(1)数据采集。就数据采集工作而言，以往的数据采集方式主要是通过对纸质数据的扫描而得到数据信息资料。而GIS技术支持下的数据采集方式则是通过GPS利用全球定位系统，对地理坐标进行定位，得出相关数据，并对这些数据进行整理、分析。最后利用遥感技术完成所有数据采集所需程序的设计任务。(2)数据处理。就工程测绘而言，各种地理信息数据的处理一般都具有时间特征、空间特征及属性特征。就这些特征而言，按照所涉及到的数据对象可将其分为主观数据对象和客观数据对象。地理信息系统将所搜集到的数据信息直接存储FAT表内，然后通过各数据间的关联性对数据进行处理。(3)数据管理。利用GIS技术建立核心测绘要素集实现了对地理信息数据的分层化管理，使数据信息管理更加的合理化;此外，利用GIS技术对数据库管理系统管线要素集建立，实现了工程测绘工作开展的合理性和科学性。(4)数据显示。通常来讲，对于地理信息系统中的地图特征表达，可通过采用单一地图、符号等多种表达方法来完成。针对工程测绘工作而言，通常单一的符号表达法只能表现出地图上信息分布情况。比如在城市测绘工作中可通过点对居民居住情况进行描述，利用线条将城市内道路的实际分布情况描述出来;也可利用不同的颜色将城市内的道路交通实际情况描述出来，使得城市道路和交通信息比较清晰地以数据的形式表现出来。
2GPS在工程测绘中的应用
2．1GPS技术特点和测量原理(1)技术特点。GPS技术的主要特点是定位精度高，对观测对象进行观测所需时间短，各个观测站间不需要通视并提供三维空间坐标。相比地理信息系统中的其他技术在工程测绘中的应用效果来言，在提高工程测绘精准度方面有着显著的优势特点。(2)测量原理。地理信息系统中的GPS测绘技术在工程测绘中的测量原理主要是运用伪距离测量和载波相位测量方式对被测量对象进行相关信息测量和搜集。就伪距离测量来讲，其测量原理具体为:利用接收机接收GPS卫星测距码和电文信息，然后计算信号从发射到用户接受所需要时间，最后计算出卫星同接收机间的距离;载波相位测量原理是通过对GPS卫星载波信号在传播路径上的相位变化来计算相关信号传播距离。
关键词：水情自动测报系统;北斗卫星;通信技术;监控中心
中图分类号：C35文献标识码：A
1北斗卫星通信系统特点及建设目标
北斗卫星通信系统凭借自身特点，解决了卫星测报系统存在的缺陷，能满足水情自动测报的需求。北斗卫星通信系统具有速度快、支持多用户等特点，与水情自动测报系统所要求的特性正好可以吻合。它的短通信功能完全符合短数据、大容量信息传输的要求，受雨衰引起的损耗及噪声的影响都非常小。
工程项目水情、墒情测报系统是一个水情、墒情数据自动采集、传输、接收处理及时的实时测报系统，其系统功能应符合水利部《水文自动测报系统规范》(以下简称规范)的要求，功能如下：系统在暴雨、洪水等恶劣条件下也能够进行工作，设备可靠性要达到设计要求。系统中各设备应符合结构简单、可靠、低耗的原则，并要有防雷措施，遥测站要在无人的条件下工作。遥测站能在环境温度C10~45℃及相对湿度90%。遥测站能自动采集实时水情数据并自动定时将水情、流量、墒情数据发送至中心站，数据精度应满足《规范》要求。中心站后台微机实时接收水情、流量、墒情数据，并对这些数据进行检索、修改、显示、打印。当电网断电时，数据处理设备仍能连续工作4h以上
2基于北斗卫星通信技术的水情自动测报系统
基于北斗卫星通信技术的水情自动测报系统由北斗卫星水情自动测报站、北斗卫星通信链路和监控中心组成。
2.1北斗卫星水情自动测报站
北斗卫星水情自动测报站由北斗通信模块、遥测终端机、前端传感器、电源等组成。北斗卫星水情自动测报站与监控中心采取点对点方式传输，定时向监控中心发送位置信息，在紧急情况下及时的向监控中心发送水情数据。
2.1.1北斗通信模块
北斗通信模块选用北斗卫星用户终端。用户终端天线设备和主机设备体积都很小，操作方便，安装维护也简便易行。用户终端整机功耗小，其发射机理为瞬间突发，使终端的功率消耗得到有效地控制，对工作环境恶劣的野外测站而言具有很好的实用性。
2.1.2遥测终端机
遥测终端机可连接多种传感器，支持多种通信方式，如北斗卫星、GSM/GPRS等。保证在无人值守情况下长期稳定地运行。灵活配置的模块化结构能适应各种不同的需求，为各级部门的防汛决策提供了及时、有效的水情信息。
2.1.3前端传感器
前端传感器包括水位传感器、雨量传感器、流量传感器、水质传感器等各种传感器。
2.1.4电源
电源采用密封免维护蓄电池，选用太阳能板浮充。水情自动测报站的遥测终端机具备一个可控的电源输出，可控制蓄电池电压的输出与切断。遥测终端机在野外采用蓄电池、太阳能板充电。为减少遥测站的功耗，在发送完数据后，将切断卫星用户终端的电源。仅在满足发射条件的情况下开启，并发送数据。由于采用了节省功耗的工作模式，可以满足全年7@24h不间断供电的要求。
2.2北斗卫星通信链路
北斗卫星通信链路由北斗卫星、北斗卫星网管中心组成。主要功能是将对所有水情自动测报站发送的水情数据进行备份，可登录到北斗网管中心下载相应的水情数据。
2.3北斗卫星监控中心
北斗卫星监控中心由卫星指挥型终端、数据接收服务器、数据应用服务器、水情数据库等组成。监控中心是系统数据的汇合点和控制中心，具有控制系统运行方式与过程的功能。
2.3.1卫星接收终端
北斗卫星指挥型终端除了具有普通用户机功能外，同时监收下辖用户机的定位和通信信息，并可以向下属用户机发送通播信息。特有功能如下：(1)兼收功能。可同时兼收500个用户，包括用户的所有通信及定位情况。（2）内置电池。内置大容量锂电池，在断电情况下仍可持续使用，保证指挥机运行稳定。（3）大数据处理能力。指挥机硬件配置高，采用高性能处理单元，处理能力远远高于普通终端，可同时处理100多条数据。（4）全信道锁定。可以同时锁定北斗系统全部6个信道，普通终端只能锁定2个。全信道锁定可大大增强通信的成功率，保证在任何一个信道上的数据都可接收至指挥机。（5）通播功能。可向下辖用户发送通播信息，发送一条通播数据后所有下辖都可以同时接收。
2.3.2数据接收服务器
数据接收服务器从2个信道进行接收。第1信道:互联网。数据通过互联网进行传输，数据接收服务器通过TCP/IP协议和北斗网管中心建立稳定连接，实时接收野外站点传输的数据。第2信道：卫星系统。通过北斗卫星系统实时地将数据发送到数据接收服务器，数据接收服务器通过RS232协议接收数据。
2.3.3水情数据库
数据接收服务器接收到数据之后对数据进行解压缩、解码、分析入库处理，将水雨情数据写入实时水情数据库，提供给数据应用服务器分析使用。
2.4北斗卫星软件设计
2.4.1北斗卫星测站控制软件
北斗卫星监控中心与北斗卫星水情自动测站构成一点对多点的传输模式。北斗卫星水情自动测报站将本地水情数据发送到北斗卫星监控中心，由监控中心发送相应的回执确认信息，北斗卫星水情自动测报站根据不同的回执采取相应的行动，或自动转入休眠或重新发送水情数据。
2.4.2北斗卫星信息处理软件北斗卫星信息处理软件的功能是接收北斗卫星传送的数据，将数据进行相应的处理后进行发送。
2.5北斗卫星通信机制设计
采用北斗卫星与遥测终端机连接，主要解决通信频度控制策略、信息格式设计的问题。
2.5.1通信频度控制策略
由于北斗卫星短信单次收费标准高于移动短信收费标准的5倍以上，因此，一般不采用与移动短信通信遥测站相同的发送策略。水雨情数据只在必要时发送。根据北斗卫星通信费用较高(015元/次)的特点，一般设置发送间隔为1次/h，如无变化(不下雨)时不发送数据。每天08B00无条件发送平安报，作为与接收(分)中心之间的/心跳0信号。
2.5.2信息格式设计
北斗卫星单条短信字节数分为A、B、C三档，对应的字节长度分别为43，70，98字节。其收费标准相差较大，分别为015，018，110元。另外，北斗卫星运营商还提供包年的收费方式。在满足应用要求的前提下，合理设计，尽可能降低费率。综合考虑包年方式以及实际需求，系统中北斗短信采用98字节长度。
3北斗卫星水情自动测报站通信畅通率应用实验
为了验证基于北斗卫星的水情自动测报技术的工作性能，选取了温州市已建成的19个北斗卫星水情自动测报站点，设定数据向位于监控中心的北斗卫星指挥型终端发送。19个北斗卫星水情自动测报站均设置为15min定时自报，中心站72h(2013年1月16)18日)接收。实验证明，19个北斗卫星水情自动测报站的平均畅通率达到97199%，满足了设计要求。
4结束语
综上所述，北斗卫星的水情自动测报站点的建立，弥补了移动信号覆盖范围不全的缺陷，为水利部门掌握全流域的水雨情数据提供了有力的技术支持。
参考文献：
1配电网自动化通信系统的设计要求
根据配电网自动化系统的复杂程度、规模以及预期达到的自动化水平不同，对其通信系统的要求也有所区别。每个地区的配电网自动化系统规模都是比较大的，不可能在短期内能够立即建得很完善，因此，建立配电网自动化通信系统是一个长期，循序渐进的过程。总的说来，配电网自动化通信系统需要满足以下要求：
1.1通信可靠
配电现场对配电网通信系统要求有很高的可靠性。首先，配电现场的工作环境复杂，需要选用能够抗潮湿、抗高温等恶劣气候的设备，在应用的过程中必须要注意密封防尘；其次，业务数据的传输无论是在配电网正常运行，还是在配电网出现线路故障时，通信必须保持其业务数据能够畅通传输，通信系统还应具有诊断配电网故障、故障区隔离和非故障区恢复供电的通信任务；再次，由于通信终端附近的电磁场较强，为了保证通信数据不受外界的影响，保证数据的准确性，通信系统还需具有较强的抵抗电磁干扰的能力。
1.2设备应具有灵活、易于安装的特点
由于配电网规模大、网点多，各终端的安装环境要求也不一样，使得通信设备复杂。为了满足灵活、易于安装、运行可靠、便于维护等特点，选取的通信设备尺寸应适宜，不能太大，能满足多样的安装方式，能应对复杂的现场环境。
1.3通信实时性、双向性
通信系统的首要任务就是将站点的数据传送给各个终端，并将各个端点的检测数据传送至站点，并对数据进行分析，实时监控配电网的运行情况。配电网通信系统的实时性与双向性，能够实现在系统正常时，及时更新系统的数据，也能够实现在系统发生故障时，能快速地将故障数据传送给站点，从而及时排除故障，增加供电的可靠性。
1.4配电网需要具备一定的扩展性与开放性
由于业务数据大小与实时性的要求不同，对通信系统的要求也不尽相同，配电网将会随着城市的建设、信息业的发展进行扩展与改造，这就要求其具有一定的可扩展性与开放性。
2配电网自动化系统通信方式的比较
