摘 要：水利信息化是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。數(shù)據(jù)遠程傳輸是不可缺少的環(huán)節(jié)。近年來電信公司的技術(shù)發(fā)展及其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)商業(yè)化的應(yīng)用，使GPRS通信手段在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用成為可能。本文介紹了GPRS在新疆巴州庫塔干渠水利信息化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過分析GPRS應(yīng)用原理，進行組網(wǎng)設(shè)計及應(yīng)用方法設(shè)計，并通過庫塔干渠的應(yīng)用試驗，得出利用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行水情遠程遙測是一種有效可行的數(shù)據(jù)傳輸手段。

關(guān)鍵詞：GPRS 水情測報 庫塔干渠 GSM

一、概述

隨著人類社會的發(fā)展，信息化、全球化已成為一種世界性的大趨勢。信息技術(shù)的革新深刻地改變了人們傳統(tǒng)的生活方式。在建設(shè)水文自動測報系統(tǒng)及防汛指揮系統(tǒng)水情分中心的工程中，數(shù)據(jù)遠程傳輸是必不可少的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)遠程水情自動測報數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞揭呀?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/GPRS和光纖通信以及衛(wèi)星通訊等。隨著信息技術(shù)地發(fā)展，還將進一步利用新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通訊方式來實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。本文討論GPRS在水文數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用。

1、GPRS應(yīng)用原理

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。GPRS網(wǎng)是在GSM電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加以下功能實體構(gòu)成的： SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點）、GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點）、PTMSC（點對多點服務(wù)中心）；共用GSM基站但基站要進行軟件更新，采用新的GPRS移動臺，GPRS要增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián)；GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進行軟件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。

采用GPRS通信方式時；各個中心站、分中心站、水情遙測站均需要配置相應(yīng)GPRS數(shù)據(jù)通信終端，選用可同時工作于GPRS和GSM或可在GPRS和GSM之間自動切換工作的GPRS MODEM。

2、GPRS的特點

GPRS業(yè)務(wù)的速度較GSM CSD業(yè)務(wù)也將有很大提高，GPRS可提供高達115kb/s的傳輸速率，并且接入時間短，可快速建立連接，平均為兩秒。

GPRS一個較大的優(yōu)勢是能夠充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)，具有穩(wěn)定可靠、覆蓋面較廣、網(wǎng)絡(luò)能力強、不受地域限制的特點，其最大的好處是終端設(shè)備體積小，沒有引雷部件，不需做防雷處理。發(fā)送和接收安全可靠。通信距離取決于該業(yè)務(wù)的覆蓋范圍，維護維修可由業(yè)務(wù)營運商解決。不需要架設(shè)天線，便于隱蔽性，防盜性能好。

GPRS用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，用戶只需按數(shù)據(jù)通信量付費，而無需對整個鏈路占用期間付費。實際上，GPRS用戶可能連接的時間長達數(shù)小時，卻只需支付相對低廉的連接費用，用戶的使用費用大大降低。

GPRS通信模塊應(yīng)用到下列系統(tǒng)中：遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、自動售貨系統(tǒng)、無線定位系統(tǒng)、門禁保安系統(tǒng)、物質(zhì)管理系統(tǒng)等。而庫塔干渠信息自動化系統(tǒng)正是GPRS應(yīng)用于遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)的典型示例。正是因為GPRS業(yè)務(wù)具有接入迅速、永遠在線、流量計費等特點，在遠程突發(fā)性數(shù)據(jù)實時傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢，特別適合于像庫塔干渠信息自動化系統(tǒng)一樣的頻發(fā)小數(shù)據(jù)量的實時傳輸,因而GPRS業(yè)務(wù)在水情自動測報系統(tǒng)上有特殊的應(yīng)用。

3、GPRS組網(wǎng)設(shè)計

（1）GPRS組網(wǎng)及中心、分中心站的數(shù)據(jù)接入方法

根據(jù)水文數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的特點，對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(tǒng)數(shù)據(jù)接入選擇了在水情分中心采用GPRS無線Modem進行接入的應(yīng)用方式，通過建立自己的無線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地遙測端，水文數(shù)據(jù)的傳輸均通過GPRS無線DDN來實現(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)，是非常適合點多分散野外環(huán)境條件差的系統(tǒng)。

