GPRS网络进行水情报汛的应用

分类：技术教程日期：2007-04-10 00:00:00

在水情自动测报系统中，数据远程传输是不可缺少的环节。近年来移动公司的技术发展及其数据业务商业化应用，使得GPRS通信手段在水文数据传输中的应用成为可能。通过分析GPRS应用原理，进行组网设计及应用方法设计，并通过应用试验，得出利用GPRS网络进行水情报讯是有效的，也是可行的。
环境：通信信道 GPRS RTU 分中心
一．前言
在建设水文自动测报系统及防汛指挥系统水情分中心的工程中，数据远程传输是必不可少的环节，国家防汛指挥系统由四个子系统组成：(1)基础数据采集系统和水文测验设施的改进；(2)数据通信子系统，(3)计算机及其网络建设；(4)防汛会商业务支持系统。数据通信子系统的任务是非常明确的，就是要将野外现场的遥测数据传送到分中心。
实现远程数据传输的通信手段已经有许多种了，它们主要是：超短波通讯，短波通讯，有线PSTN通信，GSM通信(分SMS和GPRS两种方式)，CDMA，光纤通信以及卫星通讯(含多种卫星通道)等。随着公网通信事业突飞猛进地发展，还将进一步出现新的数据业务通讯方式。
2002年5月后，中国移动GPRS网络进入了商业化实用阶段，从而为我们提供了利用国家公网传输水情数据的又一种方法。该通信手段在水文数据传输中的应用。
二．GPRS概述
1 GPRS应用原理
GPRS (General Packet Radio Service) 通用分组无线业务是一种基于数据包的无线通讯服务。理论上它将使得通讯速率从56 Kbps一直上升到114Kbps，且支持计算机和移动用户的持续连接。GPRS是基于GSM网络的，在理论上，GPRS数据包通讯服务的花费比电路交换服务所花的费用要少，其通信信道是共享的，仅在需要的时候才有数据包传输产生，因此比使用专用的连接要节省很多资源。GPRS移动用户可以随时访问自己的虚拟专用网络(VPN)，而不是每次都需要拨号上网，从而为用户提供更加简单的应用服务。
GPRS是按GSM标准定义的封包交换协议，可快速接入数据网络。它在移动终端和网络之间实现了“永远在线”的连接，网络容量只有在实际进行传输时才被占用。GPRS的实际速度典型值比理论速度慢，介乎14.4~43.2 kbps(上下行非对称速率)左右。GPRS将是第一个实现移动互联网即时接入的标准，也是迈向3G/UMTS的过程。
采用移动GPRS技术进行网络数据传送，费用低，使用方便，不受地域限制，便于业务发展，具有很好的发展趋势，从SMS到GPRS到将来的3G，是一种更经济便捷的通讯之路，可以构架更为广泛的通信网络，实现灵活的信息网络传输。
GPRS是基于数据分组传送的，能提供连续不间断的数据通信业务，具有比SMS更好的数据传送速度和能力，且能够始终在线，通信费用是按照实际传送的数据字节进行结算的，运行费用低。
2 GPRS传输数据的特点
(1)相对GSM拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“高速”和“在线”的优点。
(2)除了速度上的优势，GPRS还有"在线"的特点，即用户随时与网络保持联系。有数据传送时就在无线信道上发送和接受数据，没有数据传送，终端就进入一种"准休眠"状态，释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次传送时，手机立即向网络请求无线频道用来传送数据，不需频繁拨号。
(3)GPRS数据传输是双向的，且可以传输批量数据，对水文应用来说还可以实现固态存储数据无线下载，这一个特点是超短波、GSM短信、PSTN以及卫星通信所不能替代的。
3 GPRS组网设计
3.1 组网及中心站的GPRS数据接入方法
