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(yè)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(fā)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(yè)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(fā)超短波遙測設備。 90年代開始應用包括超短波、衛(wèi)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(xù)利用INTERNET網絡技術和GSM短信方式進行傳輸，但并未有大規(guī)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(wèi)星、GSM、GPRS等幾種，它們都可以單獨組成水利數據遙測網絡?；旌贤ㄐ欧绞接梢陨贤ㄐ欧绞讲煌M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(tǒng)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(fā)射到中繼站。中繼站接收到測站發(fā)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(fā)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(tǒng)。 超短波組網的優(yōu)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(qū)，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(lián)，降低系統(tǒng)可靠性。 1.2.2 衛(wèi)星傳輸 隨著科學技術的進步，衛(wèi)星通信應用越來越多。衛(wèi)星通信組網就是在監(jiān)測站配置“數據采集平臺”（DCP），將水利數據信息發(fā)射到衛(wèi)星，經衛(wèi)星轉發(fā)到地面網管中心，登記后再由網管中心將信息發(fā)到衛(wèi)星，然后轉發(fā)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(wèi)星通信，是一種比較可行的辦法。 衛(wèi)星信道組網的優(yōu)點： 1．傳輸距離遠、覆蓋范圍廣、傳輸質量好； 2．由于各發(fā)射點、地面站與衛(wèi)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(wèi)星信道組網的缺點： 1．衛(wèi)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(wèi)星終端設備成本高，衛(wèi)星平臺的價格較貴，另外，雖然系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測點的數據信息。 有線信道組網的優(yōu)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(wèi)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(tǒng)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(yè)務發(fā)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(yè)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(yōu)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(xiàn)時延的現(xiàn)象，設計時要根據系統(tǒng)規(guī)模考慮解決瓶頸的問題。 1.2.5GPRS通用無線分組業(yè)務 GPRS是通用無線分組業(yè)務（General Packet Radio Service）的英文簡稱，是在GSM基礎上發(fā)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(fā)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(tǒng)的遠程監(jiān)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(fā)基于INTERNET的應用系統(tǒng),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(fā)的系統(tǒng)整體性能和可靠性得到了很大提高,系統(tǒng)運行成本也大幅下降。 優(yōu)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(wěn)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(yōu)劣之分，選擇時應根據各地不同的環(huán)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)總體結構 系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)一的數據庫。 