种外围设备支持，如键盘、显示装置、通信接口等，这些外围设备作为各个任务可利用的资源，操作系统必须对这些资源进行合理的调度和管理，以保证系统中各个任务在执行过程中获得足够的资源。
实时性特征是嵌入式实时多任务操作系统的主要特征之一，也是我们放弃传统前后台程序而引入操作系统的首要原因。
实时性作为系统的主要性能指标是本研究项目产品所必须达到的要求。
“实”在这里的含义是计算系统在环境事件变化时,系统根据环境的变化而做出的反映。
这种反映要及时地根据外界的变化而变化,而不一定是尽可能的快。
所以实时的思想更多的体现为及时而绝非简单理解为尽快。
在整个系统运行的过程中，要并发的执行多个任务，用任务执行快慢作为评估系统性能的指标是不科学的，每个任务均在其预先期望的时间限内完成或及时的做出响应，就应该认为系统具有很好的实时性或满足了实时性要求
本研究项目完全不同与其他类似的应用，由于采用了完成端口进行重叠I/O的技术应用，因此很方便地在Windows平台上开发出了支持大量连接的网络服务程序。
1.6主要研究内容
整个系统大致可以分为3个部分
第一部分：
监测站
监测站由水位计、温湿度传感器、雨量传感器、视频摄像、降水监测仪等构成
第二部分：
中心站
中心站由接收和发布服务器、打印机、工作站等组成
第三部分：
发布站
发布站主要由一些客户终端与中心数据库相连可以用来发布一些情况
最终该系统要能实现如下功能
1、实时或定时收集各监测站的水深、温度、湿度、雨量、视频等数据
2、动态监测并显示各监测站的水深、温度、湿度、雨量等信息
3、预告水情突发情况，通过网络、短信以及监测站的显示屏发布应急方案
4、编辑、播发公共信息、政策法规、公益广告以及商业广告
5、历史数据保存、处理以及分析
6、三维实景电子地图动态显示各监测点的所有信息
系统的总设计方案如图1-2所示：
图1-2系统的总逻辑结构设计方案
下图1-3为系统实物模型结构
图1-3系统实物模型结构
图1-4为中心数据库的实物背景图
图1-4中心数据库实物背景图
1.7本章小结
本章主要介绍该课题的研究背景及意义，总结国内外对于该相关系统的研究现状、水平及存在的问题，列举其中的典型进行阐述。
总结了研究本课题的目的和意义，并说明其在实际生活中的应用。
此外，还分析了课题设计的总体规划工作，总体介绍该课题的设计的设计方法和设计思路，列举了其中所需要的一些重要技术。
第2章数据库与WEB服务器
2.1数据库
2.1.1数据库的定义
数据库可以视为简单的存储电子文件的处所，用户可以对数据进行增加、删除、更新等一系列的操作。
数据库是指能以一定方式能为各个用户所共享、尽可能减小冗余度与应用程序彼此独立的数据集合所存储在一起而生成的
在日常的生活管理中，我们常常需要把这些相关的数据归总到一起放在这样的“仓库”并根据管理所需对数据进行相应的处理。
例如，一些企业需要给自己的单位职工做一个基本情况的统计表（职工编号、姓名、年龄、籍贯、工资等）。
这张统计表就可以建成一个数据库。
因为有了这个系统的仓库，我们就可以随时调用查看每个职工的基本情况，也可以对于某个工资范围内职工人数的统计等。
如果这些工作都能在计算机上得到实现，那么就意味着我们的人事管理水平又进了一大步。
此外，在财务管理、仓储管理、生产管理中也可以建立类似的“数据库”使得可以通过计算机使得仓库、财务、生产的自动化进行管理。
数据库是依照某种数据模型组织起来并存放二级存储器中的数据集合。
这种数据集合具有如下特点：
尽可能不重复，以最优方式为某个特定组织的多种应用服务，其数据结构独立于使用它的应用程序，对数据的增加、删除、改正和检索由软件统一进行管理和控制。
从历史的发展趋势来分析，数据库多对应的是数据管理的高级阶段，它是由文件管理系统经过演化慢慢发展起来的。
一个企业单位或是一个应用领域所通用数据处理系统就被称为数据库，它是属于企业和事业单位、团体或者个人的有关数据存储的集合的产物。
在全局观点上来建立数据库中的数据集合，按固有的数据参考模型进行添加、修改和存储。
数据之间的自然联系会产生结构，从而可提供一切有效的存取路径，数据不再仅仅针对某一方面的应用，而是更加广泛具有完整的数据结构类型
