基于GPRS通信的水情采集應用方案

基于GPRS通信的水情采集應用方案

1歷史背景分析及目前幾種通信方式比較
1.1歷史背景分析
水利數據的遙測在中國水利行業的應用已有多年的歷史，但隨著計算機和通信技術的飛速發展，水利數據遙測的傳輸方式也隨著變化。
70年代中至80年代中期，行業內主要采用國外進口或捐助的無線超短波設備進行傳輸。80年代中期后，水利部開始鼓勵國內研究所和高校開始自行研發超短波遙測設備。
90年代開始應用包括超短波、衛星、PSTN有線公網和800M集群通信傳輸。但超短波傳輸一直扮演非常重要的角色。90年代末期開始，已陸續利用INTERNET網絡技術和GSM短信方式進行傳輸，但并未有大規模組網實施。
1.2水利數據遙測中幾種通信方式的比較
水利數據遙測中通信組網方案是多種多樣的，但不外乎兩種類型，即單一通信方式和混合通信方式。常見的通信方式有：超短波、有線電話、衛星、GSM、GPRS等幾種，它們都可以單獨組成水利數據遙測網絡。混合通信方式由以上通信方式不同組合而成，可以衍生出很多種組網方案。
1.2.1 超短波
超短波一般是指30MHz～3000MHz頻段的無線電波，其傳輸機理是對流層內的視距與繞射傳播。在水利數據遙測系統中，測站實測的水利信息，送入遙測終端機（RTU），經過信源和信道編碼，由調制解調器調制成射頻載波，經功率放大后發射到中繼站。中繼站接收到測站發來的射頻信號，解調成音頻信號，經中繼儀解調成數字信號、糾錯編碼、數據再生、調制、放大后發送回中心站；中心站將信號解調、信道譯碼和信源譯碼后，經前置計算機送入主計算機系統。
超短波組網的優點：
①、技術成熟，設備簡單易于配套；
②、實時性好；
③、獨立性好，完全是自身的專用網絡。
超短波組網的缺點：
①、在無線電通信擁擠的地區，干擾日趨嚴重；
②、防雷地網要求高，野外設備防凍害的技術措施難度大、成本高，建設費用大，維護管理不便；
③、對通信效果差的站點，需建多級中繼站級聯，降低系統可靠性。
1.2.2 衛星傳輸
隨著科學技術的進步，衛星通信應用越來越多。衛星通信組網就是在監測站配置“數據采集平臺”（DCP），將水利數據信息發射到衛星，經衛星轉發到地面網管中心，登記后再由網管中心將信息發到衛星，然后轉發到地面接收平臺（DRP）。
在移動通信網絡覆蓋不到，而超短波通信又需增加中繼站的報汛站點采用衛星通信，是一種比較可行的辦法。
衛星信道組網的優點：
1．傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、傳輸質量好；
2．由于各發射點、地面站與衛星之間采用視線傳輸，因而不受地形、地物的阻擋，特別適用于地形復雜地帶的通信；
3．數傳速率較有線、超短波和GMS組網方式高；
4．室外只有小天線，易避免凍害。
衛星信道組網的缺點：
1．衛星平臺耗電較大，采用直流供電時需配置較大容量的電池和浮充電設備；
2．衛星終端設備成本高，衛星平臺的價格較貴，另外，雖然系統采取按時收費，但使用成本和運行維護費依舊很高。
1.2.3　PSTN
有線組網方式是利用公用電話線路，在每個監測點分配一條電話用戶線，數據接收中心利用電話撥號的方法采集各監測點的數據信息。
有線信道組網的優點：
1、 無需土建，建設成本低、建設周期短。有線組網的通信設備也較超短波、GSM、衛星等通訊方式便宜。
2、通信平臺有保障，不同站點的傳輸信號間不易產生相互干擾；
3、通信距離不受地形地域的限制；
有線信道組網的缺點：
1、野外電話線纜易遭受雷電干擾，易受人為破壞；
2、數據采集速度受電話線路質量和線路忙閑的影響，暢通率有時不高；
3、系統只宜采用召測工作方式，不宜采用自報方式，由于每一個站的應答查詢均必須通過撥號、接通、傳輸、掛機等階段，因此數據收集周期長；
4、線路走向需跨越橋梁、鐵路、公路時，施工困難，投資費用高。
1.2.4　GSM移動通信信道
當前移動通信業務發展迅猛，我國的手機擁有量目前已躍居世界第一位。根據前景預測，GSM業務覆蓋范圍將遍及世界每個角落，利用GSM手機的短信息功能傳送水利數據或其它短數據不失為一種理想的手段。
GSM移動通信信道組網的優點：
1、利用公網，不需自建和維護通訊網；
2、通信平臺（GSM）有保障，且不同站點的傳輸信號之間不易產生相互干擾；
3、通信速率較高，可達19.2Kbps；
4、通信線路和設備不易遭受雷電襲擊和人為破壞；
5、組網靈活，站點的變動和擴充容易；
6、設備耗電省，費用低。
GSM移動通信信道組網的缺點：
1、受當前GMS網絡覆蓋的限制，可能有些偏遠的站點無法通信組網；
2、短信息的接收會出現時延的現象，設計時要根據系統規模考慮解決瓶頸的問題。
1.2.5? GPRS通用無線分組業務
GPRS是通用無線分組業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸網絡，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，而且GPRS是根據流量計費的，所以運營費用比GSM方式要低得多。
由于GPRS是基于IP的,因此在傳統的遠程監控應用上,不僅可以提供GSM可以提供的數據撥號/SMS通訊方式,而且可以讓用戶開發基于INTERNET的應用系統,從而徹底根除了數據撥號價格高,SMS延時長的缺點,從而使用戶開發的系統整體性能和可靠性得到了很大提高,系統運行成本也大幅下降。
優點：
①永遠在線：只要激活GPRS應用后，將永遠保持在線，類似于一種無線專線網絡。
②按流量計費：只有產生通信流量時才計費，是一種面向使用的計費，計費方式更加科學合理。
③快速登錄：全新的分組服務，無需長時間的撥號建立連接過程。
④利用公網通信質量好，技術成熟、穩定，組網靈活，移植性強。
⑤不易被雷擊，建設周期短。
缺點：
①因為是永遠在線，對遙測站的供電要求較高。建議配備的GPRS通信模塊具有自動掉電功能。
②網絡能否組網由站點信號強度決定。
1.2.6 綜合對比分析
以下對主要的幾種遙測通信組網方式作出對比。
通信方式對比表