2.1.2 遙測站結構 遙測站由遙測終端機（RTU）、現(xiàn)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(xiàn)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(fā)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(tǒng)中水情信息接收、處理、上報分發(fā)的最基層單位，也是計算機廣域網的節(jié)點，決策支持系統(tǒng)四級體系（中央、流域機構、?。▍^(qū)、市）、地（市）中的最低層。 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(tǒng)（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(tǒng)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(tǒng)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(fā)至上級領導機構； 3.遠程管理遙測終端； 4.可以實現(xiàn)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(jiān)控功能 9.系統(tǒng)告警指示 10.遠程寫庫功能； 11.遠程提取固態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(wèi)星通信（海事衛(wèi)星、VSAT、全線通、全球通、北斗衛(wèi)星）等通信組網方式，實現(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)的遠程管理。 該設備具有如下特點： ＊按國家防汛指揮系統(tǒng)要求設計 ＊三個RS-232C通訊口 ＊有主備信道自動切換機制 ＊固態(tài)存儲器遠程、本地提取 ＊可以發(fā)送人工觀測數據 ＊TU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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(tǒng)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(yè)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(xié)議，與RTU接口采用RS-232C標準接口，與RTU的通信協(xié)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(wěn)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： ＊使用方便、靈活、可靠 ＊支持雙頻GSM/GPRS ＊符合ETSI GSM Phase 2+標準 ＊數據終端永遠在線 ＊支持A5/1&A5/5加密算法 ＊透明數據傳輸與協(xié)議轉換 ＊支持虛擬數據專用網 ＊支持多數據中心 ＊支持點對點、點對多點、中心對多點對等數據傳輸 ＊短消息數據備用通道（選項） ＊STK卡特殊功能配置 ＊支持RS-232/422/485或以太網接口 ＊支持音頻接口，方便維護操作 ＊系統(tǒng)配置和維護接口 ＊通過X modem協(xié)議進行軟件升級 ＊支持圖形界面遠程配置與維護（由數據中心集中管理） ＊自診斷與告警輸出 ＊抗干擾設計，適合電磁環(huán)境惡劣的應用需求 ＊極好的低溫和高溫工作性能（-30～+70oC） 2.2.3 供電設備 遙測系統(tǒng)供電設備由太陽能電池板、蓄電池、太陽能充電保護器三大部分組成。 遙測系統(tǒng)中，遙測站大多地處邊遠山區(qū)，由于農網電壓不穩(wěn)定，而且得不到連續(xù)供電的保證，因此不宜使用交流供電方式。 為了保證遙測設備供電正常，所有遙測站推薦采用太陽能電池板浮充免維護蓄電池供電的方式，足夠保證遙測站設備正常工作。 綜合考慮遙測站平均日照、功耗、太陽能電池充電電流、負載相關系數以及電池充電安全系數，遙測系統(tǒng)供電設備將系統(tǒng)遙測站太陽能電池板功率配置為20W，蓄電池容量配置為24AH，通過太陽能充電保護器的控制，無論是哪種綜合遙測站，均可保證5天內將蓄電池充滿，亦可保證陰雨30-50天情況下，遙測站設備運行正常。 2.2.4傳感器 傳感器主要依據需要采集數據類型來定。比如需要采集雨量數據選擇雨量計，水位數據選用水位計等。 詳細的傳感器設備選型要從技術可靠性、運行費用、建設成本等方面進行綜合考慮。 2.3遙測應用平臺軟件 中心站測報軟件推薦鴻和達-水文遙測信息平臺軟件V2.1版本。由于該軟件符合《鼓勵軟件產業(yè)和集成電路產業(yè)發(fā)展的若干政策》和《軟件產品管理辦法》的有關規(guī)定，經過深圳市軟件評測中心根據《信息技術軟件包質量要求和測試》（GB/T17544-1998）評測合格，由深圳市科技和信息局于2005年10月26日頒發(fā)了《軟件產品登記證書》。 該軟件成功在多個水文水情信息采集遙測項目中應用，并獲得用戶的一致好評。 2.3.1軟件構成 綜合考慮中心軟件的需求和軟件的可靠行、可擴展性、實用性，提出以數據庫為核心的遙測信息平臺解決方案。 總體結構圖如下圖所示。 遙測信息平臺軟件由模塊化可以配置的通信值守和監(jiān)控、遠程管理和固態(tài)取數、數據庫維護和文件傳輸、信息查詢服務四個模塊組成。 