宏电基于GPRS通信的水情采集应用方案

1历史背景分析及目前几种通信方式比较
1.1历史背景分析
水利数据的遥测在中国水利行业的应用已有多年的历史，但随着计算机和通信技术的飞速发展，水利数据遥测的传输方式也随着变化。
70年代中至80年代中期，行业内主要采用国外进口或捐助的无线超短波设备进行传输。80年代中期后，水利部开始鼓励国内研究所和高校开始自行研发超短波遥测设备。
90年代开始应用包括超短波、卫星、PSTN有线公网和800M集群通信传输。但超短波传输一直扮演非常重要的角色。90年代末期开始，已陆续利用INTERNET网络技术和GSM短信方式进行传输，但并未有大规模组网实施。
1.2水利数据遥测中几种通信方式的比较
水利数据遥测中通信组网方案是多种多样的，但不外乎两种类型，即单一通信方式和混合通信方式。常见的通信方式有：超短波、有线电话、卫星、GSM、GPRS等几种，它们都可以单独组成水利数据遥测网络。混合通信方式由以上通信方式不同组合而成，可以衍生出很多种组网方案。
1.2.1 超短波
超短波一般是指30MHz～3000MHz频段的无线电波，其传输机理是对流层内的视距与绕射传播。在水利数据遥测系统中，测站实测的水利信息，送入遥测终端机（RTU），经过信源和信道编码，由调制解调器调制成射频载波，经功率放大后发射到中继站。中继站接收到测站发来的射频信号，解调成音频信号，经中继仪解调成数字信号、纠错编码、数据再生、调制、放大后发送回中心站；中心站将信号解调、信道译码和信源译码后，经前置计算机送入主计算机系统。
超短波组网的优点：
①、技术成熟，设备简单易于配套；
②、实时性好；
③、独立性好，完全是自身的专用网络。
超短波组网的缺点：
①、在无线电通信拥挤的地区，干扰日趋严重；
②、防雷地网要求高，野外设备防冻害的技术措施难度大、成本高，建设费用大，维护管理不便；
③、对通信效果差的站点，需建多级中继站级联，降低系统可靠性。
1.2.2 卫星传输
随着科学技术的进步，卫星通信应用越来越多。卫星通信组网就是在监测站配置“数据采集平台”（DCP），将水利数据信息发射到卫星，经卫星转发到地面网管中心，登记后再由网管中心将信息发到卫星，然后转发到地面接收平台（DRP）。
在移动通信网络覆盖不到，而超短波通信又需增加中继站的报汛站点采用卫星通信，是一种比较可行的办法。
卫星信道组网的优点：
1．传输距离远、覆盖范围广、传输质量好；
2．由于各发射点、地面站与卫星之间采用视线传输，因而不受地形、地物的阻挡，特别适用于地形复杂地带的通信；
3．数传速率较有线、超短波和GMS组网方式高；
4．室外只有小天线，易避免冻害。
卫星信道组网的缺点：
1．卫星平台耗电较大，采用直流供电时需配置较大容量的电池和浮充电设备；
2．卫星终端设备成本高，卫星平台的价格较贵，另外，虽然系统采取按时收费，但使用成本和运行维护费依旧很高。
1.2.3　PSTN
有线组网方式是利用公用电话线路，在每个监测点分配一条电话用户线，数据接收中心利用电话拨号的方法采集各监测点的数据信息。
有线信道组网的优点：
1、 无需土建，建设成本低、建设周期短。有线组网的通信设备也较超短波、GSM、卫星等通讯方式便宜。
2、通信平台有保障，不同站点的传输信号间不易产生相互干扰；
3、通信距离不受地形地域的限制；
有线信道组网的缺点：
1、野外电话线缆易遭受雷电干扰，易受人为破坏；
2、数据采集速度受电话线路质量和线路忙闲的影响，畅通率有时不高；
3、系统只宜采用召测工作方式，不宜采用自报方式，由于每一个站的应答查询均必须通过拨号、接通、传输、挂机等阶段，因此数据收集周期长；
4、线路走向需跨越桥梁、铁路、公路时，施工困难，投资费用高。
1.2.4　GSM移动通信信道
当前移动通信业务发展迅猛，我国的手机拥有量目前已跃居世界第一位。根据前景预测，GSM业务覆盖范围将遍及世界每个角落，利用GSM手机的短信息功能传送水利数据或其它短数据不失为一种理想的手段。
GSM移动通信信道组网的优点：
1、利用公网，不需自建和维护通讯网；
2、通信平台（GSM）有保障，且不同站点的传输信号之间不易产生相互干扰；
3、通信速率较高，可达19.2Kbps；
4、通信线路和设备不易遭受雷电袭击和人为破坏；
5、组网灵活，站点的变动和扩充容易；
6、设备耗电省，费用低。
GSM移动通信信道组网的缺点：
1、受当前GMS网络覆盖的限制，可能有些偏远的站点无法通信组网；
2、短信息的接收会出现时延的现象，设计时要根据系统规模考虑解决瓶颈的问题。
1.2.5? GPRS通用无线分组业务
GPRS是通用无线分组业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输网络，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，而且GPRS是根据流量计费的，所以运营费用比GSM方式要低得多。
由于GPRS是基于IP的,因此在传统的远程监控应用上,不仅可以提供GSM可以提供的数据拨号/SMS通讯方式,而且可以让用户开发基于INTERNET的应用系统,从而彻底根除了数据拨号价格高,SMS延时长的缺点,从而使用户开发的系统整体性能和可靠性得到了很大提高,系统运行成本也大幅下降。
优点：
①永远在线：只要激活GPRS应用后，将永远保持在线，类似于一种无线专线网络。
②按流量计费：只有产生通信流量时才计费，是一种面向使用的计费，计费方式更加科学合理。
③快速登录：全新的分组服务，无需长时间的拨号建立连接过程。
④利用公网通信质量好，技术成熟、稳定，组网灵活，移植性强。
⑤不易被雷击，建设周期短。
缺点：
①因为是永远在线，对遥测站的供电要求较高。建议配备的GPRS通信模块具有自动掉电功能。
②网络能否组网由站点信号强度决定。
1.2.6 综合对比分析
以下对主要的几种遥测通信组网方式作出对比。
通信方式对比表

