GPRS網絡進行水情報汛的應用

分類：技術教程日期：2007-04-10 00:00:00

在水情自動測報系統中，數據遠程傳輸是不可缺少的環節。近年來移動公司的技術發展及其數據業務商業化應用，使得GPRS通信手段在水文數據傳輸中的應用成為可能。通過分析GPRS應用原理，進行組網設計及應用方法設計，并通過應用試驗，得出利用GPRS網絡進行水情報訊是有效的，也是可行的。
環境：通信信道 GPRS RTU 分中心
一．前言
在建設水文自動測報系統及防汛指揮系統水情分中心的工程中，數據遠程傳輸是必不可少的環節，國家防汛指揮系統由四個子系統組成：(1)基礎數據采集系統和水文測驗設施的改進；(2)數據通信子系統，(3)計算機及其網絡建設；(4)防汛會商業務支持系統。數據通信子系統的任務是非常明確的，就是要將野外現場的遙測數據傳送到分中心。
實現遠程數據傳輸的通信手段已經有許多種了，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，光纖通信以及衛星通訊(含多種衛星通道)等。隨著公網通信事業突飛猛進地發展，還將進一步出現新的數據業務通訊方式。
2002年5月后，中國移動GPRS網絡進入了商業化實用階段，從而為我們提供了利用國家公網傳輸水情數據的又一種方法。該通信手段在水文數據傳輸中的應用。
二．GPRS概述
1 GPRS應用原理
GPRS (General Packet Radio Service) 通用分組無線業務是一種基于數據包的無線通訊服務。理論上它將使得通訊速率從56 Kbps一直上升到114Kbps，且支持計算機和移動用戶的持續連接。GPRS是基于GSM網絡的，在理論上，GPRS數據包通訊服務的花費比電路交換服務所花的費用要少，其通信信道是共享的，僅在需要的時候才有數據包傳輸產生，因此比使用專用的連接要節省很多資源。GPRS移動用戶可以隨時訪問自己的虛擬專用網絡(VPN)，而不是每次都需要撥號上網，從而為用戶提供更加簡單的應用服務。
GPRS是按GSM標準定義的封包交換協議，可快速接入數據網絡。它在移動終端和網絡之間實現了“永遠在線”的連接，網絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。GPRS的實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將是第一個實現移動互聯網即時接入的標準，也是邁向3G/UMTS的過程。
采用移動GPRS技術進行網絡數據傳送，費用低，使用方便，不受地域限制，便于業務發展，具有很好的發展趨勢，從SMS到GPRS到將來的3G，是一種更經濟便捷的通訊之路，可以構架更為廣泛的通信網絡，實現靈活的信息網絡傳輸。
GPRS是基于數據分組傳送的，能提供連續不間斷的數據通信業務，具有比SMS更好的數據傳送速度和能力，且能夠始終在線，通信費用是按照實際傳送的數據字節進行結算的，運行費用低。
2 GPRS傳輸數據的特點
(1)相對GSM撥號方式的電路交換數據傳送方式，GPRS是分組交換技術，具有“高速”和“在線”的優點。
(2)除了速度上的優勢，GPRS還有"在線"的特點，即用戶隨時與網絡保持聯系。有數據傳送時就在無線信道上發送和接受數據，沒有數據傳送，終端就進入一種"準休眠"狀態，釋放所用的無線頻道給其他用戶使用，這時網絡與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當用戶再次傳送時，手機立即向網絡請求無線頻道用來傳送數據，不需頻繁撥號。
(3)GPRS數據傳輸是雙向的，且可以傳輸批量數據，對水文應用來說還可以實現固態存儲數據無線下載，這一個特點是超短波、GSM短信、PSTN以及衛星通信所不能替代的。
3 GPRS組網設計
3.1 組網及中心站的GPRS數據接入方法
根據水文數據傳輸應用的特點，我們對中國移動提供的GPRS接入方法進行綜合分析，考慮到性價比和易用性，實驗系統數據接入選擇了在水情分中心采用GPRS無線Modem進行接入的應用方式，為用戶建立自己的無線VPN專用數據網，提供各種速率的高質量、透明數據傳輸的永久或半永久性專用通訊鏈路，在遠地遙測端，水文數據的傳輸均通過GPRS無線DDN來實現。無線DDN利用GPRS移動數據通信網絡組成的數字數據傳輸網絡，是非常適合點多分散野外環境條件差的系統，也適合使用環境。GPRS組網原理見圖1。