配电网自动化系统通信方式有很多种，但其主要分为有线通信方式与无线通信方式。在有线通信方式中主要有载波通信与光纤通信方式两种。而无线通信方式中主要的应用为GPRS通信技术。无线通信架设方便、易于扩展、价格也比较便宜。有线通信方式具有较强的防干扰性和传输速度快的特点。本文就载波通信、光纤通信与移动无线通信技术中的GPRS进行具体分析与比较。
2.1载波通信方式
载波通信又分为电力载波通信与有线通信的载波通信两种方式，它们原理基本相同，具有继电保护功能、传输运行信息功能、进行电网内调度电话的功能。对配电网的运行安全、高效、稳定具有重要的作用。其主要有以下特点。
1）配电网的电力线上的电压电流相当大，信道若想在此电力线上进行传输，则必须要通过耦合元件才能连接载波通信设备与电力线。这些耦合设备必须具备高效、安全、消除电力线上的传输电能对载波通信设备的损害，从而保证配电网自动化通信系统的安全。
2）高压电力线上存在着很强的噪声，这是由于电晕等情况产生的。为了消除这些噪声，得到准确的信息，则载波设备必须具备较高的发信功率。
3）载波通信使用的频谱是有限的，主要由于载波信号将会影响到附近的无线通信信号、高频的架空线路、电力50Hz工频谐波的干扰。
4）载波通信的建设成本低，且具有电话线与光缆通信的功能。
5）覆盖范围广，电力线通信能够很容易地覆盖到学校，每个家庭网络。
6）即插即用的特点，用电力通信网络只需要直接接入电源就可以接入，不需要进行拨号操作。
2.2光纤通信方式
光纤通信是以光作为信息载体，传输介质为光导纤维。光纤具有传输速度快、干扰性强、传输距离远等特点，主要传输数字信号。光纤通信相比于其他通信方式，具有以下优点：①光纤传输抗干扰性强，损耗小，几乎无误码现象；②一组光纤可以同时传输多组数据，互不干扰；③架设简单，组建方便，受外界影响小；④能够使配电网与控制网中的强电和弱点分开，增加了设备的安全性；⑤传输的容量可达到10Gbit/s，是目前最大传输容量的方式。
2.3移动无线通信技术
移动无线通信技术具有容易扩展，成本低的特点，在各行业已被广泛地应用。无线公网主要有GPRS、CDMA和3G三种。其中GPRS、CDMA技术已经发展得很成熟，3G技术属于新兴技术，在终端设备的开发制造和网络建设方面发展得还不够成熟。GPRS属于无线通信技术中的主流技术，能够提供一对一，一对多的数据传输，适用于间断突发性数据传输，也适合于频繁少量的数据传输。无线公网没有独立的控制权，因为它面向的用户范围大，其终端数据很容易受到非法攻击，其可靠性不强，当系统出现故障时，必须要和公网通信系统进行协调；租用流量费用也比较高。但是，无线通信技术初期投资成本低、布置灵活、覆盖范围广、适合复杂的地理环境。可以应用在使用有线通信方式昂贵复杂的地方，作为有线通信方式的补充。
3配电网自动化通信系统总体设计
配电网自动化系统的结构决定了其通信系统的建设与实施运行，配电网自动化通信系统主要分为主站、主干通信网、子站层、分支通信网、终端层这几个部分，如图1所示。其具体设计如下：
1）主站层与子站层之间的主干通信网，因为它的数据量比较大，传输速度要求高，可采用光纤或者微波进行通信。还可以采用光环自愈网来保证通信的可靠性，防止介质设备故障导致通信中断。
2）郊区农村等偏僻的地方，由于其地理环境复杂、人口密集度低、设备分散、面积广、距离长等特点，可以采用无线扩频或者电力线载波方式，以此减少技术复杂度与成本。
3）进行实时监测设备的通信，只需完成定时采集的功能，如集中抄表、负荷控制等设备，对于此项设备只需采用低价的通信方式，如电话专网，无线扩频等。进行实时监测设备对通信的要求要可靠快速，所以选用光纤通信。
关键词：无线通信；油田；监控系统
1引言
在油田偏远油区生产过程中，对相关生产参数及油井视频进行远程监控对偏远油井的安全生产起着至关重要的作用。但由于偏远油区装置远离油田总部，应用有线的通讯方式，施工困难且周期长、灵活性差。而无线通讯方式由于其建立物理链路简单易行，成本低，可以根据现场需求及时调整项目方案，灵活性好，系统的功能扩展方便，因此特别适合偏远油区对通信链路的要求。
2常用的无线通讯技术
目前在油田现场广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。
其中GPRS和CDMA技术中国移动和中国联通公司的主营数据传输业务，在数据传输方面有着很强的优势，即信号覆盖范围广。对于陆上油田生产区域基本完全覆盖。但由于海上油田地理位置特殊，远离陆地的基站，因此很多海上生产平台还无法为GPRS/CDMA信号完全覆盖。此外经过测试，GPRS的平均速率为20kbit/s～40kbit/s，CDMA的平均速率为80kbit/s～100kbit/s，可以满足传输小数据量的生产数据要求，但无法满足大数据量的信号（例如视频信号）远程无线传输。虽然有利用CDMA技术进行视频信号传输的案例，但效果并不理想。
数字电台用于点对点或点对多点的工作环境，能够提供标准RS-232接口，可直接与计算机、RTU、PLC等数据终端连接，实现透明传输。数传电台的传输速率从1200～19.2Kbit，传输距离20～50公里。具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。数传电台技术比较成熟，标准统一，一直以来广泛用于油田的数据遥测/数据采集与监控(SCADA)项目中。但随着GPRS/CDMA技术的日渐成熟，相应的设备价格的降低，使得在很多应用场合中数传电台被GPRS/CDMA所取代。但同时，数传电台的相关技术也在不断发展，智能化、网络化、高带宽的数传电台也不断涌现。结合数传电台误码率低、信道可靠的特点，数传电台必将成为海上油田通信技术应用的可靠选择。
扩频微波和无线网桥技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。而无线网桥是无线射频技术和传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离数据传输的点对点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离（可达50km）、高速（可达百Mbps）无线组网。这两项技术都可以用来传输对带宽要求相当高的视频监控等大数据量信号传输业务。
例如，对于远离陆地且无法进行中继的海上平台，通讯链路只能通过卫星通信和短波通讯。其中卫星通信范围大，只要卫星发射的波束覆盖进行的范围均可进行通信。不易受陆地灾害影响，建设速度快，易于实现广播和多址通信等等优点。但其运行费用相对昂贵，且系统维护要求高。短波通讯以往只在军事通信、专业通信、业余通信中发挥着极为重要的作用，因其传输速率低、噪声大，电离层反射天波为主，通常不能稳定的使用固定频率工作等缺点，因此在其他领域已慢慢淡出人们的视线。尽管短波通信存在一些缺陷，但对于海上油田而言，短波通讯作为可靠性高、覆盖区域广的通信方式，用于海上平台的紧急通信及小数据量传输应该是一个比较好的选择。
3环境因素对技术应用的影响
偏远油区的环境因素以以海上油田最为特殊。海上油田除了考虑信道带宽，传输数率，传输距离，发射功率，天线要求等通信设备本身的技术参数外，在应用无线通讯技术的过程中，还必须全面地考虑海上平台独特的地理环境与地理条件对无线通信技术应用的影响。
3.1对信号传输的影响
可以通过选取性能好的设备或应用抗干扰措施以减少甚至避免干扰。但无线通信过程中的信号衰落问题则是普遍存在的，而且是不可避免的。由于海上油田远离陆地，与陆地之间的广阔的海域、多变的气候使得在陆上应用效果很好的技术在海上应用时没有了用武之地。
微波在空间传播中将受到大气效应和地面效应的影响，导致接受机接受的电平随着时间的变化而不断起伏变化，我们把这种现象称为衰落。从衰落的物理因素来看，可以分成以下几类：吸收衰落、雨雾衰落、K型衰落、波导型衰落、闪烁衰落等等。在各种衰落因素中，吸收衰落、雨雾衰落及K型衰落对海上油田的无线通信应用影响较大。
3.2对技术应用的影响
各项通信技术在海上油田应用中还存在的另外一个问题就是其独特的现场环境。海上平台一般空间狭小，还要考虑海上多风，平台最高点一般较低的特点。
首先是对天线安装的限制。海上微波通信受地形地貌影响，相同的通信距离要求两端天线的高度更高。对于卫星通信、扩频微波、短波通信等天线体积较大的应用，由于海上风力较大，抗风性的要求也使得设备在小平台的安装变得十分困难。
此外，对于无人值守的平台，设备必须具有高可靠性、可自动维护、参数远程设置等功能。而对于卫星通信、短波通信等要求平台上配备专业管理操作人员进行设备的管理维护，这一特点也为技术的应用带来一定的限制。
4无线网桥技术在海上平台视频监控中的应用
在实际的现场应用中，我们选取了基于5.8G无线网桥设备进行了现场应用测试。测试地点为浅海油井，测试内容为4路视频监控图像的传输。该系统具体解决方案是利用摩托罗拉Canopy5.8G无线网桥建立通信链路。在平台一侧首先通过视频服务器将模拟视频信号转化为可在网络传输的IP数据流，之后由无线网桥将信号传输到陆地端。陆地端一侧通过无线网桥进行接收后由视频监控服务器处理后，对视频信号进行录像存储及Web。相关用户可依据相应权限在局域网内进行视频图像的浏览、录像等操作。
系统通讯链路建立后，可远端对设备参数进行设置，设备维护方便。监控视频图像清晰、连贯，满足监控要求。从系统的链路冗余可以看出本次测试的应用距离已接近5.8G无线网桥技术在海上应用的最远距离。从系统的稳定性出发，在更远一些的类似应用中应谨慎选择这项技术。
【关键词】光学无线通信；海水信道；特征
潜艇在海水中运行时，需要与传感器以及水面舰艇指挥中心等进行沟通联系，这就需要使用到在海水中通信这一技术，在海水中进行通信与在陆地上有很大区别。利用海水作为信息传输的通道进行数据传播的途径，就是海水信道。近年来，水下声学或光学数据传感采集探测技术发展迅速。相比水下声学通信来说，水下光学通信具有受周围环境影响小、传输数据量大、传输耗时少以及载波频率高等优点。由于光波的这些优点使得光学无线通信越来越广泛地应用于水下通信中，在光学无线通信中，影响通信功效的重要因素就是海水信道的光学特征。本文首先对水下光学无线通信中的海水信道特征概要进行简单描述，然后建立水下光学无线通信中的海水信道特征模型，最后对基于水下光学无线通信海水信道特征模型进行仿真修正分析。
1.水下光学无线通信中的海水信道特征概要