1、通信值守和監(jiān)控進行數據通信和數據入庫 ： ＊通過數字專線或GSM/GPRS兼容模塊，實時接收測站的水雨情數據 ＊對信息進行解碼并進行合理性檢查、分門別類將各種數據入庫 ＊根據遙測站采集設備工作狀況及數據，分析遙測站的工作狀況，對系統(tǒng)運行狀況進行監(jiān)視 2、遠程管理和固態(tài)取數完成遠程讀取和設置終端參數、遠程提取固態(tài)存儲數據 ＊遠程向遙測站下發(fā)指令，命令遙測站批量上傳固態(tài)存儲數據或修改遙測站參數 ＊將遙測站傳來的固態(tài)存儲數據處理成相應的數據格式，形成文本文件 ＊終端信息管理 ＊將本地存儲的實時水雨情數據整理為固態(tài)存儲數據文件形式 3、數據庫維護和文件傳輸完成本地數據庫的維護和數據文本文件的遠程傳輸 ＊提供正點、加報數據按時自動傳送到省水情中心 ＊本地數據庫的維護 4、信息查詢修改服務 ＊提供本地查詢和統(tǒng)計管理功能，包括實時數據、整點數據、水雨情加報、測站工作狀況、通信暢通率 ＊提供遙測站屬性、參數管理功能，站點增減功能 ＊提供人工填補數據功能 ＊可以直接在局域網內查詢遙測數據，監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài) 2.3.2軟件實施功能 通過本軟件不但實現(xiàn)了水文數據的自動采集、遠程傳輸、處理如庫，滿足水情報汛的要求；而且在此基礎上實現(xiàn)了遠程修改測站運行參數和通訊參數；實現(xiàn)了通過自動測報系統(tǒng)建設，保證所有測站數據10分鐘收集到分局，15分鐘匯集到省局的要求；而且數據到分局和省局的時間都有提前。 1、總體上建立了以省局為中心的一體化信息系統(tǒng) 2、提供了各分局自動控制本轄區(qū)水雨情采集的操作平臺 通過通信監(jiān)控前置機，自動采集所有測站的水雨情信息并按照設定的工作方式發(fā)送到中心；可以對所有運行測站進行測站運行參數設置，控制測站的運行；可以通過GPRS信道遠程自動同時提取所有遙測站的歷史固態(tài)數據。 2.3.3設計和應用的先進性 通過項目的實施達到和超過了招標文件的要求，得到了比預期還要好的效果。這主要得益于在軟件設計和實現(xiàn)階段，針對系統(tǒng)的特點采用了成熟和高可靠性的技術和設計方法。 1、高可靠性設計 通過環(huán)境可靠性設計、應用軟件自身可靠性設計、數據可靠性、固態(tài)存儲數據的可靠性等綜合考慮保證了系統(tǒng)整體運行的高度可靠性。其中環(huán)境可靠性設計運用了軟硬件的容余設計，環(huán)境防毒、防攻擊設計；應用軟件自身可靠性設計應用了軟件本身的錯誤處理機制和監(jiān)控運行機制；固態(tài)存儲數據的可靠性運用了數據補發(fā)保證、本地遠程數據互備份機制； 2、動態(tài)鏈接庫、多線程和線程同步、內存共享技術 動態(tài)鏈接庫應用方便代碼的復用、方便通信模塊的修改和升級；多線程和線程同步的應用保證了復雜的通訊過程的實現(xiàn)；內存共享技術的應用實現(xiàn)了大數據短時間的同步交互。 3　GPRS/GSM通信技術在水利數據遙測中的應用價值 3.1從投資成本上來看 目前應用的遙測系統(tǒng)一般都需要組建專門的通信網絡，覆蓋范圍大的可能還要加多級中繼，建設成本和建設周期相當大。而如果應用GPRS/GSM通信技術來傳輸數據，只需要一個GPRS/GSM通信終端模塊就可以了，數據的傳輸和傳輸質量全由GSM網絡運營商來保證，可以節(jié)約建設成本和建設周期。 GPRS/GSM通信技術傳輸數據，由于電信部門的網絡相對水利系統(tǒng)是透明的，所以水利系統(tǒng)的網絡結構就變得簡單，這樣就便于自動測報網絡投入使用后的維護和維修工作，節(jié)約維護和維修成本以及網絡的運營成本。 通信費用低廉。雖然利用GPRS/GSM通信技術來實現(xiàn)遙測系統(tǒng)的數據傳輸有需要收取通信費用的缺點，但相對來說，它的通信費用是相當低廉的。 綜合考慮整個工程的投入，那么用GPRS/GSM通信技術來實現(xiàn)數據傳輸的方式將能從工程的建設、維護、維修等各個方面節(jié)約很多成本。 3.2提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、可移植性、可靠性 穩(wěn)定性：對于遙測系統(tǒng)中的自動化通信設備來說，由于其所處的地理環(huán)境，防雷一直是一個十分頭痛的問題，即使增加了許多防雷設備和器件，這些設備還是經常遭雷擊。使用GPRS/GSM通信網絡及GPRS/GSM通信技術來實現(xiàn)水利數據遙測可以省去了一些常用的通信設備，所以防雷問題也就不會那么突出。 靈活性：由于傳輸短消息的GPRS/GSM通信網絡覆蓋全國，這可以使得水情自動測報的范圍也很大，遙測站的數目可任意擴充。對于一些覆蓋地域比較廣的遙測系統(tǒng)來說，用GPRS/GSM通信技術來傳輸數據就有更大的優(yōu)勢。 可靠性：采用GPRS/GSM通信技術來進行傳輸后，通信信道的信噪比、誤碼率等通信的性能指標都可以由GPRS/GSM網絡的性能指標和通信協(xié)議得到保證，可以免去很多數據傳輸過程中的數據校驗、檢錯、糾錯工作，數據通信的可靠性可以得到提高。 可移植性：除了應用于固定遙測站的水利遙測信息傳輸外，GPRS/GSM通信技術作為移動通信網絡的通信業(yè)務之一，更能應用于迅測等流動遙測站的信息傳輸，而這一切的實現(xiàn)不需要增加任何通信設備。 4　結束語 綜合上述分析，以GPRS/GSM通信系統(tǒng)的傳輸遙測站與中心站之間的測量數據，無論在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性、可移植性、可靠性，還是在網絡運行成本上都比現(xiàn)在應用的測報通信系統(tǒng)有更大的優(yōu)勢，因而具有很廣泛的應用價值。 除此以外，在汛期期間，中心站還可以以手機短信形式向行政首長發(fā)布重點水庫、重要水文站每日8時水情與重大天氣形勢信息，為有關各級防汛決策和指導抗洪搶險提供可靠的依據。如遇重大天氣形勢變化，手機短信發(fā)至沿各縣、鄉(xiāng)級政府主要負責人，采取一些措施，做好防洪的準備，可以避免災情所造成的損失。