综合分析：
通信方式各有特点，本身并没有优劣之分，选择时应根据各地不同的环境条件、网络条件和经济条件，从技术可靠性、运行费用、建设成本进行综合考虑，因地制宜的选择适合的组网方式。
在一个系统中，可以采用多种信道并存的方式，这就要求遥测设备、中心的通信机有较强的通信处理能力。根据上表对比，在移动公网覆盖的地域，可以充分利用GPRS/GSM移动通信网络的数据传输特性，采用GPRS数据传输为主、GSM短消息传输为辅，并且二者可以自动灵活切换的通信方式具有一定的优势。

2　GPRS/GSM通信技术在水利数据遥测中应用设计
2.1　GPRS/GSM通信组网结构
2.1.1 GPRS/GSM通信组网系统总体结构
系统由数据采集点（遥测站点）、数据传输部分（GPRS/GSM通信网络及光纤网络）、后台应用软件（遥测应用平台软件）及中心站（分中心及总控制中心）四个部分组成。
从数据流和控制流上，分中心（分局）到总控制中心、分中心与终端测站间均是星型结构。




系统工作原理及流程：
遥测终端测站采集到数据可以通过两种方式送到分局。
一种是通过GPRS信道以UDP或TCP 数据包形式送到。另一种是通过GSM信道以短信数据包形式送到。
前置机取得数据后，处理数据并将数据添加到本地数据库和WEB服务器的SQL-SERVER数据库中。WEB服务器将数据进一步处理并发布，本地局域网上的机器可通过WEB服务器对数据进行浏览、查询。物理上前置机和数据库和WEB服务器通过交换机相连。通过水文专用网络将分局接收到的数据定时同步到省局，并添加到省局统一的数据库。
2.1.2 遥测站结构
遥测站由遥测终端机（RTU）、现代化信息采集装置、数据传输装置、遥测供电设备四部分组成。
1、遥测终端机：遥测终端RTU连接到采集装置，将采集装置采集到的数据进行处理。
2、现代化信息采集装置：可由水位计、雨量计、风向风速传感器等各种智能传感器组成，功能是对所需要的数据进行采集并将采集结果传送给遥测终端机。
3、数据传输装置：GPRS/GSM无线数据通信终端。
4、遥测供电设备：由太阳能电池板、太阳能充电控制器和蓄电池三部分组成，负责对整个遥测站点进行智能供电。
遥测站利用遥测终端机（RTU）和信息采集装置对雨量、水位点等数据进行实时采集、存储和传输控制后，通过GPRS/GSM通信终端与数据传输信道连接，将实时数据发送至中心站，完成对水位、雨量和其它水文数据的采集和传输。