（2）專網(wǎng)VPN業(yè)務(wù)實現(xiàn)方式及特點

采用VPDN技術(shù)實現(xiàn)專網(wǎng)接入業(yè)務(wù)方案，MS采用PPP方式接入VPN虛擬網(wǎng)，使用第二層隧道協(xié)議L2TP。GGSN通過輸入的公司名或主被叫號碼從Radius服務(wù)器獲取建立隧道的相關(guān)信息，然后啟動到企業(yè)網(wǎng)關(guān)的L2TP隧道協(xié)議，建立起GGSN和企業(yè)網(wǎng)關(guān)之間的隧道連接。此時用戶的PPP包可以直達企業(yè)網(wǎng)關(guān)，由企業(yè)網(wǎng)關(guān)通過公司的Radius服務(wù)器完成對用戶級的認(rèn)證，通過后，就建立起GRPS手機到達企業(yè)網(wǎng)關(guān)的PPP鏈路，從而真正實現(xiàn)移動辦公業(yè)務(wù)。

用戶申請了GPRS專用VPN后，根據(jù)移動運營商分配給數(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與遙測站實現(xiàn)多點對中心的數(shù)據(jù)通信，遠地遙測站根據(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)點是：

數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進行通訊，外界的終端或節(jié)點不能進入，數(shù)據(jù)安全性好；

保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；

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；

使用帶寬在14.4－43.2K之間，通訊性能已能滿足水情報文數(shù)據(jù)傳輸要求；

中心接入點或遙測站均可綁定內(nèi)網(wǎng)固定IP，遙測站不會丟失中心端的地址。

（3）GPRS帶寬估算

若水情分中心系統(tǒng)有10個遙測站點，每個站自報遙測數(shù)據(jù)包為20個字節(jié)，單站數(shù)據(jù)流則為200bit，10個站為2Kbit，若要求在2s內(nèi)全部傳送完畢，其占用帶寬約為1kbps，若要求在1s內(nèi)全部傳送完畢，其占用帶寬約為2kbps，小于中心端實際傳輸帶寬。況且，水文數(shù)據(jù)的傳輸并不是每時每刻都進行的，實際上水文遙測系統(tǒng)占用的帶寬更窄。遠端遙測站屬區(qū)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(nèi)站點數(shù)目非常有限，所以野外站點數(shù)據(jù)上傳是完全沒有問題的。

（4）數(shù)據(jù)上傳

各個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。

（5）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(shè)置參數(shù)等透明傳遞到遙測站點，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程讀取和遙測站工作參數(shù)的遠程設(shè)置。

二、GPRS應(yīng)用方法

根據(jù)圖二（略）的原理，在遙測站中配置GPRS無線DTU，中心站使用GPRS無線Modem使用GPRS進行遠程數(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GPRS/DTU模塊Saro-1010p。Saro-1010p GPRS/DTU通信模塊是一款按工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)，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。與數(shù)據(jù)中心的接口設(shè)備一起提供透明或幀格式數(shù)據(jù)傳輸通道，組成用戶專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。支持GSM900M/GSM1800M雙頻模式。支持中、英文短消息。該設(shè)備使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，內(nèi)嵌完整、穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議棧，支持報文幀格式，將用戶保留為原始數(shù)據(jù)格式，程序設(shè)計簡單，直接為客戶的設(shè)備提供全透明的數(shù)據(jù)傳輸通道。RS232、485接口方式，能夠?qū)崿F(xiàn)水情遙測站的ID編號，點對點，點對多點，多點對多點的對等實時數(shù)據(jù)傳輸。

主要的技術(shù)指標(biāo)：

GPRS模塊型號：Simens Mc35/MC35i

GPRS模塊技術(shù)指標(biāo)：Class4(2W@900M)Class(1W@1800M)

天線接口：50Ω 50mA

SIM卡：3V/5V，自動檢測

串行接口：標(biāo)準(zhǔn)RS232，并且支持RS485

串行數(shù)率：1200-57600bps

接收靈敏度：-104dbm

頻率誤差：<=0.1ppm

供電：DC5V-40V

功耗：通信時平均電流

400mA，空閑時35mA

2、GPRS無線DTU模塊在水情遙測終端RTU中的嵌入設(shè)計

（1）硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)基于GLW-2050C智能水情遙測終端為核心，GLW-2050C智能水情遙測終端采用全中文LCD顯示測量參數(shù)、菜單操作方式，利用低功耗微處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計算、顯示、存儲和輸出功能，內(nèi)置大容量固態(tài)存儲器可以不間斷地保存歷史測量數(shù)據(jù)。提供U盤數(shù)據(jù)下載接口和計算機通信接口，即可獨立工作，又可聯(lián)網(wǎng)遙控。并具現(xiàn)場打印功能，可直接輸出數(shù)據(jù)表單。GLW-2050C智能水情遙測終端內(nèi)置可充電鋰電池，具有自動電量檢測、低電壓告警功能。全密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，防水、防潮，體積小、重量輕、攜帶方便。