水下光学无线通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光数据信号的特征以及海水信道具有散射光数据信号的特征。与光数据信号在空气中传播相比较，光数据信号在海水中的传播过程非常复杂，这主要是由于海水信道中存在很多影响光传输的不确定性因素。这些不确定因素导致海水信道呈现出吸收光以及散射光的特征，海水信道对光的吸收及散射导致光数据信号在海水中传播时出现衰减现象，从而影响光数据信号在海水信道中的传播。
海水信道具有吸收光的特征：海水信道之所以能够吸收光，是因为海水中所含有的物质成分能够吸收光。而海水中所包含的成分是非常复杂的，概括起来可以分为水分子、悬浮体、无机溶解质以及各种有机物等，但是不同海域其包含的成分各有不同，即使相同海域不同位置包含的物质成分也有所不同。海水是一种非常复杂的生物、物力以及化学等相结合的系统，而海水中含有的一些物质对光具有吸收性，例如营光合作用的藻类生物以及黄色物质等。
海水信道具有散射光的特征：由于海水中包含的物质成分的复杂性，也使得海水信道对光数据信号的散射性非常复杂。海水中能够对光进行散射的物质主要包括：水分子、悬浮粒子以及透明物质等。水分子对光的散射性符合瑞利散射特征，悬浮粒子对光的散射性符合米氏散射特征，米氏散射的大小取决于海水中悬浮粒子的浓度以及粒子的大小。而透明物质对光的散射性是由于透明物质能够折射光所引发的。
2.水下光学无线通信中的海水信道特征模型
根据水下光学无线通信中的海水信道特征，可以建立一个关于海水信道特征的模型。我们已经知道光学无线通信的海水信道特征主要包括吸收光以及散射光，从而引发光在海水中传播时出现衰减现象。所以我们假设光在海水中的衰减参数为D，被吸收参数为A，被散射参数为S，光的波长为W，那么。这说明，光数据信号在海水中的衰减也受到光波长的影响，衰减参数、吸收参数以及散射参数都是光波长的函数。
下面我们将分别对光吸收函数、光散射函数以及经过衰减后接收光数据总能量进行分析。
光吸收函数：在海水中，能够吸收光数据信号的物质分子很多，在此，我们先将主要的吸收光的因素归结起来，然后再进行函数修正分析。
海水中吸收光的物质主要包括：营光合作用的藻类以及CDOM（有色可溶性有机物）等，而营光合作用的藻类中，主要是利用叶绿素来吸收光。此外，还海水中能够吸收光的因素还包括海水以及有机碎屑以及矿物颗粒等。所以我们假设水的吸收参数为WA，叶绿素的吸收参数为C，CDOM的吸收参数为CD，有机碎屑以及矿物颗粒的吸收参数为M。其中C（W）等于叶绿素总浓度的修正值除以浓度常数修正值乘以叶绿素光谱系数。
光散射函数：海水中的水分子、悬浮粒子以及透明物质等都可以对光进行散射作用。而散射规律主要包括米氏散射和瑞利散射。瑞利散射发生的条件是海水粒子的直径小于光波长，其特点是波长的四次方与散射强度成反比。米氏散射较为复杂，粒子直径与光波长的差距越大，散射分布越复杂。根据粒子直径，我们可以认为光散射函数是由水分子参数、叶绿素参数、小颗粒参数以及大颗粒参数组成。
经过衰减后接收光数据总能量：光数据信号从传输端发出后，经过海水信道，受到海水传播中光衰减的影响，并且也会受到传输端与接收端孔径引发的衰减效力，最后才传输到接收端。经过衰减后接收光数据总能量是发射功率、几何衰减、海水总衰减参数D（W）以及传输距离的函数。
3.基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真修正分析
任何一个模型在建立起来后，都需要进行仿真验证以及对函数进行修正等。基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真分析主要包括：在水下光学无线通信中海水信道特征函数仿真验证以及传播误码率分析。我们选取一个海域的相关数据以及光传播的相关数据，然后将这些数据代入模型函数中，看最后得出的结果与实际接收到的数据量的区别，然后根据这一区别进行传播误码率分析以及函数修正，修正后再选取另一个海域与光传播的数据，进行仿真验证，直到仿真实验后的结果与实际量的差距在误差允许范围之内后为止。
4.结论
本文首先海水信道特征概要进行简单描述，水下光学无线通信中的海水信道特征主要包括海水信道具有吸收光数据信号的特征以及海水信道具有散射光数据信号的特征，这些特征导致光在海水中传输时，出现衰减现象。然后根据这些特征建立了水下光学无线通信中的海水信道特征模型，包括一个衰减参数函数、光吸收函数、光散射函数以及经过衰减后接收光数据总能量。影响光吸收函数的因素主要包括：水的吸收参数、叶绿素的吸收参数、CDOM吸收参数以及有机碎屑矿物颗粒吸收参数等。影响光散射函数的因素主要包括：水分子参数、叶绿素参数、小颗粒参数以及大颗粒参数等。最后对基于水下光学无线通信海水信道特征模型进行仿真修正分析。基于水下光学无线通信海水信道特征模型仿真分析主要包括：在水下光学无线通信中海水信道特征函数仿真验证以及传播误码率分析。
【参考文献】
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【关键词】无线通信气象数据
气象数据的获得非常重要，因为气象与人们的生活密切相关，同时也直接影响着铁路、航空、农业、工业、等各个行业的发展。如今，在国内主要根据人工观察收集气象资料不能满足无缝预报服务的要求由于观察衰老缓慢，密度小。在这种人的生存是一个主要的问题的条件下是不现实的建立载人气象站，这些区域是戈壁、沙漠、天山、沼泽和其他偏远地区。自动气象站是根据需要直接或通过制定站观测数据转换成代码的一种形式通过仪器自动观测和发送或记录观测数据，在当前无线电通信技术迅猛发展的形势下，有线传输因其发展时间长，技术相对成熟而成为相对更为广泛的铺设方式。当然，无线传输凭借着其独特的优势，在通信传输领域也迅速的形成了自己的一席之地。有线电视传输网络有以下缺点，布线成本高，施工困难和不利的维护和机会是有限，特别是在偏远地区人烟稀少的缺陷是更重要的。
1国内外研究现状及发展趋势
当前，国内主要的气象站组成方式大多相同，由传感设备、变换装置、电源组成，结合数据处理功能，资料发送单元等，共同构成一个有机的整体，进行无人化信息接收和整合。通过电子设备或计算机控制，自动进行气象观测和资料收集传输的气象站。利用计算机装置或电子装备对其自动进行气象资料收集整理和气象观测。如今国内外有很多制造商自动站、它们传输通过计算机，并且使用卫星通讯有线或无线传输方式在传输的过程中它们使用计算机，卫星通讯或是一些无线传输方式。有些地区通过无线传输方式来研究工业控制计算，目的是：解决自动站数据的不便直接到工业控制计算机，运用有线或无线方式引入到远程计算机。来解决数据在传输过程中的不方便直接运用到工业控制计算机，通过无线或是有线方式引入到远程计算机。在10年期间，自动气象站不断壮大，并应用在很多方面，它取决于许多因素，其中技术因素，它发挥着显赫的的作用，包括微型计算机、通信、传感器等技术的发展和应用，在各行各业都可以看到自动气象站的身影，其中它的技术因素发挥着重要的作用，该其包括传感装置，通讯工具，微型计算机等发展和应用。提供了良好的技术基础在改善性能的自动气象站技术的方面，特别是微处理器和通信技术，简化了数据传输的日益成熟并且降低了成本，提高了效率和准确的数据准确，高效的传输同时，实现自动气象站的功能。
2GPRS的数据传输的特点及基本构架
2.1GPRS的数据传输特点
GPRS是欧洲通信标准协会定义的一种能够在GSM网络上提供真正的无线分组服务的方法，是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信（3G）的过渡技术。
GPRS网络解决了GSM网络低汇率、电路故障和穷人的资源利用率，充分利用现有的GSM网络资源，来提高传输速率。GSM网络数据传输速率低于9.6KBI/S，最大的GPRS网络理论可以提供171.2Kb的传输速度。GPRS网络访问时间是短暂的同时，能提供及时快速的连接，可以提高工作的效率。GPRS网络与四个不同的Qos的不同的服务有不同的优先级和可靠性标准和数据速率，延迟，可以选择根据实际灵活的服务质量参数为用户提供服务，所以最好能支持频繁爆发，少量的数据服务。用户可以随机和移动你的网络点，实现无处不在的通信。
GPRS采用分组交换技术，高效传渝高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用。定义新的GPRS无线信道，并且分配方式十分灵活。
2.2系统的构成与结构设计
气象自动站采用的网络结构是星型结构，每个站点的资料直接传输到中心站服务器，服务器既接公网，又接气象局内部网络。每个补丁通过无线网络连接到数据中心服务器或车站计算机，站通过气象局计算机内部网络连接到数据中心服务器。自动气象站网络设备结构图，每个环节通过数据连接或通过气象局计算机内部连接数据如图1数据中心服务器（省级）。
（1）小站数据直接通过网络数据传输到数据中心服务器小站数据可以由网络数据直接到数据中心服务器进行处理，其次还可以通过网络到当地的信息管理再通过有线或是无线传输到数据的中心服务器。
（2）GPRS气象数据传输流程。这个系统的设计气象数据采集、气象仪器测量的气象数据，该系统设计的目的是：气象数据的收集和整理以及通过气象仪器来收集气象数据收集器和气象传感器传递信号，电源提供的太阳能收集器，因此解决远程供电问题，无人区域。具体情况如图2所示。
气象数据的系统是第一个收集的气象传感器脉冲或电压和电流信号。定量收集器在模拟数据采样和转换成数字或字符信号。停止接收系统将字符和数字，生成文档，软件显示气象信息的查询。气象信息采集完成气象传感器、数据传输过程图如图3所示。
3结束语
伴随着极速发展的无线通信技术，它运用在生活各个方面。根据使用无线通信技术的新颖优点和自动气象站的发展，提出没有义务自动气象站的偏远地区。这个想法可以应用于很多行业。论文的基本目的是建立自动气象站系统。主题通过分析在结构设计、硬件设计、通信协议的软件设计方面的研究，产品研究，收集一些重要的信息，来实现无人区域的气象的收集和传输，来提供准确的天气信息。解决在无人看守气象收集数据传输中遇到的各种棘手的问题，来提供一个较好的解决方案，对准确预测，报告天气提供一些有用的帮助。该论文从初步研究主题到整体设计，每个函数的具体实现和调试经历了艰苦努力，希望对气象信息的收集，整理，预测提供有意义的建议。
参考文献
[1]刘迎春，叶湘著.传感器原理与设计[M].长沙：国防科技大学出版社，1991.