圖1

用戶申請了GPRS專用VPN后，根據移動運營商分配給數據中心Modem網內固定IP地址，數據中心通過無線GPRS Modem與遙測站實現多點對中心的數據通信，遠地遙測站根據配置的數據中心網內IP地址與數據中心建立數據通道。這種接入方法的優點是：
(1)數據在自己的VPN專網內進行通訊，外界的終端或節點不能進入，數據安全性好。
(2)數據在自己的VPN專網內進行通訊，也保證了數據傳輸的實時性。
(3)接入成本僅為DDN專線接入的三分之一。費用有所降低，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文數據傳輸要求。
(5)中心接入點或遙測站均可綁定內網固定IP，偶爾掉線可以再繼續自動上線，不會丟失中心端的地址。
GPRS水情遙測組網原理
3.2 GPRS帶寬估算
若水情分中心系統有50個遙測站點，每個站自報遙測數據包為20個字節，單站數據流則為200bit，50個站為10K bit，若要求在2s內全部傳送完畢，其占用帶寬約為5 kbps，若要求在1s內全部傳送完畢，其占用帶寬約為10 kbps，小于中心端實際傳輸帶寬。況且，水文數據的傳輸并不是每時每刻都進行的，實際上水文遙測系統占用的帶寬更窄。
遠端遙測站屬區GPRS實際傳輸帶寬一般大于40k，由于水情遙測站點的分布特性，一個基站范圍內站點數目非常有限，所以野外站點數據上傳是完全沒有問題的。
3.3 數據上傳
各個水文遙測站采集系統所需要的數據，通過數據轉換和數據打包后送到GPRS模塊，GPRS模塊根據實現定義的APN連接方式將打包好的數據增加部分冗余碼和校驗碼并轉換成適合在無線鏈路上傳送的網絡數據包信號。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、對遠端遙測站的設置參數等透傳到遙測站點，從而實現數據遠程讀取和遙測站工作參數的遠程設置。
三．GPRS應用方法
根據圖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信號覆蓋的地點組網建站，實際使用GPRS進行遠程數據傳輸。
1 GPRS無線DTU模塊的選用
GPRS終端采用符合工業應用標準的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據傳輸設備開發的無線數據傳輸協議轉換器。DTU/GPRS實現了無線GSM協議棧的轉換，與之相連的終端設備無需支持GMS協議處理能力，數據傳輸時只需, 通過串口向DTU/GPRS發送串口格式數據，DTU/GPRS會自動地加上GSM無線通信的協議，把串口數據包轉換成GSM無線通信的協議數據包，把數據傳輸到目的主機；同時對方主機通過無線GSM發送過來的數據通過DTU/GPRS協議轉換后，也以透明的串口數據方式傳回給中心站水情工作站主機。只要提供RS-232接口的設備都可以通過DTU/GPRS實現無線GSM數據傳輸。終端設備和DTU/GPRS間交互采用簡單的串口包格式，所有的GSM協議棧協議都由DTU/GPRS完成轉換。通過DTU/GPRS實現無線數據傳輸功能。
模塊特點如下：
(1)完成了GSM協議棧轉換；
(2)實現串口透明的無線數據傳輸；
(3)支持GSM數據包交換；
(4)支持GSM900/DCS1800/PCS1900MHZ三頻段網絡；
(5)通過FTA測試，可供二次開發；
(6)采用CLASS 10無線模塊，高速傳輸，穩定可靠。
技術參數如下：
(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+標準
(7)GPRS Class 2-10
(8)編碼方案：CS1-CS4
(9)符合SMG31bis技術規范
(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%,非冷凝滿足復雜的應用環境，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中的嵌入設計
2.1 硬件設計
硬件系統基于YDH-1A水文遙測終端設備，YDH-1A型遙測數傳終端RTU是由微處理器控制的通用設備，由于采用拔插式模板結構而成為分布式的終端類型，根據應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模塊進行控制，完成數據遠程收發任務。
水文遙測終端組成框圖
2.2.2 軟件設計
軟件設計基于圖3所示的控制流程。
遙測數傳終端GPRS數據傳輸流程
3 GPRS應用實驗
3.1 實驗地點選擇與實驗方法
為了GPRS能在全國水文測報系統建設中得到應用與推廣，為系統建設提供先進的數據傳輸手段做好技術準備，我們選擇在廣東省惠州市進行了GPRS組網實地運行實驗,通過廣東移動提供的VPN專用虛擬網進行水文報汛GPRS傳輸，驗證GPRS傳輸水情的可行性和實用性。
參加實驗的水文遙測站點選在A地點(站號10)和B地點(站號11)。水情分中心設在C地點水文分局。
實驗方法是在A地點(10)、B地點(11)建設GPRS遙測站點，各站設置為1h定時自報，雨量1mm增量自報以及水位1cm增量自報，中心站24h開機接收報文。
為保證通信質量，首先要保證站點安裝質量，若站點信號場強不高，則使用室外延長天線改善效果，同時也能節約功耗。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口免維護蓄電池組合提供RTU和GPRS DTU的電源。
實驗結束后從計算機數據庫中提取信息進行統計和分析。
3.2 實驗結果
實驗結束后，通過數據庫記錄的報文數據統計分析，結果如下：
(1) 傳輸時延一般在1~3s之間。
(2) 1h定時自報報文完整，無一缺失。
(3) 水位雨量增量報報文正常。
3.3 經驗與啟示
(1) 根據水文數據傳輸業務的實際需要和水文報文的及時性，中心站必須具備真正意義上的“在線”功能，具體的實現方法是中心站對無線Modem應有自動維護的功能。
(2) 為了保證水文報文數據傳輸萬無一失，中心端軟件應具有接收數據確認并向遙測站發送回執的反饋機制。若遙測站在規定的時間內沒有接收到中心站的回執，遙測站應進行補報，這樣可以防止GPRS數據傳輸中有可能發生的掉包現象。
(3) 因GPRS通道是雙向的，因此除遙測站數據可以上傳外，還可以實現中心對遠地RTU的遠程設置和控制，另一個重要的特性是可以實現無線遠程讀取遙測站固態存儲的數據，這個功能是其他通信不易做到的，應積極開發利用。
四．結語
根據國家防汛指揮系統建設指導書的要求，參照以往水文自動測報系統的建設經驗，可得出以下結論：
(1)有國家公網可以利用的，盡量不要建設自己的專網；
(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長期運行的可靠性。
實驗結果表明，在水文自動測報系統和國家防汛指揮系統的數據通信傳輸子系統中引入GPRS數據通訊手段不但是有效的，也是可行的。隨著將來3G時代的到來，現代通信技術同水利事業相結合的技術發展更趨明顯。