2.1.3分中心结构
分中心是国家防汛抗旱指挥系统中水情信息接收、处理、上报分发的最基层单位，也是计算机广域网的节点，决策支持系统四级体系（中央、流域机构、省（区、市）、地（市）中的最低层。
分中心由服务器、UPS供电部分、GPRS/GSM通信接收终端等组成。
中心站通过安装在服务器的应用软件系统（遥测应用平台软件）对遥测站传输来的数据进行解码、纠错和合理性检测后存入数据库，经过分析处理供相关人员查询、统计、显示和打印，形成预报调度方案，最终通过共享方式提供给管理机构进行洪水预报和调度决策。
系统分中心功能具体包括如下几个方面：
1.收集所有测站的数据，并自动入库、备份；
2.数据转发至上级领导机构；
3.远程管理遥测终端；
4.可以实现单站或多站召测；
5.数据库本地查询
6.主管人员远程查询中心站数据
7.数据整编、数字显示、报图报表
8.测站监控功能
9.系统告警指示
10.远程写库功能；
11.远程提取固态数据；
12.故障后的数据恢复功能；
13.数据维护（人工填补数据等）
14.站点管理（改变属性、配置参数、站点增减）
分中心站接收GPRS/GSM通信终端传送来的数据有两种方式：
1.GPRS数据接收模式。
2.GSM短消息接收模式。
两种数据接收方式如图所示：



2.2 设备应用设计
2.2.1 遥测终端机RTU
远程数据采集终端，又叫遥测采集终端，推荐采用深圳市鸿和达电子有限公司和北京燕禹合作的YCZ-2A-101型数据终端。该型号终端已在国内几十个水情测报系统中得到了应用，实践证明其性能可靠，符合“国家防汛指挥抗旱指挥系统一期工程水情分中心初步设计指导书”的要求。
YCZ-2A-101遥测终端机是以高性能微控制器为核心，具有众多传感器I/O接口和多个通信接口，集数据采集、显示、存储和转发等功能于一体的高性能遥测数字终端设备。
YCZ-2A-101遥测终端机可以通过有线(PSTN、专线等)、无线（短波、超短波、微波）、GPRS/GSM移动通信网及卫星通信（海事卫星、VSAT、全线通、全球通、北斗卫星）等通信组网方式，实现高效可靠的数据传输，完成数据采集、处理、存储以及传输等任务，并可实现系统的远程管理。
该设备具有如下特点：
按国家防汛指挥系统要求设计
三个RS-232C通讯口
具有主备信道自动切换机制
固态存储器远程、本地提取
可以发送人工观测数据
RTU远程管理
预留智能接口，可接入智能传感器
本地显示雨量、水位、电池电压
低功耗（小于3毫安）




2.2.2 GPRS/GSM无线数据通信终端
在水文监测、自来水、气象、石油管道、煤气管道、交通、移动通信、电力设备监测等方面，因为分布点零散，每个点设备不多，所以对这些设备的实时监测一直是难以解决的难题，铺设线路成本高、维护费用高、不易调整。
本解决方案的通信系统主要采用宏电H7118 GPRS DTU为主的无线数据通信终端为用户提供高速、永远在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络，可以在此基础上做任何数据传输业务，而且按数据流量计算运行费用，运行成本低，无须对传输平台维护。
GPRS/GSM通信终端嵌入了TCP/IP协议，与RTU接口采用RS-232C标准接口，与RTU的通信协议采用AT指令，不但可以很方便地在GPRS和GSM信道上进行转换，而且测试简单方便，性能稳定，利于维护。
终端首先选择GPRS方式传送数据，如不成功就通过短信方式传送。