綜合分析：
通信方式各有特點，本身并沒有優劣之分，選擇時應根據各地不同的環境條件、網絡條件和經濟條件，從技術可靠性、運行費用、建設成本進行綜合考慮，因地制宜的選擇適合的組網方式。
在一個系統中，可以采用多種信道并存的方式，這就要求遙測設備、中心的通信機有較強的通信處理能力。根據上表對比，在移動公網覆蓋的地域，可以充分利用GPRS/GSM移動通信網絡的數據傳輸特性，采用GPRS數據傳輸為主、GSM短消息傳輸為輔，并且二者可以自動靈活切換的通信方式具有一定的優勢。

2　GPRS/GSM通信技術在水利數據遙測中應用設計
2.1　GPRS/GSM通信組網結構
2.1.1 GPRS/GSM通信組網系統總體結構
系統由數據采集點（遙測站點）、數據傳輸部分（GPRS/GSM通信網絡及光纖網絡）、后臺應用軟件（遙測應用平臺軟件）及中心站（分中心及總控制中心）四個部分組成。
從數據流和控制流上，分中心（分局）到總控制中心、分中心與終端測站間均是星型結構。

系統工作原理及流程：
遙測終端測站采集到數據可以通過兩種方式送到分局。
一種是通過GPRS信道以UDP或TCP 數據包形式送到。另一種是通過GSM信道以短信數據包形式送到。
前置機取得數據后，處理數據并將數據添加到本地數據庫和WEB服務器的SQL-SERVER數據庫中。WEB服務器將數據進一步處理并發布，本地局域網上的機器可通過WEB服務器對數據進行瀏覽、查詢。物理上前置機和數據庫和WEB服務器通過交換機相連。通過水文專用網絡將分局接收到的數據定時同步到省局，并添加到省局統一的數據庫。
2.1.2 遙測站結構
遙測站由遙測終端機（RTU）、現代化信息采集裝置、數據傳輸裝置、遙測供電設備四部分組成。
1、遙測終端機：遙測終端RTU連接到采集裝置，將采集裝置采集到的數據進行處理。
2、現代化信息采集裝置：可由水位計、雨量計、風向風速傳感器等各種智能傳感器組成，功能是對所需要的數據進行采集并將采集結果傳送給遙測終端機。
3、數據傳輸裝置：GPRS/GSM無線數據通信終端。
4、遙測供電設備：由太陽能電池板、太陽能充電控制器和蓄電池三部分組成，負責對整個遙測站點進行智能供電。
遙測站利用遙測終端機（RTU）和信息采集裝置對雨量、水位點等數據進行實時采集、存儲和傳輸控制后，通過GPRS/GSM通信終端與數據傳輸信道連接，將實時數據發送至中心站，完成對水位、雨量和其它水文數據的采集和傳輸。

