成都眾山科技有限公司
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隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，對水文信息不斷提出新要求，水文觀測項目和內(nèi)容不斷增加，對觀測手段和方法以及水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來越高的要求；現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水文監(jiān)測技術(shù)自動化的發(fā)展。
在水文監(jiān)測系統(tǒng)中，常常需要對眾多的水位點進(jìn)行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務(wù)器進(jìn)行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設(shè)置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成為水文部門選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測設(shè)備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時發(fā)送到水文監(jiān)測部門，實現(xiàn)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(jiān)測自動化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展
1、水文監(jiān)測的范圍與內(nèi)容：
水文監(jiān)測是水文傳感器技術(shù)與采集、存儲、傳輸、處理技術(shù)的集成。
監(jiān)測范圍：江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等水文參數(shù)。
監(jiān)測內(nèi)容：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸發(fā)、泥沙、冰凌、墑情、水質(zhì)等。
2、人工監(jiān)測技術(shù)存在的問題：
從水文傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)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(shù)字方式記錄的也很難方便的輸入計算機(jī)處理；
（2）據(jù)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(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。
因此，要用自動化技術(shù)促進(jìn)水文監(jiān)測自動化的發(fā)展。
3、水位的采集和傳輸
用于自動化監(jiān)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(jiān)測水位參數(shù)。地下水位的監(jiān)測與地表水相同。
目前，省水文監(jiān)測站與各采集點之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個別點還地處偏僻，因此需申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點有線線路難以到達(dá)。
GPRS具有速度快、使用費用低的特點，其傳輸速度可達(dá)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(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、運行費用低投，維護(hù)簡單、性價比高等優(yōu)點因此，目前正考慮采用GPRS無線傳輸方式解決污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸問題。
二、方案優(yōu)點：
中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺上構(gòu)建水文信息采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)水文信息采集點的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統(tǒng)作為水文信息采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。
GPRS無線水文監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：
1、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRSDTU采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機(jī)制，并具備極強(qiáng)的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。
2、實時性強(qiáng)：
GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
3、監(jiān)控范圍廣：
GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于水文信息采集點數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，部分水文信息采集點位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。因此采用GPRS網(wǎng)絡(luò)是其理想的選擇。
4、系統(tǒng)建設(shè)成本低：
由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費用。
5、系統(tǒng)運營成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用,GPRS網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
6、可對各監(jiān)測點儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：
通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關(guān)等控制功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級。
7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：
水文監(jiān)測中心要和每一個水文信息采集點實現(xiàn)實時連接。由于水文信息采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構(gòu)，具備良好的擴(kuò)展性能，一個監(jiān)測中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點的通信接入。
8、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：
雖然與遠(yuǎn)在千里的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行雙向通信，GPRS數(shù)傳設(shè)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(jī)相當(dāng),平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)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(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)測中心計算機(jī)需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個水文數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
GPRS遠(yuǎn)程水文監(jiān)測應(yīng)用
1、水文信息采集點：
現(xiàn)場監(jiān)控點通過水文測報機(jī)自動采集水文信息，通過RS232或RS485接口與GPRSDTU終端相連，水文測報機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過GPRSDTU終端的內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。
2、水文中心：
a）公網(wǎng)接入方案
服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
b）專網(wǎng)接入方案
服務(wù)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(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)環(huán)保信息采集點數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求，可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
監(jiān)控中心RADIUS服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到監(jiān)控中心計算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。
3、GPRS/GSM移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：
水文測報機(jī)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。
（二）系統(tǒng)方案：
各水文監(jiān)測點使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120GPRSDTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各水文監(jiān)測點的GPRSDTU使用移動通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專用數(shù)據(jù)卡，同時監(jiān)控中心對各點GPRS終端編號進(jìn)行登記, 并與采集點信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識別和維護(hù)處理。信息采集中心運行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實時采集水文信息數(shù)據(jù)。
凡省水文局授權(quán)的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)：
1、水文信息監(jiān)測點必須使用移動統(tǒng)一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與水文站數(shù)據(jù)中心通信。
2、終端設(shè)備使用成都眾山科技有限公司提供的GPRS移動數(shù)據(jù)通信終端。
3、用戶登記：符合省級水文局的規(guī)定。
（三）產(chǎn)品特性
系統(tǒng)采用ZSD3120GPRSDTU無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口,可直接與PC、單片機(jī)系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)集中器等連接，具有遠(yuǎn)程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)端站點之間的數(shù)據(jù)采集和控制。
1、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，針對GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
2、提供GPRS無線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSIGSMPhase2+標(biāo)準(zhǔn)
5、支持自動心跳，保持永久在線
6、透明數(shù)據(jù)傳輸：為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供雙向100K大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持大數(shù)據(jù)包傳輸
7、自動撥號連接：DTU上電自動撥號上網(wǎng)、連接網(wǎng)絡(luò)，支持用戶端發(fā)起命令連接或遠(yuǎn)程喚醒連接
8、提供短信通道，內(nèi)置Unicode國際編碼轉(zhuǎn)換表
9、支持遠(yuǎn)程短信/電話喚醒
10、實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連接情況，掉線自動重?fù)芄δ?/P>
11、支持中心為固定IP或動態(tài)域名
12、心跳報告時間間隔用戶可設(shè)定
13、支持點對點、點對多點、多點對多點對等數(shù)據(jù)傳輸
14、支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)務(wù)
15、安裝靈活、使用方便、可靠
16、支持多數(shù)據(jù)中心，自動切換
17、適應(yīng)低溫和高溫工作環(huán)境
18、EMC抗干擾設(shè)計，適合電磁惡劣環(huán)境應(yīng)用
19、復(fù)合式看門狗技術(shù)，永不當(dāng)機(jī)
20、整機(jī)低功耗技術(shù)，在線待機(jī)電流<20mA
（四）安全措施：
由于水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。
數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)接入,或者到移動專網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數(shù)據(jù)專線接入時，GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過Radius服務(wù)器的認(rèn)證,整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。
1、APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，移動終端使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng),服務(wù)器與公網(wǎng)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(jī)號碼進(jìn)行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對SIM卡號和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機(jī)號才能訪問專用APN，移動終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動分配的專門的APN進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機(jī)的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、可以為每個GPRS數(shù)據(jù)傳設(shè)備單獨配置DTUID號和密碼，通過數(shù)據(jù)中心在其登陸時進(jìn)行應(yīng)用層認(rèn)證，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的DTUID號和密碼的GPRS的設(shè)備將無法登錄進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。
4、數(shù)據(jù)加密：可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)。
5、網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機(jī)制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。
四、結(jié)論：
數(shù)據(jù)中心采用有線方式，租用靜態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)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(shè)備可以移動，當(dāng)水文觀測站和水文信息采集點搬遷時設(shè)備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護(hù)用戶原有投資，適合于水文采集工作的特點。
因此,采用GPRS構(gòu)建水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能很好地滿足水文信息采集的需求，而且，做為網(wǎng)絡(luò)運營商的移動通信公司也將因此獲得業(yè)務(wù)穩(wěn)定的集團(tuán)用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調(diào)動了運營商的積極性，符合網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步發(fā)展的要求。