根据水文数据传输应用的特点，我们对中国移动提供的GPRS接入方法进行综合分析，考虑到性价比和易用性，实验系统数据接入选择了在水情分中心采用GPRS无线Modem进行接入的应用方式，为用户建立自己的无线VPN专用数据网，提供各种速率的高质量、透明数据传输的永久或半永久性专用通讯链路，在远地遥测端，水文数据的传输均通过GPRS无线DDN来实现。无线DDN利用GPRS移动数据通信网络组成的数字数据传输网络，是非常适合点多分散野外环境条件差的系统，也适合使用环境。GPRS组网原理见图1。

图1

用户申请了GPRS专用VPN后，根据移动运营商分配给数据中心Modem网内固定IP地址，数据中心通过无线GPRS Modem与遥测站实现多点对中心的数据通信，远地遥测站根据配置的数据中心网内IP地址与数据中心建立数据通道。这种接入方法的优点是：
(1)数据在自己的VPN专网内进行通讯，外界的终端或节点不能进入，数据安全性好。
(2)数据在自己的VPN专网内进行通讯，也保证了数据传输的实时性。
(3)接入成本仅为DDN专线接入的三分之一。费用有所降低，灵活性有所提高，不需要土建施工。
(4)使用带宽在40—80K之间，通讯性能已能满足水情报文数据传输要求。
(5)中心接入点或遥测站均可绑定内网固定IP，偶尔掉线可以再继续自动上线，不会丢失中心端的地址。
GPRS水情遥测组网原理
3.2 GPRS带宽估算
若水情分中心系统有50个遥测站点，每个站自报遥测数据包为20个字节，单站数据流则为200bit，50个站为10K bit，若要求在2s内全部传送完毕，其占用带宽约为5 kbps，若要求在1s内全部传送完毕，其占用带宽约为10 kbps，小于中心端实际传输带宽。况且，水文数据的传输并不是每时每刻都进行的，实际上水文遥测系统占用的带宽更窄。
远端遥测站属区GPRS实际传输带宽一般大于40k，由于水情遥测站点的分布特性，一个基站范围内站点数目非常有限，所以野外站点数据上传是完全没有问题的。
3.3 数据上传
各个水文遥测站采集系统所需要的数据，通过数据转换和数据打包后送到GPRS模块，GPRS模块根据实现定义的APN连接方式将打包好的数据增加部分冗余码和校验码并转换成适合在无线链路上传送的网络数据包信号。移动公司局端的专用APN收到信号后透明传递到水情分中心。
3.4 命令下传
同样，由于是透明传递，水情分中心可以将命令、对远端遥测站的设置参数等透传到遥测站点，从而实现数据远程读取和遥测站工作参数的远程设置。
三．GPRS应用方法
根据图1的原理，我们在遥测站中配置GPRS无线 DTU，中心站使用GPRS无线Modem。在有GPRS信号覆盖的地点组网建站，实际使用GPRS进行远程数据传输。
1 GPRS无线DTU模块的选用
GPRS终端采用符合工业应用标准的GPRS无线DTU/GPRS模块GF-2008w。
DTU/GPRS通信模块是一款专门为需要无线数据传输设备开发的无线数据传输协议转换器。DTU/GPRS实现了无线GSM协议栈的转换，与之相连的终端设备无需支持GMS协议处理能力，数据传输时只需, 通过串口向DTU/GPRS发送串口格式数据，DTU/GPRS会自动地加上GSM无线通信的协议，把串口数据包转换成GSM无线通信的协议数据包，把数据传输到目的主机；同时对方主机通过无线GSM发送过来的数据通过DTU/GPRS协议转换后，也以透明的串口数据方式传回给中心站水情工作站主机。只要提供RS-232接口的设备都可以通过DTU/GPRS实现无线GSM数据传输。终端设备和DTU/GPRS间交互采用简单的串口包格式，所有的GSM协议栈协议都由DTU/GPRS完成转换。通过DTU/GPRS实现无线数据传输功能。
模块特点如下：
(1)完成了GSM协议栈转换；
(2)实现串口透明的无线数据传输；
(3)支持GSM数据包交换；
(4)支持GSM900/DCS1800/PCS1900MHZ三频段网络；
(5)通过FTA测试，可供二次开发；
(6)采用CLASS 10无线模块，高速传输，稳定可靠。