[2]王云章编著.电阻应变式传感器的应用技术[M].北京：中国计量出版社，1991.5.
[3]陈德池编著.传感器及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1993.11.
[4]李金将著.无线通信与网络[M].电子工业出版社，2004.
[5]周金萍，唐伶俐.无线通信技术[M].北京：科学出版社，2004.
作者简介
贾世军（1976-），男，河南省临颍县人。大学本科学历。现供职于武汉贝斯特通信集团股份有限公司。研究方向为计算机科学。
1网络模型
1．1工业无线网络中的数据模型
如表1所示，EOAM算法面向两类典型的工业紧急数据:1)不可预测的紧急数据(TrafficCategory1，TC1)。TCI具有最高优先级，主要是指紧急安全动作要发送的数据，比如紧急关闭、紧急报警等，具有不可预测、重现率低等特点。2)普通紧急数据(TrafficCategory2，TC2)。TC2的优先级较TC1低，主要包括闭环管理控制、闭环监督控制、开环控制，该类数据具有重现率高等的特点。
1．2超帧模型
超帧(Superframe)由信道(Channel)和时隙(Timeslot)构成，如图1所示。所谓信道，是指无线射频信号发送的媒介，是频段的若干等份;所谓时隙，是指时间的若干等份，时隙大小取决于网络中数据的大小，时隙的数量决定超帧的长度。对于单信道网络，超帧中仅包括一条信道;对于多信道网络，超帧中包括多条信道。本文针对多信道网络，超帧中包括多条信道以及若干时隙。定义信道模型如下:1)将可用信道划分为一个控制信道(ControlChannel，CC)和多个数据信道(DataChannel，DC)。2)为了提高不可预测的紧急数据TC1的实时性和可靠性，本文在数据信道DC中设置一个特殊信道(SpecialChannel，SC)，属于TC1和广播数据(BroadcastData，BD)的专用传输信道;同时，采用指示退避机制，使得普通紧急数据TC2也可以选择使用该信道，避免资源浪费，保证信道资源的利用率。定义时隙模型如下。1)为了保证EOAM算法适用于广播通信，将SC的时隙长度T定义为节点发送一个TC1数据包的平均时间与发送一个BD数据包的平均时间的较大值，即T=max{tTC1，tBD}，其中:tTC1=tRTS+tCTS+tDATA+tACK，tA表示节点发送一个A包的平均时间，A为各类包的统称。2)为了使得TC1能够利用特殊信道进行实时可靠传输，本文将时隙划分为高优先级指示空间(HighPriorityIndicationSpace，HPIS)和非高优先级指示空间(NotHighPriorityIndicationSpace，NHPIS)，其中，HPIS由两个等长的子时隙t0和t1组成，分别用于待发送TC1数据包的节点发送RTS(RequestToSend)和接收CTS(ClearToSend)，如图2所示。
2EOAM算法
本章首先介绍适用于单播通信的EOAM算法步骤，并将其扩展到广播通信的情况。EOAM算法的总体思想主要包括3个方面:1)为了保证不可预测高优先级紧急数据的实时性，采用专门的特殊信道进行传输，特殊信道时隙的高优先级指示空间(HPIS)和非高优先级指示空间(NHPIS)，以保证紧急数据的优先传输。2)同时为了避免特殊信道时隙的浪费，采用指示机制，在保证不可预测紧急数据的目的节点快速切换信道的同时，使得选择使用特殊信道的普通数据在紧急数据占用信道时能够进行退避，不干扰紧急数据传输，而在特殊信道空闲时能充分利用信道资源。3)为了保证不可预测的紧急数据和广播数据的确定性传输，将特殊信道中时隙的长度设置为发送这两类数据所需平均时间的较大值，保证数据在该时隙长度内完整传输。
2．1单播通信
EOAM中单播通信分为TC2单播通信和TC1单播通信两种情况，分别如图3和图4所示。TC2单播通信过程包括以下步骤:1)当处于睡眠阶段的发送节点S有TC2数据要发送给接收节点R时，S首先开启其无线收发器，然后在CC上侦听。如果S侦听到指示(Indication，IND)，且IND中的目的节点地址为自身地址时，S立即切换到SC侦听。2)当R睡眠时间到达后，R通过在CC发送一个声明消息包(Announcement，ANC)来开始一个潜在的数据传输，该ANC中包含R选择的DC序号，例如i，然后R切换到DCi进行侦听。R采用一种基于概率的随机方法来进行信道选择，当R的睡眠时间到达时，它以概率p在所有DC中随机地选择一个DC，而以概率1－p继续睡眠以节省能量。p定义为平均可用DC数A与总DC数K之比;K可由协议设计确定;A=K－λ×(1/P)，其中:λ为报文到达速率，P为报文长度服从分布的参数，详细证明过程见文献［15］。如果R在发送ANC前侦听到IND，且IND中的目的节点地址为自身地址时，R立即切换到SC侦听。3)S在CC上收到R发送的ANC以后，S立即切换到DCi，首先检测信道状态，若空闲，则发送一个RTS控制包;若忙碌，则随机退避一段时间后发送一个RTS控制包。如果S在CC上侦听时间Tmax后仍然没有收到R发送的ANC，S主动在CC上发送一个ANC，以避免由于R在CC上等待S发送ANC而导致的死锁问题。4)当R收到RTS后，R发送一个CTS控制包来确认这次预约。当R切换到DC后，如果没有收到来自其他节点的RTS，R则根据自己的占空比切换回CC，然后进入睡眠阶段。5)当S收到CTS后，S利用DATA＆ACK的方式与R进行数据传输。当传输完毕后，它们切换回CC，然后进入睡眠阶段。TC1单播通信过程包括以下步骤:1)当处于睡眠阶段的发送节点S有TC1数据要发送给接收节点R时，S首先开启其无线收发器，然后在CC发送IND，之后切换到SC。2)如果R在CC上侦听到IND，立即切换到SC侦听。3)S在子时隙t0发送一个RTS控制包，若此时R在SC侦听到RTS，R在子时隙t1发送一个CTS控制包来确认这次预约。4)若S在子时隙t1收到R发来的CTS控制包，那么就在该时隙接下来的NHPIS利用DATA＆ACK的方式与R进行数据传输;若S在子时隙t1没有收到R发来的CTS控制包，那么就在该时隙接下来的NHPIS持续发送IND，然后在下一个时隙的子时隙t0重新发送一个RTS控制包，重复上述过程。
2．2广播通信
EOAM中采用SC发送BD，如图6所示，广播通信过程包括以下步骤:1)当处于睡眠阶段的发送节点S有BD要发送时，S首先切换到SC，然后开启其无线收发器检测SC信道状态。2)如果SC空闲，那么S在接下来的M个时隙内连续发送M个相同的数据包，其中，M可以根据不同WSN的性能需求进行动态地调整，本文为节点的平均邻居数。如果SC忙碌，那么S随机退避一段时间。3)每个节点(包括睡眠节点)在M－1个时隙内都切换到SC上来接收可能发送的BD包，从而S的每个邻居节点都可以在M个时隙内收到BD。
3实验结果与分析
本章从实时性、可靠性和能耗3个角度，与文献［13］所提出的分布式多信道控制算法(DCA)进行仿真比较。仿真环境设置为:将49个节点分布在7m×7m的网络中，节点随机地选择任一邻居节点进行单播通信，数据负载为32B，TC1数据流的个数为5，TC2数据流的个数为20。延迟时间定义为从数据包到达发送节点MAC层开始，直到被接收节点成功接收的时间。图7所示为平均延迟随着信道数的增加而变化的趋势。由于DCA中ClassⅥ为非紧急数据，所以在此不作比较。由图7可知，EOAM中TC1的平均延时一直低于DCA中数据类，这是由于EOAM针对TC1设计了特殊信道以及高优先级指示空间，专门用于TC1数据的紧急及时传输。当信道数较少时，EOAM中TC2的平均延时要略高于DCA中的ClassⅢ，这是由于EOAM是基于占空比机制和随机信道选择机制;然而随着信道数的增加，EOAM中TC2的平均延时逐渐小于DCA的延时结果，这是由于控制信道的饱和问题在DCA中愈加严重，而EOAM基于接收端开始的介质访问机制则在一定程度上避免了控制信道饱和问题。可靠性以包传输成功率表示，即成功传输的报文占总报文数的比例。由图8可知，EOAM能够满足TC1和TC2的可靠性要求;并且，随着信道数的增加，包成功传输率显著增大，最终都能达到0．95～1。能耗定义为成功传输一个字节所消耗的能量。由图9可知，随着信道数的增加，EOAM的能耗逐渐降低，且明显低于DCA的能耗。其中，能量消耗单位为10－7mW·h，这主要由于EOAM采用基于异步占空比的睡眠机制。
4结语
关键词：数据通信；计算机；网络；信道
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)08-1809-02
数据通信是依照通信协议，利用数据传输技术在两个功能单元之间传递数据通信信息。它可以实现计算机与计算机、计算机与终端或者终端与终端之间的数据信息传递。数据通信系统的特点是：计算机之间以及任何计算机中间的通信；计算机之间通信过程需要有严格的通信协议和标准；数据通信对数据传输的可靠性要求很高；通信中的通信量具有突发性；信源与信宿采用的设备多样在速率、编码、同步通信规程等方面有很大差别；传输效率较高。数据在通信过程中必须建立通信线路和通信双方的物理通道；建立数据链路和通信双方的同步联系；传送控制和数据信息；结束数据传输和物理通道。计算机之间以及任何计算机中间的通信必须要有传输信道。传输信道是有不同的传输媒体和相关设备组成。根据传输方式不同可分为有线数据通信和无线数据通信。它们都是通过传输信道将计算机与数据终端联系起来的，使得多地之间的数据终端实现软、硬件和信息资源共享。
1通信系统传输
1.1电缆通信
主要有双绞线通信，基于同轴的PCM时分多路数字基带传输的技术。它具有抗干扰能力强、传输距离远、布线容易、价格低廉。
1.2微波通信
分为模拟电话微波通信和数字微波通信。微波通信具有容量大、频带宽、质量好并可传至很远的距离，可以用于各种电信业务的传送，还具有良好的抗灾性能,对水灾、风灾以及地震等自然灾害。模拟微波系统每个收发信机最大可以工作于2700路通信，它采用的调制方式是SSB/FM/FDM。数字微波同时传送三万多路数字电话电路(2.4Gbit/s)。它采用的调制方式是BPSK、QPSK、QAM等。
1.3光纤通信
光纤通信已经在现代通信网中起着举足轻重的作用，因其通信容量大，通信传输距离长，抗干扰性能力强等特点，得以脱颖而出，是主要的传输工具。
1.4卫星通信
