嘉復(fù)欣GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水情報(bào)汛的應(yīng)用

在水情自動測報(bào)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸是不可缺少的環(huán)節(jié)。近年來移動公司的技術(shù)發(fā)展及其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)商業(yè)化應(yīng)用，使得GPRS通信手段在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用成為可能。通過分析GPRS應(yīng)用原理，進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法設(shè)計(jì)，并通過應(yīng)用試驗(yàn)，得出利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水情報(bào)訊是有效的，也是可行的。

環(huán)境：通信信道 GPRS RTU 分中心

一．前言

在建設(shè)水文自動測報(bào)系統(tǒng)及防汛指揮系統(tǒng)水情分中心的工程中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸是必不可少的環(huán)節(jié)，國家防汛指揮系統(tǒng)由四個(gè)子系統(tǒng)組成：(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和水文測驗(yàn)設(shè)施的改進(jìn)；(2)數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，(3)計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；(4)防汛會商業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)的任務(wù)是非常明確的，就是要將野外現(xiàn)場的遙測數(shù)據(jù)傳送到分中心。

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ攀侄我呀?jīng)有許多種了，它們主要是：超短波通訊，短波通訊，有線PSTN通信，GSM通信(分SMS和GPRS兩種方式)，CDMA，光纖通信以及衛(wèi)星通訊(含多種衛(wèi)星通道)等。隨著公網(wǎng)通信事業(yè)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，還將進(jìn)一步出現(xiàn)新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通訊方式。

2002年5月后，中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入了商業(yè)化實(shí)用階段，從而為我們提供了利用國家公網(wǎng)傳輸水情數(shù)據(jù)的又一種方法。該通信手段在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

二．GPRS概述

1 GPRS應(yīng)用原理

GPRS (General Packet Radio Service) 通用分組無線業(yè)務(wù)是一種基于數(shù)據(jù)包的無線通訊服務(wù)。理論上它將使得通訊速率從56 Kbps一直上升到114Kbps，且支持計(jì)算機(jī)和移動用戶的持續(xù)連接。GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的，在理論上，GPRS數(shù)據(jù)包通訊服務(wù)的花費(fèi)比電路交換服務(wù)所花的費(fèi)用要少，其通信信道是共享的，僅在需要的時(shí)候才有數(shù)據(jù)包傳輸產(chǎn)生，因此比使用專用的連接要節(jié)省很多資源。GPRS移動用戶可以隨時(shí)訪問自己的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)，而不是每次都需要撥號上網(wǎng)，從而為用戶提供更加簡單的應(yīng)用服務(wù)。

GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動終端和網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)了“永遠(yuǎn)在線”的連接，網(wǎng)絡(luò)容量只有在實(shí)際進(jìn)行傳輸時(shí)才被占用。GPRS的實(shí)際速度典型值比理論速度慢，介乎14.4~43.2 kbps(上下行非對稱速率)左右。GPRS將是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)即時(shí)接入的標(biāo)準(zhǔn)，也是邁向3G/UMTS的過程。

采用移動GPRS技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送，費(fèi)用低，使用方便，不受地域限制，便于業(yè)務(wù)發(fā)展，具有很好的發(fā)展趨勢，從SMS到GPRS到將來的3G，是一種更經(jīng)濟(jì)便捷的通訊之路，可以構(gòu)架更為廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)靈活的信息網(wǎng)絡(luò)傳輸。

GPRS是基于數(shù)據(jù)分組傳送的，能提供連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，具有比SMS更好的數(shù)據(jù)傳送速度和能力，且能夠始終在線，通信費(fèi)用是按照實(shí)際傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行結(jié)算的，運(yùn)行費(fèi)用低。

2 GPRS傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

(1)相對GSM撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有“高速”和“在線”的優(yōu)點(diǎn)。

