|
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、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向連接的TCP協議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸。中心可以與多個監測點同時進行數據傳輸，互不干擾。GPRS網絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。
2、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監測數據中心可以多個監測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數據傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
3、監控范圍廣：
GPRS網絡已經實現全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，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。因此采用GPRS網絡是其理想的選擇。
4、系統建設成本低：
由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網絡維護費用。
5、系統運營成本低：
采用GPRS公網通信，全國范圍內均按統一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網絡可按數據實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節)，也可以按包月不限流量收費，從而實現了系統的低成本通信。
6、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。
7、系統的傳輸容量，擴容性能好：
水文監測中心要和每一個水文信息采集點實現實時連接。由于水文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；由于系統采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監測中心可輕松支持幾千個現場采集點的通信接入。
8、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環境：
雖然與遠在千里的數據中心進行雙向通信，GPRS數傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可,其整體功耗與一臺普通GSM手機相當, 平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統數傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。
三、解決方案介紹：
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此監測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個水文數據采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機，從而進行數據通信。
（一）系統結構
1、水文信息采集點：
現場監控點通過水文測報機自動采集水文信息，通過RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，水文測報機采集到的數據通過GPRS DTU終端的內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GPRS無線網絡。
2、水文中心：
a）公網接入方案
服務器采用公網方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網等，申請公網固定IP地址；可以實現中小容量的數據采集應用。
b）專網接入方案
服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當環保信息采集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現大容量數據采集應用。
監控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理，這樣進一步增強了系統數據通信安全性能。
3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡：
水文測報機采集的數據經GPRS/GSM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：
各水文監測點使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120 GPRS DTU透明數據傳輸終端，通過移動GPRS網絡與監控中心相連。各水文監測點的GPRS DTU使用移動通信公司的GPRS普通數據卡或APN專用數據卡，同時監控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與采集點信息進行關聯，以便識別和維護處理。信息采集中心運行監控系統軟件，實時采集水文信息數據。
凡省水文局授權的信息采集點均可以使用本系統：
1、水文信息監測點必須使用移動統一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與水文站數據中心通信。
2、終端設備使用成都眾山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
系統采用ZSD3120 GPRS DTU無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監管功能，滿足各行業調度或控制中心與眾多遠端站點之間的數據采集和控制。
1、內置TCP/IP協議棧，針對GPRS網絡優化
2、提供GPRS無線數據雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSI GSM Phase 2+標準
5、支持自動心跳，保持永久在線
6、透明數據傳輸：為用戶的數據設備提供雙向100K大容量數據緩沖區，支持大數據包傳輸
7、自動撥號連接：DTU上電自動撥號上網、連接網絡，支持用戶端發起命令連接或遠程喚醒連接
8、提供短信通道，內置Unicode國際編碼轉換表
9、支持遠程短信/電話喚醒
10、實時監測網絡連接情況，掉線自動重撥功能
11、支持中心為固定IP或動態域名
12、心跳報告時間間隔用戶可設定
13、支持點對點、點對多點、多點對多點對等 數據傳輸
14、支持APN數據專網業務
15、安裝靈活、使用方便、可靠
16、支持多數據中心，自動切換
17、適應低溫和高溫工作環境
18、EMC抗干擾設計，適合電磁惡劣環境應用
19、復合式看門狗技術，永不當機
20、整機低功耗技術，在線待機電流<20mA
（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接入,或者到移動專網接入，采用公網接入方式成本比較低，企業不用租用專線，而使用數據專線接入時，GPRS數據傳輸設備要經過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。
1、APN數據專網模式：企業內部網絡中配置APN服務器，移動終端使用APN數據專網，由于采用數據專網,服務器與公網Internet隔離,可以有效避免非法入侵。
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、可以為每個GPRS數據傳設備單獨配置 DTU ID號和密碼，通過數據中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有數據中心分配的DTU ID號和密碼的GPRS的設備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：可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：
數據中心采用有線方式，租用靜態IP目前費用約800~1500元/月。采集點采用GPRS無線方式，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0.01元-0.03元/KB，而包月制20元/月有1024KB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。
因此,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。
|