2.1.3分中心結構
分中心是國家防汛抗旱指揮系統中水情信息接收、處理、上報分發的最基層單位，也是計算機廣域網的節點，決策支持系統四級體系（中央、流域機構、省（區、市）、地（市）中的最低層。
分中心由服務器、UPS供電部分、GPRS/GSM通信接收終端等組成。
中心站通過安裝在服務器的應用軟件系統（遙測應用平臺軟件）對遙測站傳輸來的數據進行解碼、糾錯和合理性檢測后存入數據庫，經過分析處理供相關人員查詢、統計、顯示和打印，形成預報調度方案，最終通過共享方式提供給管理機構進行洪水預報和調度決策。
系統分中心功能具體包括如下幾個方面：
1.收集所有測站的數據，并自動入庫、備份；
2.數據轉發至上級領導機構；
3.遠程管理遙測終端；
4.可以實現單站或多站召測；
5.數據庫本地查詢
6.主管人員遠程查詢中心站數據
7.數據整編、數字顯示、報圖報表
8.測站監控功能
9.系統告警指示
10.遠程寫庫功能；
11.遠程提取固態數據；
12.故障后的數據恢復功能；
13.數據維護（人工填補數據等）
14.站點管理（改變屬性、配置參數、站點增減）
分中心站接收GPRS/GSM通信終端傳送來的數據有兩種方式：
1.GPRS數據接收模式。
2.GSM短消息接收模式。
兩種數據接收方式如圖所示：

2.2 設備應用設計
2.2.1 遙測終端機RTU
遠程數據采集終端，又叫遙測采集終端，推薦采用深圳市鴻和達電子有限公司和北京燕禹合作的YCZ-2A-101型數據終端。該型號終端已在國內幾十個水情測報系統中得到了應用，實踐證明其性能可靠，符合“國家防汛指揮抗旱指揮系統一期工程水情分中心初步設計指導書”的要求。
YCZ-2A-101遙測終端機是以高性能微控制器為核心，具有眾多傳感器I/O接口和多個通信接口，集數據采集、顯示、存儲和轉發等功能于一體的高性能遙測數字終端設備。
YCZ-2A-101遙測終端機可以通過有線(PSTN、專線等)、無線（短波、超短波、微波）、GPRS/GSM移動通信網及衛星通信（海事衛星、VSAT、全線通、全球通、北斗衛星）等通信組網方式，實現高效可靠的數據傳輸，完成數據采集、處理、存儲以及傳輸等任務，并可實現系統的遠程管理。
該設備具有如下特點：
按國家防汛指揮系統要求設計
三個RS-232C通訊口
具有主備信道自動切換機制
固態存儲器遠程、本地提取
可以發送人工觀測數據
RTU遠程管理
預留智能接口，可接入智能傳感器
本地顯示雨量、水位、電池電壓
低功耗（小于3毫安）

2.2.2 GPRS/GSM無線數據通信終端
在水文監測、自來水、氣象、石油管道、煤氣管道、交通、移動通信、電力設備監測等方面，因為分布點零散，每個點設備不多，所以對這些設備的實時監測一直是難以解決的難題，鋪設線路成本高、維護費用高、不易調整。
本解決方案的通信系統主要采用宏電H7118 GPRS DTU為主的無線數據通信終端為用戶提供高速、永遠在線、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡，可以在此基礎上做任何數據傳輸業務，而且按數據流量計算運行費用，運行成本低，無須對傳輸平臺維護。
GPRS/GSM通信終端嵌入了TCP/IP協議，與RTU接口采用RS-232C標準接口，與RTU的通信協議采用AT指令，不但可以很方便地在GPRS和GSM信道上進行轉換，而且測試簡單方便，性能穩定，利于維護。
終端首先選擇GPRS方式傳送數據，如不成功就通過短信方式傳送。
H7118 GPRS DTU主要功能：