利用人造卫星做为中转站实现多点之间信息的传递，应用在一些高端领域。其特点是通信距离远，通信容量大，覆盖面积大，不受地域限制、不受大气层的影响，具有很高的可靠性。
1.5移动通信
涵盖多个通信频段，能够应用在陆、海、空移动通信中。它采用了频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）,码分多址（CDMA）技术。数字移动通信关键技术有多址接入技术、信源编码技术、信道编码技术、数字调制技术、扩频技术、时域均衡技术、分集技术。
2数据通信的原理
数据终端（DTE）有分组型终端（PT）和非分组型终端（NPT）两大类。分组终端（PT）是具有X.25协议接口，能直接接入分组交换数据网的数据通信终端设备。它可通过一条物理线路与网络连接，并可建立多条虚电路，同时与网上的多个用户进行对话。非分组终端（NPT）需经过分组装拆设备，才能连到交换机端口。通过分组交换网络，分组终端之间，非分组终端之间，分组终端与非分组终端之间都能互相通信。数据终端（DTE）它包括计算机、终端、协议翻译器、多路分解器、打印设备等。数据通信设备（DCE）通常只有调制解调器和部分交换机COM接口。该设备与通信网络连接构成网络终端的用户网络接口。它提供了网络的一条物理连接，以及转发业务。数据电路由传输信道和数据电路终端设备组成，数据通信设备（DCE）负责网络或传输介质上收发比特。DCE与DTE必须相互交换，通过交换电路完成对数据或控制信息交换。交换网线路要通过呼叫请求，线路连接建立，通信结束后线路拆除过程。专线连接无需上述过程。计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。
3数据通信的分类
3.1有线数据通信
3.1.1数字数据网（DDN）
数字数据网（DDN）的应用主要表现在公共DDN网络，DDN可向用户提供速率在一定范围内可选的异步或同步传输、半固定连接的端到端数字信道。其异步传输速率为50bit/s至19.2Kbit/s，同步传输速率为600bit到64Kbit/s。半固定连接是指信道为非交换行，由网络管理人员在计算机用命令对数字交叉连接设备进行操作，并控制传输速率到达地点和路由转换。DDN可为公用数据交换网、各种专用网、无线寻呼系统、可视图文系统、高速数据传真、会议电视、ISDN以及计算机网络提供中继信道或用户的数据通信信道。DDN可为帧中继、虚拟专用网、LAN以及不同类型的网络提供网内连接。利用DDN实现集团用户计算机局域网的联网，采用数据终端单元（DTU）进入DDN，不仅提供传输速率为9.6Kbit/s以上，而且误码率很小，通信质量和可靠性都得到保证。由于DDN独立于公用电话交换网，所以DDN为集中操作维护中心提供传输通道，不论交换机处于什么状态，它都能将信息送到集中操作维护中心。
3.1.2分组交换网
分组交换网是一种采用分组交换方式的数据通信网，它所提供的网络功能相当于ISO/OSI参考模型的低三层：物理层、数据链路层和网络层功能。ITU的X.25建议就是针对分组交换网而制定的国际标准。因此,分组交换网有时也称为X.25网。分组交换网最突出的优点是方便于不同类型终端间的相互通信，线路利用率高，在一条电路上同时可开放多条虚拟通路，网络可靠性高，信息传输时延小，经济性能好，信息传输质量以及线路利用率高。在分组交换中，由于采用了“虚电路”技术，使得在一条物理线路上可同时提供多条信息通路,即实现了线路的统计时分复用，这是其它网络所无法做到的。
3.1.3帧中继网
帧中继是在分组交换基础上发展起来的一种交换技术，他比分组交换技术更加适合现代通信网的需要。帧中继就是减少节点处理时间技术，由于帧传送不会出现差错，帧的目的地址出现就立即转发该帧，其某些工作由用户端处理，大大减少帧时延。因此帧中继网吞吐量很大。
3.2无线数据通信
无线数据通信是通过电磁波传送数据信息的一种通信手段。它是在有线数据通信的基础上发展起来的，实现移动状态下的数据通信。也就是计算机间或计算机于人之间的无线通信。它的优点是：相比之下用无线数传模块建立，成本廉价；无线的方式可以迅速组建起通信链路，建设工程周期短；不受地理环境限制，适应性好；相比有线通信有更好的扩展性；出现故障时则能快速找出原因，更容易实现设备维护。
4网络及其协议
4.1计算机网络
计算机网络就是通过双绞线、同轴电缆、光纤、卫星通信、移动通信、微波通信等有线或无线通道将多台计算机联系起来，实现相互通信，进行信息交换。每个用户通过网络可实现网络资源共享。计算机网络按范围划分为局域网、城域网、广域网和网际网。局域网指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组。属于一个学校、工厂、机关或一个系统组建的小范围网。城域网又称都市网。城域网它的覆盖范围一般为一个城市。广域网属于如一个国家或洲际网络。
局域网是目前使用最多的计算机网络，一个系统能运用多个局域网络，如一个系统财务部门使用局域网来管理财务账目，学校使用局域网来进行网络化教学，工厂使用局域网进行产品种类和数量的统计，交通系统使用局域网进行信号灯的控制，人事部门使用局域网来管理人员状况、档案信息以及人才的流动等。
4.2网络协议
网络协议分为用户数据报协议、小文件传输协议、时间协议、虚拟终端协议、传输控制协议、简单邮件传送协议、路由信息协议、点对点协议、IPv6Internet协议、Internet控制信息协议、开放最短路优先协议、安全超文本传输协议、超文本传输协议、高层数据链路协议、文件传输协议、动态主机配置协议、边界网关协议、网络管理协议、地址解析协议。
最常用的是传输控制协议和网际协议即TCP/IP协议，TCP/IP协议特点是具有开放体系结构，并且管理简单容易。作为互联网的基础协议，没有它就根本不可能上网，任何和互联网有关的操作都离不开TCP/IP协议。在整个因特网上IP地址是唯一的，IP协议是由32位二进制数组成的。如198.168.30.254就表示连接到因特网上的计算机使用的IP地址。
5总结
总而言之，随着Internet网技术的不断发展，数据通信技术得以普及和广泛的使用，数据通信的新技术新设备不断更新，仍然固守的话会被这个时代淘汰，需要我们不断学习新知识、了解和掌握数据通信技术。目前，在各个层次、各个领域中数据通信网络综合业务数字网方向发展，语音、视频、数据、图像等各种数据通信在各个领域、各个层面都得到广泛使用。特别是在通信领域数据通信得到了广泛应用。
参考文献：
关键词：机载LiDAR点云数据数据滤波曲率
中图分类号：N37文献标识码：A文章编号：
1引言
机载激光雷达（LiDAR，LightDetectionandRanging)主要包括激光测距系统、光学机械扫描单元、控制记录单元、全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS)、惯性测量系统(InertialMeasurementUnit，IMU)以及一套成像设备。机载LiDAR系统以飞机为载体，按设计航带获取高精度、高分辨率的地表三维坐标数据，这时一种全新的技术手段，其数据获取和处理方式弥补了传统摄影测量的缺陷，使得数据生产朝智能化和自动化的方向更进了一步[1]。
Lidar的出现不仅使得摄影测量的数据获取能力有了空前的提高，也给数据处理和信息提取提出了新的要求。之前摄影测量技术主要集中在影像数据的光谱信息处理上，而Lidar获取的三维空间数据是一系列随机离散的不规则点，其在三维空间的分布形态为数据点云，可以称为数字表面模型（DigitalSurfaceModel-DSM）。在这些激光脚点中，有的点位于真实的地形表面，有的点位于地物或植被顶面上，要得到通常说的DigitalTerrainModels-DTM或者DEM，还需进行后续处理。而自从Lidar的出现，其数据处理研究一直是该领域的热点或难点，其中滤波算法是重要的处理手段。
2LiDAR数据结构特点及处理流程
2.1LIDAR数据组成及存储格式
机载LiDAR对地表目标信息采集过程中，各个部件都采集相对应的信息数据，主要有同步时间数据、DGPS定位数据、IMU姿态参数数据等过程数据，以及坐标数据、回波强度数据等结果数据。目前各种类型的商用机载LiDAR所采集的数据也存在很大差别，在实际应用中，常用的信息为激光脉冲返回的地物的点云几何数据（坐标数据）、激光强度数据和激光回波数据等[2]。
2.1.1数据组成
1.几何数据
LiDAR主要由GPS、IMU以及激光测距仪解算出来的空间三维坐标数据组成，它记录了整个飞行区域的所有地物地形点的3D空间信息，通过坐标解算和转换完成整个地物区域的大地坐标换算。也是核心数据部分。
2.激光强度数据
接收机接收的反射激光脉冲束与测距仪发射的激光脉冲束能量比称为激光雷达的回波强度。激光强度信号反映的是地表物体对激光信号的响应特征，激光束的回波强度与激光束照射到的地面及地物的类型有关，不同材质目标反射的激光强度也不同，因此可以利用回波强度信息对反射强度差异较大的区域进行滤波、分类。
3.激光回波数据
不同的地物其回波次数和回波强度是不同的，当激光脉冲扫描到植被时，激光束可以穿透植被形成多次回波，而当脉冲扫描到光秃的地面或平整的建筑物顶面时则只产生一次回波。
4.光谱数据
机载LiDAR能够快速获取地表目标的三维坐标信息，但受激光特性的限制，不能够获取反映目标特征的光谱信息，所以很多机载LiDAR都同时搭载了多波段传感器或CCD相机，用来获取地表的影像数据。通过影像融合技术，可以将机载激光雷达系统的点云数据与地表的影像数据进行融合获取每个激光脚点的光谱信息，应用于点云数据的后处理。
2.1.2数据存储格式
目前，国际上采用的Lidar数据存储格式采用ASKII码、栅格文件和自定义二进制格式等来存储激光雷达数据，但这三种格式有其各自的弱点,都不是目前标准的Lidar商业数据文件格式。2003年5月，美国摄影测量与遥感（ASPRS）机构下的Lidar委员会了Lidar数据交换格式标准LAS1.0版本。随后该组织又陆续推出了更新版本。它是一种开放而严谨的二进制式的数据存取与数据转换框架，用于储存通过DGPS、IMU、激光测距数据生成的地表目标激光脚点的三维坐标数据，实现了数据格式的扩展和兼容性，已经被全球主要生产商所认可和使用。LAS1.0数据格式定义了数据文件的存储方式、数据存储结构以及可供扩展的参数，数据文件由公共数据块（PublicHeaderBloock)、可变长数据记录（VariableLengthRecords)以及点数据(PointData)3个部分构成。
