GPRS水文數據采集系統應用方案

隨著我國經濟社會的發展，對水文信息不斷提出新要求，水文觀測項目和內容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監測技術的研發和應用提出了越來越高的要求；現代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術的迅速發展，也促進了水文監測技術自動化的發展。
在水文監測系統中，常常需要對眾多的水位點進行實時監測，大部分監測數據需要實時發送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環境較惡劣的地區，通過電話線傳送數據往往事倍功半。通過GPRS無線網絡進行數據傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。污染源監測設備可將采集到的污染數據和告警信息通過GPRS網絡及時發送到水文監測部門，實現對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高水文部門的工作效率。

一、水文監測自動化技術的應用和發展
1、 水文監測的范圍與內容：
水文監測是水文傳感器技術與采集、存儲、傳輸、處理技術的集成。
監測范圍：江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等水文參數。
監測內容：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發、泥沙、冰凌、墑情、水質等。
2、 人工監測技術存在的問題：
從水文傳統的人工監測技術分析來看，主要存在以下問題：
（1） 記錄方式以模擬方式為主，就是數字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理；
（2） 據處理基本靠人工處理判斷，費時易錯；
（3） 水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準確性較差，無法適應現代水文的需求。
因此，要用自動化技術促進水文監測自動化的發展。
3、 水位的采集和傳輸
用于自動化監測的水位傳感器主要有浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺和超聲波水位計等。這些傳感器可以直接接到RTU上，自動監測水位參數。地下水位的監測與地表水相同。
目前，省水文監測站與各采集點之間的數據通信主要采用手工抄錄或PSTN電話線傳輸。采用電話線傳輸數據時，由于每次撥號都需要等待，速度慢，而且費用也較高。同時，由于各監控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此需申請很多電話線，而且有些監控點有線線路難以到達。
GPRS具有速度快、使用費用低的特點，其傳輸速度可達171.2kb/s。與有線通訊方式相比，采用GPRS無線通信方式則顯得非常靈活，它具有組網靈活、擴展容易、運行費用低投，維護簡單、性價比高等優點因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監測數據的實時傳輸問題。
二、方案優點：
中國移動GPRS系統可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業務平臺上構建水文信息采集傳輸系統，實現水文信息采集點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優點，而且設備安裝方便、維護簡單。經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統作為水文信息采集傳輸系統的數據通信平臺。
GPRS無線水文監控系統具備如下特點：
1、實時性強：
GPRS具有實時在線特性，系統無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個或所有監測點的各種數據。可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、可對各監測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS雙向系統還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態報告、開關等控制功能，并可進行系統遠程在線升級。
3、建設成本少低：
由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝好設備就可以，建設成本低。
4、監控范圍廣：
構建水文信息采集傳輸系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。由于水文信息采集點數量眾多，分布在全省范圍內，部分水文信息采集點位于偏僻地區，而且地理位置分散。
5、具有良好的可擴展性:
由于目前GSM/GPRS網絡已覆蓋省內絕大部分地區，基本不存在盲區，可實現大范圍的在線監控，滿足水文信息采集傳輸系統對覆蓋范圍的要求。
6、系統的傳輸容量大：
水文中心站要和每一個水文信息采集點實現實時連接。由于水文數據信息采集點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
7、數據傳送速率高：
每個水文信息采集點每次數據傳輸量在10Kbps之內。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數據傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
8、通信費用低：
采用包月計費方式，運營成本低。
三、解決方案介紹：
（一）系統結構
1、水文信息采集點：采用廈門宇能科技有限公司的YN2010 GPRS透明無線數據傳輸終端，通過RS232/RS485/TTL與水文設備采集點連接，接入移動公司為水文局提供的專用的GPRS網絡,網絡對水文信息采集點的接入地點、時間、數量沒有限制可以隨時增減。可以滿足山區、偏遠地區和跨地區接入的需求。
2、水文中心站：本系統中網絡代理服務器可采用ADSL、LAN等INTELNET公網連接，采用公網固定IP， GPRS數據傳輸終端上電后，它會根據預先設定在其內部的IP地址來主動訪問網絡代理服務器，通過代理服務器和監控中心建立TCP/IP鏈路。監控中心主站本身維護接入的每個終端的IP地址和ID號，當主站要向某個監控終端提出數據請求時，它會根據IP地址和ID號來找到對應的終端，將命令下發到該終端，終端響應后通過GRPS數據傳輸終端把數據發到網絡代理服務器端口，通過端口影射轉發到監控中心主站，即完成了一個應答式的通訊流程，當水文信息采集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。


3、GSM /GPRS移動數據傳輸網絡：
現場監控點采集的數據經GSM/GPRS網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監控中心IP地址。
（二）系統方案：
各監控點使用廈門宇能科技游戲公司YN2010 GPRSDTU透明數據傳輸終端，通過移動GPRS網絡與監控中心相連。各污染源數據采集點使用移動通信公司統一的STK卡，同時監控中心對各點進行登記，保存相關資料以便識別和維護處理。各信息采集點運行監控系統軟件，支持24小時實時在線，實現信息采集點24小時傳送采集的水文信息數據。
凡省水文局授權的信息采集點均可以使用本系統：
1、水位信息采集點必須使用移動統一的SIM卡，用戶使用本卡只能用于與水文站數據通信功能。
2、終端設備使用廈門宇能電力科技有限公司提供的GPRS移動數據通信終端。
3、用戶登記，符合省級水文局的規定。
（三）產品特性：
水文信息采集傳輸系統采用YN2010 GPRS DTU。產品基于中國移動的GPRS網絡，提供RS232、RS485、TTL接口，利用GPRS數據業務實現無線聯網，產品支持各種行業應用，如實現信用卡實時認證、POS機的遠程控制維護、遠程業務點接入等。在水文信息采集傳輸系統方案中，YN2010 GPRS DTU可通過外置或嵌入方式與水文信息采集點設備連接。 1、支持900／1800／1900MHz三頻GSM/GPRS。
2、接口： RS232、RS485、TTL。
3、系統理論傳輸速率171Kbps，實際傳輸速率40Kbps。
4、支持Windows95/98/2000/XP/LINUX操作系統。
5、透明數據傳輸：YN2010EP-DTU內嵌TCP/IP協議，為用戶的數據設備提供透明傳輸通道；
6、自動撥號連接：YN2010EP-DTU可配置上電自動撥號上網、連接網絡，同時支持用戶端發起命令連接或遠程喚醒連接；
7、短信息備用數據通道：在GPRS網絡無法連接時可啟用短信作為備用數據傳輸通道；
8、短信息遠程維護功能；
9、實時監測網絡連接情況，掉線自動重撥功能；
10、提供主副IP及動態域名解析；
11、心跳報告時間間隔用戶可設定；
12、數據通信幀長度用戶可設定；
13、支持VPN安全功能。
14、安裝靈活、使用方便、可靠。
（四）安全措施：
由于水文數據采集系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。
數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Radius服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。
另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性：對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對于特定用戶：可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼， 其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。
4、數據加密：通過VPN對整個數據傳送過程進行加密保護。
5、網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。
四、結論：
采用有線方式，租用靜態IP目前費用比較高約800~1500元/月。采用GPRS無線方式，系統流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.03元K，而包月制20元/月有1024 kBytes流量，可滿足省水文局目前水文數據采集系統的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。對于水文局等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當水文觀測站和水文信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續使用，可以保護用戶原有投資，適合于水文采集工作的特點。
采用GPRS構建水文數據采集系統，不僅能很好地滿足水文信息采集的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業務穩定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發展的要求。