(2)除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有"在線"的特點(diǎn)，即用戶隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。有數(shù)據(jù)傳送時(shí)就在無線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)傳送，終端就進(jìn)入一種"準(zhǔn)休眠"狀態(tài)，釋放所用的無線頻道給其他用戶使用，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當(dāng)用戶再次傳送時(shí)，手機(jī)立即向網(wǎng)絡(luò)請求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，不需頻繁撥號。

(3)GPRS數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，且可以傳輸批量數(shù)據(jù)，對水文應(yīng)用來說還可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)存儲數(shù)據(jù)無線下載，這一個(gè)特點(diǎn)是超短波、GSM短信、PSTN以及衛(wèi)星通信所不能替代的。

3 GPRS組網(wǎng)設(shè)計(jì)

3.1 組網(wǎng)及中心站的GPRS數(shù)據(jù)接入方法

根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的特點(diǎn)，我們對中國移動提供的GPRS接入方法進(jìn)行綜合分析，考慮到性價(jià)比和易用性，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入選擇了在水情分中心采用GPRS無線Modem進(jìn)行接入的應(yīng)用方式，為用戶建立自己的無線VPN專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，提供各種速率的高質(zhì)量、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠谰没虬胗谰眯詫Ｓ猛ㄓ嶆溌罚谶h(yuǎn)地遙測端，水文數(shù)據(jù)的傳輸均通過GPRS無線DDN來實(shí)現(xiàn)。無線DDN利用GPRS移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，是非常適合點(diǎn)多分散野外環(huán)境條件差的系統(tǒng)，也適合使用環(huán)境。GPRS組網(wǎng)原理見圖1。

圖1

用戶申請了GPRS專用VPN后，根據(jù)移動運(yùn)營商分配給數(shù)據(jù)中心Modem網(wǎng)內(nèi)固定IP地址，數(shù)據(jù)中心通過無線GPRS Modem與遙測站實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對中心的數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)地遙測站根據(jù)配置的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)內(nèi)IP地址與數(shù)據(jù)中心建立數(shù)據(jù)通道。這種接入方法的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，外界的終端或節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入，數(shù)據(jù)安全性好。

(2)數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

(3)接入成本僅為DDN專線接入的三分之一。費(fèi)用有所降低，靈活性有所提高，不需要土建施工。

(4)使用帶寬在40—80K之間，通訊性能已能滿足水情報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸要求。

(5)中心接入點(diǎn)或遙測站均可綁定內(nèi)網(wǎng)固定IP，偶爾掉線可以再繼續(xù)自動上線，不會丟失中心端的地址。

GPRS水情遙測組網(wǎng)原理

3.2 GPRS帶寬估算

若水情分中心系統(tǒng)有50個(gè)遙測站點(diǎn)，每個(gè)站自報(bào)遙測數(shù)據(jù)包為20個(gè)字節(jié)，單站數(shù)據(jù)流則為200bit，50個(gè)站為10K bit，若要求在2s內(nèi)全部傳送完畢，其占用帶寬約為5 kbps，若要求在1s內(nèi)全部傳送完畢，其占用帶寬約為10 kbps，小于中心端實(shí)際傳輸帶寬。況且，水文數(shù)據(jù)的傳輸并不是每時(shí)每刻都進(jìn)行的，實(shí)際上水文遙測系統(tǒng)占用的帶寬更窄。

遠(yuǎn)端遙測站屬區(qū)GPRS實(shí)際傳輸帶寬一般大于40k，由于水情遙測站點(diǎn)的分布特性，一個(gè)基站范圍內(nèi)站點(diǎn)數(shù)目非常有限，所以野外站點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳是完全沒有問題的。

3.3 數(shù)據(jù)上傳

各個(gè)水文遙測站采集系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)打包后送到GPRS模塊，GPRS模塊根據(jù)實(shí)現(xiàn)定義的APN連接方式將打包好的數(shù)據(jù)增加部分冗余碼和校驗(yàn)碼并轉(zhuǎn)換成適合在無線鏈路上傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包信號。移動公司局端的專用APN收到信號后透明傳遞到水情分中心。