在公共数据块中，记录了文件标识、飞行时间、回波次数、存储点数据记录所用的数据格式类型、坐标方位等信息，详细描述了数据采集的基本信息。这些详细的数据采集信息为数据的后续分析处理提供了必要的基础信息。
2.2LIDAR数据特点
1.离散性
机载LiDAR数据在空间分布形态表现为一系列离散分布的三维数据点云。这种离散的数据点云空间分布形态主要取决于地表形态以及数据采集方式。
2.多次回波
在城市地区，最有价值的通常是首次回波和末次回波，首次回波一般來自最高层次的物体，如建筑物顶、树木顶层等；末次回波则通常来自地面。
3.存在数据缺失和水体吸收
机载LiDAR是通过接收被目标反射回来的激光脉冲来获取目标物的信息，回波的强度与目标的材质有关。有的物体对激光的吸收程度较大，因此在该区域可能出现缺失回波点的情况。而在水域，大部分激光束被水体吸收，也会导致回波信号的缺失。
4.数据量庞大
激光雷达数据有很高的采样率，数据精度也高，但这些优点都是以海量数据为代价的。
机载LiDAR数据还有其他特点，如：分布不均匀、不含光谱信息、可以记录地物反射强度信息等。
2.3Lidar数据处理流程
机载Lidar数据处理是一个很复杂的过程，概括地说，整个Lidar数据处理可分为六个步骤[3]：
1.通过DGPS/IMU组合系统的数据精确确定遥感平台的飞行航迹。
2.通过对激光测距数据、IMU姿态数据、DGPS数据以及扫描角数据进行相应的处理，计算出激光脚点的三维坐标信息。一般都由机载LiDAR系统生产商提供的软件进行自动处理，得到激光点云数据。
3.应用一定的数学算法对点云数据进行滤波、分类、建筑物边缘提取以及建筑物三维重建等数据后处理。
4.机载LiDAR系统在完成对整个区域地扫描过程中，采用分航带的方式进行飞行，航带间保证一定的重叠度。在数据后处理过程中通过航带间的重叠部分将点云数据进行拼接，组成一个完整的目标区域。
5.将点云数据坐标系统转换成用户需求的坐标系统。
6.将滤波、分类获得的地面点，通过相应的操作生成DEM、DSM和DOM等最终的测绘产品。
3.LiDAR点云数据滤波
论文摘要:随着计算机技术的广泛普及与计算机远程信息处理应用的发展,数据通信应运而生,它实现了计算机与计算机之间,计算机与终端之间的传递。由于不同业务需求的变化及通信技术的发展使得数据通信经过了不同的发展历程。
数据通信是以“数据”为业务的通信系统,数据是预先约定好的具有某种含义的数字、字母或符号以及它们的组合。数据通信是20世纪50年代随着计算机技术和通信技术的迅速发展,以及两者之间的相互渗透与结合而兴起的一种新的通信方式,它是计算机和通信相结合的产物。随着计算机技术的广泛普及与计算机远程信息处理应用的发展,数据通信应运而生,它实现了计算机与计算机之间,计算机与终端之间的传递。由于不同业务需求的变化及通信技术的发展使得数据通信经过了不同的发展历程。
1通信系统传输手段
电缆通信:双绞线、同轴电缆等。市话和长途通信。调制方式:SSB/FDM。基于同轴的PCM时分多路数字基带传输技术。光纤将逐渐取代同轴。
微波中继通信:比较同轴,易架设、投资小、周期短。模拟电话微波通信主要采用SSB/FM/FDM调制,通信容量6000路/频道。数字微波采用BPSK、QPSK及QAM调制技术。采用64QAM、256QAM等多电平调制技术提高微波通信容量,可在40M频道内传送1920~7680路PCM数字电话。
光纤通信:光纤通信是利用激光在光纤中长距离传输的特性进行的,具有通信容量大、通信距离长及抗干扰性强的特点。目前用于本地、长途、干线传输,并逐渐发展用户光纤通信网。目前基于长波激光器和单模光纤,每路光纤通话路数超过万门,光纤本身的通信纤力非常巨大。几十年来,光纤通信技术发展迅速,并有各种设备应用,接入设备、光电转换设备、传输设备、交换设备、网络设备等。光纤通信设备有光电转换单元和数字信号处理单元两部分组成。
卫星通信:通信距离远、传输容量大、覆盖面积大、不受地域限制及高可靠性。目前,成熟技术使用模拟调制、频分多路及频分多址。数字卫星通信采用数字调制、时分多路及时分多址。
移动通信:GSM、CDMA。数字移动通信关键技术:调制技术、纠错编码和数字话音编码。
2数据通信的构成原理
数据终端(DTE)有分组型终端(PT)和非分组型终端(NPT)两大类。分组型终端有计算机、数字传真机、智能用户电报终端(TeLetex)、用户分组装拆设备(PAD)、用户分组交换机、专用电话交换机(PABX)、可视图文接入设备(VAP)、局域网(LAN)等各种专用终端设备;非分组型终端有个人计算机终端、可视图文终端、用户电报终端等各种专用终端。数据电路由传输信道和数据电路终端设备(DCE)组成,如果传输信道为模拟信道,DCE通常就是调制解调器(MODEM),它的作用是进行模拟信号和数字信号的转换;如果传输信道为数字信道,DCE的作用是实现信号码型与电平的转换,以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的区分外,还有有线信道与无线信道、专用线路与交换网线路之分。交换网线路要通过呼叫过程建立连接,通信结束后再拆除;专线连接由于是固定连接就无需上述的呼叫建立与拆线过程。计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。
3数据通信的分类
3.1有线数据通信
数字数据网(DDN)。数字数据网由用户环路、DDN节点、数字信道和网络控制管理中心组成。DDN是利用光纤或数字微波、卫星等数字信道和数字交叉复用设备组成的数字数据传输网。也可以说DDN是把数据通信技术、数字通信技术、光迁通信技术以及数字交叉连接技术结合在一起的数字通信网络。数字信道应包括用户到网络的连接线路,即用户环路的传输也应该是数字的,但实际上也有普通电缆和双绞线,但传输质量不如前。
分组交换网。分组交换网(PSPDN)是以CCITTX.25建议为基础的,所以又称为X.25网。它是采用存储——转发方式,将用户送来的报文分成具用一定长度的数据段,并在每个数据段上加上控制信息,构成一个带有地址的分组组合群体,在网上传输。分组交换网最突出的优点是在一条电路上同时可开放多条虚通路,为多个用户同时使用,网络具有动态路由选择功能和先进的误码检错功能,但网络性能较差。
帧中继网。帧中继网络通常由帧中继存取设备、帧中继交换设备和公共帧中继服务网3部分组成。帧中继网是从分组交换技术发展起来的。帧中继技术是把不同长度的用户数据组均包封在较大的帧中继帧内,加上寻址和控制信息后在网上传输。
3.2无线数据通信
无线数据通信也称移动数据通信,它是在有线数据通信的基础上发展起来的。有线数据通信依赖于有线传输,因此只适合于固定终端与计算机或计算机之间的通信。而移动数据通信是通过无线电波的传播来传送数据的,因而有可能实现移动状态下的移动通信。狭义地说,移动数据通信就是计算机间或计算机与人之间的无线通信。它通过与有线数据网互联,把有线数据网路的应用扩展到移动和便携用户。4网络及其协议
4.1计算机网络
计算机网络(ComputerNetwork),就是通过光缆、双绞电话线或有、无线信道将两台以上计算机互联的集合。通过网络各用户可实现网络资源共享,如文档、程序、打印机和调制解调器等。计算机网络按地理位置划分,可分为网际网、广域网、城域网、和局域网四种。Internet是世界上最大的网际网;广域网一般指连接一个国家内各个地区的网络。广域网一般分布距离在100-1000公里之间;城域网又称为都市网,它的覆盖范围一般为一个城市,方圆不超过10-100公里;局域网的地理分布则相对较小,如一栋建筑物,或一个单位、一所学校,甚至一个大房间等。
局域网是目前使用最多的计算机网络,一个单位可使用多个局域网,如财务部门使用局域网来管理财务帐目,劳动人事部门使用局域网来管理人事档案、各种人才信息等等。
4.2网络协议
网络协议是两台计算机之间进行网络对话所使用的语言,网络协议很多,有面向字符的协议、面向比特的协议,还有面向字节计数的协议,但最常用的是TCP/IP协议。它适用于由许多LAN组成的大型网络和不需要路由选择的小型网络。TCP/IP协议的特点是具有开放体系结构,并且非常容易管理。
TCP/IP实际上是一种标准网络协议,是有关协议的集合,它包括传输控制协议(TransportControlProtocol)和因特网协议(InternetProtocol)。TCP协议用于在应用程序之间传送数据,IP协议用于在程序与主机之间传送数据。由于TCP/IP具有跨平台性,现已成为Internet的标准连接协议。网络协议分为如下四层:网络接口层:负责接收和发送物理帧;网络层:负责相邻节点之间的通信;传输层:负责起点到终端的通信;应用层:提供诸如文件传输、电子邮件等应用程序要把数据以TCP/IP协议方式从一台计算机传送到另一台计算机,数据需经过上述四层通信软件的处理才能在物理网络中传输。
目前的IP协议是由32位二进制数组成的,如202.0.96.133就表示连接到因特网上的计算机使用的IP地址,在整个因特网上IP地址是唯一的。
关键词：CAD；DLG；GIS；数据转换；数据共享
0.引言
我们正在以前所未有的速度向信息化社会迈进。由于信息和空间位置的普遍相关性，GIS在人们的生产和生活中扮演着越来越重要的角色
目前，国内和国际上广泛应用的地理信息系统和测绘制图软件很多，较著名的有MAPGIS、GEOSTAR、ARC/INFO、SV300、CASS、清华山维、开思等，为了能与这些流行的软件互联互通、资源共享，编图系统要设计有输入这些软件系统的数据交换文件接口，把交换文件输入到编图系统中，经过批量或个别编辑的方式处理成编图系统标准数据。另外，编图系统也能生成与这些软件系统输出的数据交换文件一模一样的文件，利于编图系统处理的图形数据很方便地转换成这些软件系统的图形数据，达到“以不变应万变”的境界。
1.空间数据交换模式
数据交换是实现数据重复利用核数据共享的必经路径，目前实现数据交换的模式大致有：
（1）外部数据交换模式。
（2）直接数据访问模式。
（3）数据互操作模式。
（4）空间数据共享平台。
对国内大多数用户来说，外部数据交换模式在具体的工程应用中更具有可操作性和现实性，与现实的技术、资金条件更相符。根据本部门习惯用的SCS软件来进行地形图的缩编工作，此软件它能够实现数据的交换，并且数据在进行了预处理后信息不发生丢失和冗余问题。