技术参数如下：
(1)接口类型：RS232接口
(2)工作频段：GSM900/DCS1800/PCS1900
(3)接收灵敏度：-104dbm
(4)发射功率：CLASS4 (2W) /EGSM900；CLASS1(1W)/DCS1800 CLASS1 (1W)/PCS1900
(5)频率误差：<=0.1ppm
(6)符合ETSI GSM Phase 2+标准
(7)GPRS Class 2-10
(8)编码方案：CS1-CS4
(9)符合SMG31bis技术规范
(10)支持A5/1&A5/5加密算法
外置型模块直流电压输入范围宽(+5~26VDC)，工作温度：-20~65℃，湿度范围：0~95%,非冷凝满足复杂的应用环境，使用方便、灵活、可靠，体积小、功耗低，适合嵌入式使用。
2 GPRS无线DTU模块在水情遥测终端RTU中的嵌入设计
2.1 硬件设计
硬件系统基于YDH-1A水文遥测终端设备，YDH-1A型遥测数传终端RTU是由微处理器控制的通用设备，由于采用拔插式模板结构而成为分布式的终端类型，根据应用的需要可以组成不同的类型。借助YDH-1A通信控制模板，利用模板上的RS-232硬件接口对GPRS无线 DTU模块进行控制，完成数据远程收发任务。
水文遥测终端组成框图
2.2.2 软件设计
软件设计基于图3所示的控制流程。
遥测数传终端GPRS数据传输流程
3 GPRS应用实验
3.1 实验地点选择与实验方法
为了GPRS能在全国水文测报系统建设中得到应用与推广，为系统建设提供先进的数据传输手段做好技术准备，我们选择在广东省惠州市进行了GPRS组网实地运行实验,通过广东移动提供的VPN专用虚拟网进行水文报汛GPRS传输，验证GPRS传输水情的可行性和实用性。
参加实验的水文遥测站点选在A地点(站号10)和B地点(站号11)。水情分中心设在C地点水文分局。
实验方法是在A地点(10)、B地点(11)建设GPRS遥测站点，各站设置为1h定时自报，雨量1mm增量自报以及水位1cm增量自报，中心站24h开机接收报文。
为保证通信质量，首先要保证站点安装质量，若站点信号场强不高，则使用室外延长天线改善效果，同时也能节约功耗。天线不允许水平放置，必须垂直放置。
遥测站使用太阳能电池板和进口免维护蓄电池组合提供RTU和GPRS DTU的电源。
实验结束后从计算机数据库中提取信息进行统计和分析。
3.2 实验结果
实验结束后，通过数据库记录的报文数据统计分析，结果如下：
(1) 传输时延一般在1~3s之间。
(2) 1h定时自报报文完整，无一缺失。
(3) 水位雨量增量报报文正常。
3.3 经验与启示
(1) 根据水文数据传输业务的实际需要和水文报文的及时性，中心站必须具备真正意义上的“在线”功能，具体的实现方法是中心站对无线Modem应有自动维护的功能。
(2) 为了保证水文报文数据传输万无一失，中心端软件应具有接收数据确认并向遥测站发送回执的反馈机制。若遥测站在规定的时间内没有接收到中心站的回执，遥测站应进行补报，这样可以防止GPRS数据传输中有可能发生的掉包现象。
(3) 因GPRS通道是双向的，因此除遥测站数据可以上传外，还可以实现中心对远地RTU的远程设置和控制，另一个重要的特性是可以实现无线远程读取遥测站固态存储的数据，这个功能是其他通信不易做到的，应积极开发利用。
四．结语
根据国家防汛指挥系统建设指导书的要求，参照以往水文自动测报系统的建设经验，可得出以下结论：
(1)有国家公网可以利用的，尽量不要建设自己的专网；
(2)有无线信道可资利用的，不要使用有线信道。这两条原则可以极大地提高系统长期运行的可靠性。
实验结果表明，在水文自动测报系统和国家防汛指挥系统的数据通信传输子系统中引入GPRS数据通讯手段不但是有效的，也是可行的。随着将来3G时代的到来，现代通信技术同水利事业相结合的技术发展更趋明显。