H7118 GPRS DTU主要功能：

1. 使用方便、灵活、可靠
2. 支持双频GSM/GPRS
3. 符合ETSI GSM Phase 2+标准
4. 数据终端永远在线
5. 支持A5/1&A5/5加密算法
6. 透明数据传输与协议转换
7. 支持虚拟数据专用网
8. 支持多数据中心
9. 支持点对点、点对多点、中心对多点对等数据传输
10. 短消息数据备用通道(选项)
11. STK卡特殊功能配置
12. 支持RS-232/422/485或以太网接口
13. 支持音频接口，方便维护操作
14. 系统配置和维护接口
15. 通过X modem协议进行软件升级
16. 支持图形界面远程配置与维护(由数据中心集中管理)
17. 自诊断与告警输出
18. 抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求
19. 极好的低温和高温工作性能(-30~+70oC)
2.2.3 供电设备
遥测系统供电设备由太阳能电池板、蓄电池、太阳能充电保护器三大部分组成。
遥测系统中，遥测站大多地处边远山区，由于农网电压不稳定，而且得不到连续供电的保证，因此不宜使用交流供电方式。
为了保证遥测设备供电正常，所有遥测站推荐采用太阳能电池板浮充免维护蓄电池供电的方式，足够保证遥测站设备正常工作。
综合考虑遥测站平均日照、功耗、太阳能电池充电电流、负载相关系数以及电池充电安全系数，遥测系统供电设备将系统遥测站太阳能电池板功率配置为20W，蓄电池容量配置为24AH，通过太阳能充电保护器的控制，无论是哪种综合遥测站，均可保证5天内将蓄电池充满，亦可保证阴雨30-50天情况下，遥测站设备运行正常。
2.2.4传感器
传感器主要依据需要采集数据类型来定。比如需要采集雨量数据选择雨量计，水位数据选用水位计等。
详细的传感器设备选型要从技术可靠性、运行费用、建设成本等方面进行综合考虑。
2.3遥测应用平台软件
中心站测报软件推荐鸿和达-水文遥测信息平台软件V2.1版本。由于该软件符合《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》和《软件产品管理办法》的有关规定，经过深圳市软件评测中心根据《信息技术软件包质量要求和测试》（GB/T17544-1998）评测合格，由深圳市科技和信息局于2005年10月26日颁发了《软件产品登记证书》。
该软件成功在多个水文水情信息采集遥测项目中应用，并获得用户的一致好评。
2.3.1软件构成
综合考虑中心软件的需求和软件的可靠行、可扩展性、实用性，提出以数据库为核心的遥测信息平台解决方案。
总体结构图如下图所示。