2.数据转换
AutoCAD与Arc/Info是两种不同的软件系统，前者是CAD软件，后者是GIS软件。它们的数据文件无论在数据格式方面，还是在数据结构方面，都各自具有不同的特点。
2.1AutoCAD的数据特点
AutoCAD是一种矢量形式的CAD软件，其丰富的图形功能可以绘制出多种图形元素，除此之外，AutoCAD中的描述其性数据如元素颜色、层名等，存储在数据模型中，通过点、线、面将地理数据存储在二进制格式的文件中，缺乏属性信息。并且都存放在同一个图形文件中。
2.2Arc/Info的数据特点
Arc/Info是一种功能很强的GIS软件。Arc/Info的数据由三部分组成。图形数据、图形拓扑结构数据与图形属性数据。很特别的是，这三类数据并不存放在同一个数据文件中，而是分别放在多个文件中，如ARC、ARX、PAT、TIC等，这些文件处于同一个子目录下。但数据文件中的元素不是孤立的，而是相互联系的。
2.3AutoCAD与Arc/Info的数据转换
AutoCAD与Arc/Info的数据转换包含两方面的内容。一方面是将AutoCAD数据转换为Arc/Info数据，以便建立起图形元素的拓扑关系，并且与属性数据结合为一体，用于空间分析与管理。另一方面是将Arc/Info数据转换成AutoCAD数据，以便利用AutoCAD的制图功能及外部接口，输出整体的或专题的图形。
但在AutoCAD2004基础上安装的SCA2004（广州开思）软件已经能够加载属性信息，并且自带了GIS数据转换的工具条，给GIS软件开发和数据共享都带来了方便。
《SCSG2004》系统的图形数据交换文件采用明码文本文件方式记录，包括符号特征点、线的所有空间信息和图形属性编码信息，数据共分为8个类型：
（1）线、面状地物
（2）等高线、等深线
（3）圆形地物
（4）圆弧形地物
（5）简单点符号（高程点等）
（6）复杂点符号
（7）文字注记
（8）文件结束标识
由于二维地形编码体系是基于地形对象的符号描述特征分类的，从分类上已经达到了足够细的程度，因而上述交换文件可以容易地与当前各种GIS软件和工程应用软件包交换数据，并可按照用户的需要自由提取全部或部分信息。
3.数据入库
数据入库的示意图如图3.1所示：
图3.1数据入库流程
Coverage数据是经过拓扑关系处理过的，在Coverage中面、线要素类必须支持regions和routes，也就是不能重叠，在Geodatabase中就不需要这样。在Geodatabase中建立topology关系限制的条件有：
（1）相邻的面要素之间不能有重叠，也不能有缝隙；
（2）面要素的边界线要相吻合。
这样，Geodatabase中的拓扑关系将很少的信息存在数据库中，仅仅是拓扑参数（用到的要素类、束值、相关rank和rules）、dirtyareas、errorsandexceptions，所有其他信息在操作用到的要素类时都浮在表面，使得控制环境很松，而Coverage将所有的拓扑信息放在数据库中，有严格的一套工具来操作要素。
3.1数据通道
ArcSDE是ArcGIS与关系数据库之间的GIS通道。它允许用户在多种数据管理系统中管理地理信息，并使所有的ArcGIS应用程序都能够使用这些数据。
ArcSDE是多用户ArcGIS系统的一个关键部件。它为DBMS提供了一个开放的接口，允许ArcGIS在多种数据库平台上管理地理信息。
如果你的ArcGIS需要使用一个可以被大量用户同步访问并编程的大型数据库，ArcSDE为你提供必要的功能。通过ArcSDE你的ArcGIS可以在DBMS中轻而易举地管理一个共享的、多用户的空间数据库。
ArcInfo数据结构的建模通常是图形数据和属性数据一起放在数据库中，通过ArcSDE+SQL语句进行各项操作，这种方式的特点是数据结构较简单，开发方便，针对图形的分析很容易，但是在进行大量数据操作时，容易造成堵塞，而且不好满足一些复杂的报表类查询和统计分析。在实际应用中，速度慢、效率低，经常造成死机现象，所以不适用于大型并且信息要经常更新的系统中。
3.2数据库的选择
Geodatabase可以是小型的、单用户的数据库，也可以大到企业级、多用户的数据库。ArcSDE的首要任务就是保证你的Geodatabase能够通过任意网络让大量用户所共享、编辑和使用，并可任意调整Geodatabase的大小以满足特定的需要。
ArcSDE在DBMS中并没有对数据管理使用任何的额外手段，相反，它却是充分利用了一般的DBMS和SQL数据类型的所有优点。
ArcSDE保证能够访问多种DBMS，使用每种DBMS所支持的标准SQL类型来管理数据，并且支持所有的空间数据类型（包括要素、栅格、拓扑、网络、地形、测量数据、表格数据，以及位置数据，例如地址、模型和元数据），而无需用户考虑DBMS的底层实现。
4.结束语
本文通过对CAD与GIS两种数据特点的分析和比较，研究了当前数据共享常用的方法以及数据转换前后容易出现的问题，通过利用国家标准数据文件作为中间文件，建立了两种数据的转换模型，通过编制一系列软件，实现了大批量的DLG数据的共享。节省了人力、物力，提高了作业效率。
参考文献:
[1]宋伟东,张永彬等.数字测图原理与应用.教育科学出版社,2002.
[2]姚鑫.面向GIS的测量绘图平台的设计与实现.辽宁工程技术大学硕士学位论文,2003.
[3]陆漱芬.地图学基础[M].北京:高等教育出版社,1987.
物联网技术已成为国际备受关注的前沿热点研究领域，ZigBee技术具有低功耗、高度可扩展性、低成本、易组网等特点，已成为短距离物联网技术发展的一条主线。构建了一个基于ZigBee无线网络的物联网实验平台，设计协调器节点、路由节点和终端节点，移植并修改Miracl大数运算库，成功实现RC5和AES等数据加密算法，实现数据的可靠性传输。最后，设计了上位机监控软件，在接收到数据帧后能够进行解析、存储等操作，实时地查看网络节点的运行状态和较直观地显示监测区域的采集信息。
关键词：
物联网；CortexM3；ZigBee协议；传感器；监控软件
随着科技进步与网络的发展，物联网技术已成为全球关注的焦点并应用于多个领域，这为实现物联网的数据共享和安全等服务提供了技术保障。本文设计构建了一个基于ZigBee无线网络的物联网实验平台，深入研究物联网的数据采集与信息传输技术。
1网络节点的软硬件设计
在搭建物联网实验平台时，根据网络节点在网络中的任务特点设计了三种类型的网络节点，即终端节点（又称传感器节点）、路由节点和协调器节点。三种节点相互通信协作，共同完成数据的信息化处理。
1.1网络节点的结构设计网络节点一般由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块、能量供应等模块构成（路由节点和协调节点可没有传感器模块）。该硬件平台的网络节点采用TI公司CortexM3核的LM3S811，LM3S1138和LM3S9B96作为节点微控制器。无线收发模块是由CC2420芯片和相应的外部元器件封装而成。
1.2网络节点的软件设计网络节点的软件设计框架如图1所示。软件底层采用的是μC/OSⅡ操作系统。节点软件的操作系统之上为ZigBee协议栈，通过这个协议栈实现树簇的网络结构。在网络节点的软件设计中，整个工程创建了多个用户文件夹，分类存储程序源文件。其中μC/OSⅡ的文件夹中存放的是μC/OSⅡ操作系统源码相关文件，Stack文件夹中是有关MsstatePAN协议栈的源码等相关文件，Target文件夹中是程序目标代码，Middleware文件夹中是一些中间件的代码，主要包括微控制器外部接口的代码实现等。LM3SDriverLib是TI公司提供的针对CortexM3系列微控制器的驱动库[1]。
1.3通信协议帧设计在建设过程中，为了方便其他设备对信息的识别和统一整个监控网络的数据帧的格式，自定义用户数据帧格式，具体数据位定义如图2所示。需要注意的是，接口数据是以ASCII码形式传送的，一个字节型的整数需要两个ASCII码表示，因此以上数据都要转换成字符串的形式，按照用户自定义的数据帧与上位机PC进行数据通信。在组网过程中，根据用户数据帧协议的约定，定义了3个特殊的数据帧提供给各节点，用于向上位机汇报组网状态。
2ZigBee无线网络的信息传输
ZigBee是一种面向自动控制的低传输率、低功耗、低价格、近距离的双向无线网络通信技术，基础是IEEE802.15.4，其三个工作频段2.4GHz，915MHz和868MHz是完全免费开放的。ZigBee的传输范围依赖于输出功率和信道环境，网络节点间的传输距离可以从标准的75m扩展到几百米，甚至于几千米。
2.1ZigBee网络的技术特点与WiFi，Bluetooth，GPRS/GSM相比，ZigBee网络具有成本低、体积较小、功耗低、易于扩展、感应性强等特点，适用于控制节点较多、传输量不大、覆盖面相对较广以及造价成本比较低的无线网络应用系统中[23]。
2.2ZigBee网络节点的拓扑结构根据ZigBee网络中设备的功能不同，IEEE802.15.4把ZigBee网络中的设备分为全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）和精简功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）。根据设备在网络中承担的任务不同，ZigBee网络中的节点分为三种类型，即协调器节点ZC（ZigBeeCoordinator），路由节点ZR（ZigBeeRouter）和终端节点ZE（ZigBeeEndDevice）[4]。ZigBee以一个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、串（树）状、网状等网络拓扑结构。
2.3ZigBee协议栈框架完整的ZigBee协议栈由应用层、应用支持层、网络层、数据链路、媒体接入层（MAC）和物理层（PHY）组成，协议栈中的每层都含有特定的功能和服务。中间层都为其上一层提供一系列特定的服务，其中每层的数据实体提供相对应的数据传输服务，管理实体负责其他配套服务。每层的服务实体通过相应接口与上一层进行数据交换，为上层提供数据传输服务。