3.4 命令下傳

同樣，由于是透明傳遞，水情分中心可以將命令、對遠(yuǎn)端遙測站的設(shè)置參數(shù)等透傳到遙測站點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程讀取和遙測站工作參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置。

三．GPRS應(yīng)用方法

根據(jù)圖1的原理，我們在遙測站中配置GPRS無線 DTU，中心站使用GPRS無線Modem。在有GPRS信號覆蓋的地點(diǎn)組網(wǎng)建站，實(shí)際使用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

1 GPRS無線DTU模塊的選用

GPRS終端采用符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的GPRS無線DTU/GPRS模塊GF-2008w。

DTU/GPRS通信模塊是一款專門為需要無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備開發(fā)的無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換器。DTU/GPRS實(shí)現(xiàn)了無線GSM協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換，與之相連的終端設(shè)備無需支持GMS協(xié)議處理能力，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)只需, 通過串口向DTU/GPRS發(fā)送串口格式數(shù)據(jù)，DTU/GPRS會自動地加上GSM無線通信的協(xié)議，把串口數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成GSM無線通信的協(xié)議數(shù)據(jù)包，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)；同時(shí)對方主機(jī)通過無線GSM發(fā)送過來的數(shù)據(jù)通過DTU/GPRS協(xié)議轉(zhuǎn)換后，也以透明的串口數(shù)據(jù)方式傳回給中心站水情工作站主機(jī)。只要提供RS-232接口的設(shè)備都可以通過DTU/GPRS實(shí)現(xiàn)無線GSM數(shù)據(jù)傳輸。終端設(shè)備和DTU/GPRS間交互采用簡單的串口包格式，所有的GSM協(xié)議棧協(xié)議都由DTU/GPRS完成轉(zhuǎn)換。通過DTU/GPRS實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

模塊特點(diǎn)如下：

(1)完成了GSM協(xié)議棧轉(zhuǎn)換；

(2)實(shí)現(xiàn)串口透明的無線數(shù)據(jù)傳輸；

(3)支持GSM數(shù)據(jù)包交換；

(4)支持GSM900/DCS1800/PCS1900MHZ三頻段網(wǎng)絡(luò)；

(5)通過FTA測試，可供二次開發(fā)；

(6)采用CLASS 10無線模塊，高速傳輸，穩(wěn)定可靠。

技術(shù)參數(shù)如下：

(1)接口類型：RS232接口

(2)工作頻段：GSM900/DCS1800/PCS1900

(3)接收靈敏度：-104dbm

(4)發(fā)射功率：CLASS4 (2W) /EGSM900；CLASS1(1W)/DCS1800 CLASS1 (1W)/PCS1900

(5)頻率誤差：<=0.1ppm

(6)符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)

(7)GPRS Class 2-10

(8)編碼方案：CS1-CS4

(9)符合SMG31bis技術(shù)規(guī)范

(10)支持A5/1&A5/5加密算法

外置型模塊直流電壓輸入范圍寬(+5~26VDC)，工作溫度：-20~65℃，濕度范圍：0~95%,非冷凝滿足復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，使用方便、靈活、可靠，體積小、功耗低，適合嵌入式使用。

2 GPRS無線DTU模塊在水情遙測終端RTU中的嵌入設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)基于YDH-1A水文遙測終端設(shè)備，YDH-1A型遙測數(shù)傳終端RTU是由微處理器控制的通用設(shè)備，由于采用拔插式模板結(jié)構(gòu)而成為分布式的終端類型，根據(jù)應(yīng)用的需要可以組成不同的類型。借助YDH-1A通信控制模板，利用模板上的RS-232硬件接口對GPRS無線 DTU模塊進(jìn)行控制，完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程收發(fā)任務(wù)。