（2）軟件設(shè)計

庫塔干渠水情自動化信息采集軟件主要由以下四個設(shè)計流程組成：

①GUI應(yīng)用程序界面設(shè)計，生成直接與用戶面對的軟件界面，設(shè)計主要思想簡單、明了，便于用戶的操作和使用，且具有一定的提示功能。

②CRC232通訊串口編程，占用系統(tǒng)串口資源、設(shè)置串口參數(shù)和初始化設(shè)備，為收發(fā)數(shù)據(jù)作好前期準(zhǔn)備。

③數(shù)據(jù)庫編程，連接數(shù)據(jù)庫資源，建立數(shù)據(jù)庫各存儲介質(zhì)并能通過用戶界面對數(shù)據(jù)庫設(shè)置和存儲數(shù)據(jù)進行管理操作。

④驅(qū)動程序，通信協(xié)議的實例化過程，和前端設(shè)備進行通信和核心區(qū)域，能對數(shù)據(jù)進行發(fā)送、組合、接收、分析校驗、解釋等操作。

三、GPRS應(yīng)用實驗

1、實驗地點選擇與實驗方法

為了使GPRS能在新疆巴州水文測報系統(tǒng)建設(shè)中得到應(yīng)用與推廣，為系統(tǒng)建設(shè)提供先進的數(shù)據(jù)傳輸手段做好技術(shù)準(zhǔn)備，我們選擇在巴州境內(nèi)的庫塔干渠進行了GPRS組網(wǎng)實地運行實驗,通過巴州電信提供的VPN專用虛擬網(wǎng)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（1）哈拉玉宮新閘口；（2）西尼爾水庫進水閘；（3）西干渠；（4）興平分水閘；（5）庫塔干渠天鵝分水閘；（6）阿瓦提開發(fā)一支渠；（7）孔雀河大河（孔雀河一樞紐下游100m處）。中心設(shè)在巴州水管處、水情分中心設(shè)在庫塔干渠站站部、興平建設(shè)一個重點遙測站。

實驗方法是在上述七個遙測站建設(shè)GPRS遙測站點，各站設(shè)置為1h定時自報，以及水位1cm增量自報，中心站24h開機接收數(shù)據(jù)。為保證通信質(zhì)量，首先要保證站點安裝質(zhì)量，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(jié)束后從計算機數(shù)據(jù)庫中提取信息進行統(tǒng)計和分析。

2、實驗結(jié)果

實驗結(jié)束后，通過數(shù)據(jù)庫記錄的報文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，結(jié)果如下：

（1）傳輸時延一般在1～5s之間。

（2）1h定時自報，1cm變幅自報工作模式，報文完整，無一缺失。

（3）定時巡測和人工招測各遙測站數(shù)據(jù)正常。

（4）正常接收分中心發(fā)來的水情信息。

3、經(jīng)驗與啟示

（1）整個系統(tǒng)的所有設(shè)備應(yīng)盡可能采用技術(shù)先進，配套齊全的國內(nèi)器件、設(shè)備。

（2）系統(tǒng)所有的信源都進行編碼，保證碼元系統(tǒng)中的唯一性；所有的傳輸數(shù)據(jù)都經(jīng)信道編碼，可以有效的進行查、糾錯，特殊數(shù)組無法糾錯的請求重發(fā)，保證數(shù)據(jù)的無誤傳輸。

（3）因GPRS通道是雙向的，因此除遙測站數(shù)據(jù)可以上傳外，還可以實現(xiàn)中心對遠地RTU的遠程設(shè)置和控制，另一個重要的特性是可以實現(xiàn)無線遠程讀取遙測站固態(tài)存儲的數(shù)據(jù)。

（4）系統(tǒng)投入運行期間，為了保證系統(tǒng)有很高的可靠性，必須對系統(tǒng)進行科學(xué)的管理，即可靠性管理。對系統(tǒng)的技術(shù)人員、操作員進行嚴(yán)格的技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的素質(zhì)；加強組織管理，健全并執(zhí)行各項有效的規(guī)章制度,設(shè)備維修等內(nèi)容。

四、結(jié)束語

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系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，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)長期運行的可靠性。

實驗結(jié)果表明，在庫塔干渠水文自動測報系統(tǒng)和巴州水情自動測報及防洪調(diào)度的數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)中引入GPRS數(shù)據(jù)通訊手段不但是有效的，也是可行的。