何为数据共享就是指数据库中存在的数据可以被查询该数据库的用户都可以使用，这些数据没有像具体程序那样受到限制。
任何的用户可以按各自的需要按照一定的条件对数据库中的数据进行查询使用，但是并不具备修改的权限只有管理员才能修改；多个用户可以同时共享数据库中现有的数据资源，即任何可以再用一时间存取数据库中的相同数据。
数据共享满足了各用户对信息内容的要求。
2.1.2数据库的主要特点
⑴数据共享数据共享是指任何用户都有有对数据库中的数据同时存取的权利，也包括用户可以数据共享，利用各种方式通过接口来利用数据库。
⑵减少数据冗余相较于文件系统，数据库拥有数据共享的功能，从而减少了用户需要为各自需求建立应用文件的麻烦。
删减了大量重复数据，减少了冗余的数据，使得数据具有一致性。
⑶数据具有独立性数据的独立性包括逻辑上的独立（数据库中数据库的逻辑结构和应用程序相互独立）和物理上的独立（数据物理结构的变化不影响数据的逻辑结构）。
⑷数据实现集中控制文件管理方式中，数据处于一种分散的状态，不同的用户或同一用户在不同处理中其文件之间毫无关系。
利用数据库可对数据进行集中控制和管理，并通过数据模型表示各种数据的组织以及数据间的联系。
⑸数据一致性和可维护性，以确保数据的安全性和可靠性。
主要包括：
①安全性控制：
以防止数据丢失、错误更新和越权使用；②完整性控制：
保证了数据的正确有效和相互包容的特性；③并发控制：
使在同一时间周期内，允许对数据实现多路存取，又能防止用户之间的不正常交互作用。
⑹故障的修复数据库系统为管理提供一种方案，可及时发现并修复故障，从而防止数据流被破坏。
数据库系统能尽快把数据库系统恢复到运行时出现的故障之前，判断可能是物理上或是逻辑上的错误从而进行修复。
2.1.3数据库的类型和发展历史
IBM的DB2该关系数据库领域的开拓者和领航人，在1977年IBM完成了SystemR系统的原型，从1980年开始提供集成的数据库服务器——System/38，随后是SQL/DSforVSE和VM，其初始版本与SystemR研究原型密切相关。
在1983年推出DB2forMVSV1。
该版本的目标是提供这一新方案简单性的承诺，数据的不相关性和用户生产率的低下。
1988年DB2forMVS对在线事务处理（OLTP）提供了强大的支持，1989年和1993年分别以远程工作单元和分布式工作单元从而实现了支持分布式数据库的功能。
最近推出的DB2UniversalDatabase6.1则是通用数据库的典范，是第一个多媒体关系数据库管理系统且支持上网功能，支持包括Linux在内的一系列平台。
OracleOracle的前身叫做SDL，在1977由LarryEllison和另两个编程人员创办，他们在市场上大量销售自己开发的拳头产品，1979年，Oracle公司引入了第一个商用SQL关系数据库管理系统。
所以Oracle公司是最早开发关系数据库的厂商之一，其产品支持最广泛的操作系统平台。
目前Oracle关系数据库产品的市场占有很高的份额。
InformixInformix在1980年成立，它的成立是为Unix等开放操作系统提供专业的关系型数据库产品。
公司的名称Informix便是Information和Unix的结合而产生的。
Informix真正支持SQL语言的第一个产品是InformixSE（StandardEngine）。
InformixSE是在当时的微机Unix环境下主要的数据库类型具有商业价值的产品。
它也是被移植到Linux上的商业数据库产品的龙头
Sybase在1984年Sybase公司成立，公司名称“Sybase”取自“system”和“database”。
Sybase公司的开办人之一的BobEpstein是Ingres大学版首席设计师。
该公司在1987年5月推出的第一个关系数据库产品是SybaseSQLServer1.0。
Sybase首先提出Client/Server的数据库结构，并率先在SybaseSQLServer中得到实现。
SQLServer在1987年，微
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