水文遙測終端組成框圖

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于圖3所示的控制流程。

遙測數(shù)傳終端GPRS數(shù)據(jù)傳輸流程

3 GPRS應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇與實(shí)驗(yàn)方法

為了GPRS能在全國水文測報(bào)系統(tǒng)建設(shè)中得到應(yīng)用與推廣，為系統(tǒng)建設(shè)提供先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸手段做好技術(shù)準(zhǔn)備，我們選擇在廣東省惠州市進(jìn)行了GPRS組網(wǎng)實(shí)地運(yùn)行實(shí)驗(yàn),通過廣東移動提供的VPN專用虛擬網(wǎng)進(jìn)行水文報(bào)汛GPRS傳輸，驗(yàn)證GPRS傳輸水情的可行性和實(shí)用性。

參加實(shí)驗(yàn)的水文遙測站點(diǎn)選在A地點(diǎn)(站號10)和B地點(diǎn)(站號11)。水情分中心設(shè)在C地點(diǎn)水文分局。

實(shí)驗(yàn)方法是在A地點(diǎn)(10)、B地點(diǎn)(11)建設(shè)GPRS遙測站點(diǎn)，各站設(shè)置為1h定時(shí)自報(bào)，雨量1mm增量自報(bào)以及水位1cm增量自報(bào)，中心站24h開機(jī)接收報(bào)文。

為保證通信質(zhì)量，首先要保證站點(diǎn)安裝質(zhì)量，若站點(diǎn)信號場強(qiáng)不高，則使用室外延長天線改善效果，同時(shí)也能節(jié)約功耗。天線不允許水平放置，必須垂直放置。

遙測站使用太陽能電池板和進(jìn)口免維護(hù)蓄電池組合提供RTU和GPRS DTU的電源。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后從計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中提取信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)庫記錄的報(bào)文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下：

(1) 傳輸時(shí)延一般在1~3s之間。

(2) 1h定時(shí)自報(bào)報(bào)文完整，無一缺失。

(3) 水位雨量增量報(bào)報(bào)文正常。

3.3 經(jīng)驗(yàn)與啟示

(1) 根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的實(shí)際需要和水文報(bào)文的及時(shí)性，中心站必須具備真正意義上的“在線”功能，具體的實(shí)現(xiàn)方法是中心站對無線Modem應(yīng)有自動維護(hù)的功能。

(2) 為了保證水文報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸萬無一失，中心端軟件應(yīng)具有接收數(shù)據(jù)確認(rèn)并向遙測站發(fā)送回執(zhí)的反饋機(jī)制。若遙測站在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有接收到中心站的回執(zhí)，遙測站應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)報(bào)，這樣可以防止GPRS數(shù)據(jù)傳輸中有可能發(fā)生的掉包現(xiàn)象。

(3) 因GPRS通道是雙向的，因此除遙測站數(shù)據(jù)可以上傳外，還可以實(shí)現(xiàn)中心對遠(yuǎn)地RTU的遠(yuǎn)程設(shè)置和控制，另一個(gè)重要的特性是可以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程讀取遙測站固態(tài)存儲的數(shù)據(jù)，這個(gè)功能是其他通信不易做到的，應(yīng)積極開發(fā)利用。

四．結(jié)語

根據(jù)國家防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)書的要求，參照以往水文自動測報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

(1)有國家公網(wǎng)可以利用的，盡量不要建設(shè)自己的專網(wǎng)；

(2)有無線信道可資利用的，不要使用有線信道。這兩條原則可以極大地提高系統(tǒng)長期運(yùn)行的可靠性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水文自動測報(bào)系統(tǒng)和國家防汛指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信傳輸子系統(tǒng)中引入GPRS數(shù)據(jù)通訊手段不但是有效的，也是可行的。隨著將來3G時(shí)代的到來，現(xiàn)代通信技術(shù)同水利事業(yè)相結(jié)合的技術(shù)發(fā)展更趨明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] SL61-2003 水文自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(S)

[2]《GF-2008W使用說明書》 北京嘉復(fù)欣公司

摘自 水利部南京水利水文自動化研究所
更多詳情請登錄：http:///info/200719/200719150841.shtml