2.4MsstatePAN协议栈的移植采用硬件平台的收发功能主要通过CortexM3系列微控制器控制CC2420模块实现，选用原PIC微控制器+CC2420的协议栈为模板。在对MsstatePAN协议栈的结构与工作机制大致了解的基础上，修改硬件平台有关驱动，顺利在Keil和IAR的开发平台上将MsstatePAN协议栈移植到了LM3S811，LM3S1138，LM3S4749，LM3S9B96等同系列目标开发板上。LM3S811/9B96微控制器使用串口进行通信，需充分利用其提供的UART驱动函数，在程序中只需对UART硬件资源进行简单配置和初始化，就能实现数据的传输。
3物联网的前端数据采集
本节主要介绍DS18B20温度传感器、SHT11温湿度传感器、MMA7260三维加速度传感器、TSL230光频转换器和RFID等模块。3.1DS18B20温度传感器DS18B20是美国Dallas半导体公司推出的一款支持“单总线”控制接口的温度传感器[5]。该传感器温度采集转化后得到的12位数据存储内部的两个8位高速暂存器RAM，RAM中的第一个字节存放测量温度数据的低8位，第二个字节存放数据的高8位。利用DS18B20特有的控制命令集进行操作，将数据正确读入到微控制器，命令集分为ROM操作命令集和内存操作命令集。设计中，基于TI的LM3S811/1138微控制器采用C语言程序来实现对DS18B20的操作，芯片采用默认的12位采集数据模式，转换的时间一般低于750μs。实践表明，单总线方式的温度传感器DS18B20具有控制简单、易于扩展和成本低等优点。同时，利用微控制器读取传感器数据的程序相对比较简单，读取的温度值也相对比较精确。
3.2SHT11温湿度传感器SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器内部的测湿元件、测温元件将监控区域的湿度和温度转换成相对应的电信号，同时将产生的电信号输入到信号放大器中，然后将放大的模拟电信号输送至内部的A/D转换器，转化数据存储在内部的寄存器中。传感器经过二根I/O数据线与微控制器进行通信，并将转换数据发送出去。传感器通过两线串行接口和微控制器LM3S811/1138相连接，采用普通I/O与传感器模块相连，模拟SHT11芯片能识别的时钟信号，并通过DATA数据线直接获取采集数据，无需额外A/D转换电路，大大简化了传感器和微控制器之间的硬件连接。
3.3TSL230光频转换模块TSL230使用硅光二极管测量光照强度，具有响应快、稳定性好等特点，广泛应用于照相机曝光控制、舞台灯光检测、医学光照诊断等领域。内部由光强采集、光/频转换、频率信号处理三部分组成，外部由8引脚PDIP封装。
3.4MMA7260三维加速度传感器采用LQMMA7260模块检测物体的运动状态。可以通过其本身提供的休眠模式来降低芯片功耗。具体方法为待传感器数据采集完毕后，通过SLEEP引脚来控制MMA7260是否进入休眠，当SLEEP引脚接到低电平信号时，传感器进入休眠模式，此时电流为3μA；当SLEEP接到高电平信号时，传感器便恢复工作。采用LQMMA7260模块与LM3S811微控制器进行连接，模块的三路电压分别与微控制器的A/D转换输入引脚相连，并采用ADC多通道采样的方法对三路模拟数据进行模/数转换。
3.5校园一卡通的信息采集设计一款读卡器可以快速准确地读取校园一卡通编号。读卡模块采用AKRFMOD05CD芯片，读卡器模块将采集的卡片信息按照Wiegand数据协议标准传输，通过WD0和WD1引脚进行输出。微控制器LM3S1138通过两个I/O引脚对数据进行接收，其接口电路如图3所示。读卡器模块的数据输出引脚WD0和微控制器的PB0相连，WD1和PB1相连。程序开始后，初始化PB0和PB1两引脚为输入方式，并设置为下降沿的中断触发，当两根线上有低电平出现时，进入相应的中断服务程序中接收Wiegan数据。在中断服务程序中判断触发中断的引脚编号和传输数据，同时将数据存储在用户开辟的数据缓冲区中。使用数字式示波器对读卡器的DATA0和DATA1线在协议位给出高电平时的波形图进行截取和分析，读卡器模块选择Wiegand26协议，将一张校园卡放置在读卡器上，其中上侧为WD0输出信号线波形图，下侧波形为WD1输出信号线波形图，与韦根协议理论波形对比，得出该卡的Wiegand26数据为“00000110100010010100110111”，数据波形与微控制器采集的数据保持一致。
4信息的加密传输
数据加密的本质就是对明文（文件或数据）按照预定的方法进行特殊处理，使其变为无法进行直接可读的一段代码或乱码数据。针对加入网络的节点，系统需要对申请入网的节点进行一个比较严格的入网认证。在网络的数据传输过程中，传输数据需要经过高强度密码算法进行加密处理，防止私有数据的窃听，保证数据的可靠性传输[6]。
4.1信息通信的数据加密一般数据加密可通过无线通信网络中的三个层次来实现，分别为链路加密、节点加密和端到端加密。链路加密要求网络节点之间的数据通信中的数据必须是不可读数据，包括路由信息、目的地址等数据。节点加密算法的操作方式与链路加密大体一致，在ZigBee通信链路上为传输的数据帧提供安全保障。在整个ZigBee网络数据通信过程中，端到端加密又称脱线加密或包加密，用户可以自行设计一些加密算法对数据帧中的负载数据进行加密，只有当目的网络节点接收数据帧时，才通知本节点的上次去解密数据帧。
4.2常用的无线传感网数据加密算法Miracl库是ShamusSoftwareLtd开发的一个基于大数运算的函数库，是编写密码安全方面的程序所必备的一个算法模板库，是当前应用比较广泛的基于公钥加密算法实现的大数库之一。RC5是由RSA公司的Rivest于1994年提出的一种新型的分组加密算法。结合TI公司的ARMCortexM3系列微控制器的特点，由于该类型微控制器的存储字长为32位，特设置该RC5算法的三个参数可定义为：字长为32位，加密轮数为12轮，密钥长度为16B，可用符号表示为RC532/12/16。在加密系统中，首先创建密钥组，在创建完密钥组后，开始对明文数据进行加密。针对AES加解密算法，利用Miracl开源库中的相关函数，编写适应于微控制器的特定程序。其中节点进行AES加解密数据流程如图4所示。
5上位机监控软件开发
5.1监控软件总体设计该监控软件采用VisualStudio系统平台进行开发，利用现代计算机技术、数据通信技术、图形学等技术，将分布于监控区域的各类设备的运行参数和采集信息以文字、图形、图像等形式展示给用户，实现监控软件的可视化控制，实现对远程ZigBee网络节点设备的自动化控制。本系统监控软件的框架设计模型如图5所示。
5.2监控软件与协调器节点的数据通信采用标准串口和USB两种通信模式实现微控制器与监控软件的数据通信。为了较好地完成串口通信任务，LM3S811/1138/9B96微控制器可以利用TI公司提供的驱动库配置UART资源，然后通过调用UARTCharPut和UARTCharGet等函数来实现下位机串口数据的收发。上位机监控软件利用多线程串口编程工具CserialPort类进行开发，CserialPort是由RemonSpekeijse编写的免费串口类，其内部函数完全透明，并允许对相关类的内容进行改造、补充和完善等[7]，其内部重要函数如表1所示。本文对CserialPort进行修改，以满足系统的整体需求。程序设计中需要创建一个监视线程负责监视可用串口产生的各种信息。读/写串口操作需要WaitCommEvent和WaitForMultipleObjects等函数配合监视线程共同完成。一个典型的USB应用系统由USB设备、USB主机和USB电缆组成。在本课题中，协调器节点是USB设备，USB主机则是具有USB接口的计算机。上位机监控软件的USB数据通信需要调用TI公司提供的动态链接库LMUSB.dll，程序可以采用显式链接和隐式链接两种方式调用LMUSB.dll动态链接库。在USB接口程序的设计中，首先利用设备管理器查看具有USB硬件资源的协调器节点的PID，VID和GUID等相关信息，然后加载动态链接库LMUSB.dll。程序通过调用InitializeDevice函数初始化协调器节点设备，待初始化成功后，监控软件创建接收数据线程，线程中调用ReadUSBPacket（）函数去接收协调器节点设备发送的数据帧。在使用完USB设备后，需要通过调用TerminateDevice函数释放USB设备。待完成数据通信以后，上位机软件需要创建专门的线程用于接收协调器节点传输的数据帧。然后根据自定义的数据帧格式，编写专门的函数对接收的数据帧进行解析，然后将数据分类存储在相对应节点设备的结构体中。用户可以自定义网络节点数据帧发送周期，监控软件根据预先设定的周期内是否收到该节点的数据帧去判断其在网络中的组网状态。
5.3绘图模块本节中将部分终端节点采集的信息以曲线等形式显示出来。本软件选用TeeChartPro作为图表、图形控件，它和VisualStudio平台具有较好的兼容性。它提供了上百种2D和3D图形风格、40余种数学统计功能以及20余种图标操作工具等，图6为添加TeeChart控件类的步骤图。5.4ZigBee组网功能测试在整个测试过程中，终端节点负责采集检测区域的数据，并按照自定义的数据帧格式进行封装，然后发送至协调器节点；协调器节点主要负责创建和维护网络，并将收集的帧发送至上位机监控软件。监控软件能够对各个网络节点的组网状态进行有效判断，路由节点和终端节点可以根据实际需要定时地向协调器节点发出成功组网状态标志数据帧。本节选用LM3S9B96作为微控制器的网络节点，或者整个测试网络的协调器节点，以LM3S811/1138作为微控制器的网络节点，终端节点或者路由节点。对协调器节点建立网络的过程、终端节点加入网络的过程、树型拓扑网络系统进行了检测，选择树型拓扑网络系统测试进行详细说明。当协调器节点组建网络，把编写好的路由节点程序下载到编号为一号和二号的路由器节点上，然后逐个按下开发板上的Reset按键，等待其加入网络。如果路由器节点成功组网后，并向协调器节点发送路由器成功组网标志数据帧，监控软件接收到该数据帧后，该路由节点设备相对应的组网图标为绿色（红色表示未加入网络）；然后依次上电复位编号为1~5的传感器采集节点，待节点成功加入网络后，监控软件根据相关数据形成检测ZigBee网络拓扑图。根据形成的网络拓扑图可知，共计有1个协调器节点、2个路由器节点、5个终端节点共同组成此时的ZigBee监控网络。
6结论