遥测信息平台软件由模块化可以配置的通信值守和监控、远程管理和固态取数、数据库维护和文件传输、信息查询服务四个模块组成。
1、通信值守和监控进行数据通信和数据入库 ：
•通过数字专线或GSM/GPRS兼容模块，实时接收测站的水雨情数据
•对信息进行解码并进行合理性检查、分门别类将各种数据入库
•根据遥测站采集设备工作状况及数据，分析遥测站的工作状况，对系统运行状况进行监视
2、远程管理和固态取数完成远程读取和设置终端参数、远程提取固态存储数据
•远程向遥测站下发指令，命令遥测站批量上传固态存储数据或修改遥测站参数
•将遥测站传来的固态存储数据处理成相应的数据格式，形成文本文件
•终端信息管理
•将本地存储的实时水雨情数据整理为固态存储数据文件形式
3、数据库维护和文件传输完成本地数据库的维护和数据文本文件的远程传输
•提供正点、加报数据按时自动传送到省水情中心
•本地数据库的维护
4、信息查询修改服务
•提供本地查询和统计管理功能，包括实时数据、整点数据、水雨情加报、测站工作状况、通信畅通率
•提供遥测站属性、参数管理功能，站点增减功能
•提供人工填补数据功能
•可以直接在局域网内查询遥测数据，监测系统的运行状态
2.3.2软件实施功能
通过本软件不但实现了水文数据的自动采集、远程传输、处理如库，满足水情报汛的要求；而且在此基础上实现了远程修改测站运行参数和通讯参数；实现了通过自动测报系统建设，保证所有测站数据10分钟收集到分局，15分钟汇集到省局的要求；而且数据到分局和省局的时间都有提前。
1、总体上建立了以省局为中心的一体化信息系统
2、提供了各分局自动控制本辖区水雨情采集的操作平台
通过通信监控前置机，自动采集所有测站的水雨情信息并按照设定的工作方式发送到中心；可以对所有运行测站进行测站运行参数设置，控制测站的运行；可以通过GPRS信道远程自动同时提取所有遥测站的历史固态数据。
2.3.3设计和应用的先进性
通过项目的实施达到和超过了招标文件的要求，得到了比预期还要好的效果。这主要得益于在软件设计和实现阶段，针对系统的特点采用了成熟和高可靠性的技术和设计方法。
1、高可靠性设计
通过环境可靠性设计、应用软件自身可靠性设计、数据可靠性、固态存储数据的可靠性等综合考虑保证了系统整体运行的高度可靠性。其中环境可靠性设计运用了软硬件的容余设计，环境防毒、防攻击设计；应用软件自身可靠性设计应用了软件本身的错误处理机制和监控运行机制；固态存储数据的可靠性运用了数据补发保证、本地远程数据互备份机制；
2、动态链接库、多线程和线程同步、内存共享技术
动态链接库应用方便代码的复用、方便通信模块的修改和升级；多线程和线程同步的应用保证了复杂的通讯过程的实现；内存共享技术的应用实现了大数据短时间的同步交互。
3　GPRS/GSM通信技术在水利数据遥测中的应用价值
3.1从投资成本上来看
目前应用的遥测系统一般都需要组建专门的通信网络，覆盖范围大的可能还要加多级中继，建设成本和建设周期相当大。而如果应用GPRS/GSM通信技术来传输数据，只需要一个GPRS/GSM通信终端模块就可以了，数据的传输和传输质量全由GSM网络运营商来保证，可以节约建设成本和建设周期。
GPRS/GSM通信技术传输数据，由于电信部门的网络相对水利系统是透明的，所以水利系统的网络结构就变得简单，这样就便于自动测报网络投入使用后的维护和维修工作，节约维护和维修成本以及网络的运营成本。
通信费用低廉。虽然利用GPRS/GSM通信技术来实现遥测系统的数据传输有需要收取通信费用的缺点，但相对来说，它的通信费用是相当低廉的。
综合考虑整个工程的投入，那么用GPRS/GSM通信技术来实现数据传输的方式将能从工程的建设、维护、维修等各个方面节约很多成本。
3.2提高系统的稳定性、灵活性、可移植性、可靠性
稳定性：对于遥测系统中的自动化通信设备来说，由于其所处的地理环境，防雷一直是一个十分头痛的问题，即使增加了许多防雷设备和器件，这些设备还是经常遭雷击。使用GPRS/GSM通信网络及GPRS/GSM通信技术来实现水利数据遥测可以省去了一些常用的通信设备，所以防雷问题也就不会那么突出。
灵活性：由于传输短消息的GPRS/GSM通信网络覆盖全国，这可以使得水情自动测报的范围也很大，遥测站的数目可任意扩充。对于一些覆盖地域比较广的遥测系统来说，用GPRS/GSM通信技术来传输数据就有更大的优势。
可靠性：采用GPRS/GSM通信技术来进行传输后，通信信道的信噪比、误码率等通信的性能指标都可以由GPRS/GSM网络的性能指标和通信协议得到保证，可以免去很多数据传输过程中的数据校验、检错、纠错工作，数据通信的可靠性可以得到提高。
可移植性：除了应用于固定遥测站的水利遥测信息传输外，GPRS/GSM通信技术作为移动通信网络的通信业务之一，更能应用于迅测等流动遥测站的信息传输，而这一切的实现不需要增加任何通信设备。
4　结束语
综合上述分析，以GPRS/GSM通信系统的传输遥测站与中心站之间的测量数据，无论在系统的稳定性、灵活性、可移植性、可靠性，还是在网络运行成本上都比现在应用的测报通信系统有更大的优势，因而具有很广泛的应用价值。
除此以外，在汛期期间，中心站还可以以手机短信形式向行政首长发布重点水库、重要水文站每日8时水情与重大天气形势信息，为有关各级防汛决策和指导抗洪抢险提供可靠的依据。如遇重大天气形势变化，手机短信发至沿各县、乡级政府主要负责人，采取一些措施，做好防洪的准备，可以避免灾情所造成的损失。
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