关于GPRS在库塔干渠水情测报系统的分析和应用

jdwavecom · 2009-10-09

摘要：水利信息化是水利现代化的基础和重要标志。数据远程传输是不可缺少的环节。近年来电信公司的技术发展及其数据业务商业化的应用，使GPRS通信手段在水文数据传输中的应用成为可能。本文介绍了GPRS在新疆巴州库塔干渠水利信息化中的应用现状，通过分析GPRS应用原理，进行组网设计及应用方法设计，并通过库塔干渠的应用试验，得出利用GPRS网络进行水情远程遥测是一种有效可行的数据传输手段。

关键词：GPRS 水情测报库塔干渠 GSM

一、概述

随着人类社会的发展，信息化、全球化已成为一种世界性的大趋势。信息技术的革新深刻地改变了人们传统的生活方式。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，实现远程水情自动测报数据传输的通信方式已经有许多种了，它们主要是：超短波通讯，短波通讯，有线PSTN通信，GSM通信/GPRS和光纤通信以及卫星通讯等。随着信息技术地发展，还将进一步利用新的数据业务通讯方式来实现远程数据传输。本文讨论GPRS在水文数据传输中的应用。

1、GPRS应用原理

GPRS是通用分组无线业务的简称。GPRS网是在GSM电话网的基础上增加以下功能实体构成的： SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）、PTMSC（点对多点服务中心）；共用GSM基站但基站要进行软件更新，采用新的GPRS移动台，GPRS要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联；GSM网络系统要进行软件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。

采用GPRS通信方式时；各个中心站、分中心站、水情遥测站均需要配置相应GPRS数据通信终端，选用可同时工作于GPRS和GSM或可在GPRS和GSM之间自动切换工作的GPRS MODEM。

2、GPRS的特点

GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大提高，GPRS可提供高达115kb/s的传输速率，并且接入时间短，可快速建立连接，平均为两秒。

GPRS一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，具有稳定可靠、覆盖面较广、网络能力强、不受地域限制的特点，其最大的好处是终端设备体积小，没有引雷部件，不需做防雷处理。发送和接收安全可靠。通信距离取决于该业务的覆盖范围，维护维修可由业务营运商解决。不需要架设天线，便于隐蔽性，防盗性能好。

GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户只需按数据通信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，用户的使用费用大大降低。

GPRS通信模块应用到下列系统中：远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安系统、物质管理系统等。而库塔干渠信息自动化系统正是GPRS应用于远程数据监测系统和远程控制系统的典型示例。正是因为GPRS业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于像库塔干渠信息自动化系统一样的频发小数据量的实时传输,因而GPRS业务在水情自动测报系统上有特殊的应用。

3、GPRS组网设计

（1）GPRS组网及中心、分中心站的数据接入方法

根据水文数据传输应用的特点，对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，通过建立自己的无线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。

（2）专网VPN业务实现方式及特点

采用VPDN技术实现专网接入业务方案，MS采用PPP方式接入VPN虚拟网，使用第二层隧道协议L2TP。GGSN通过输入的公司名或主被叫号码从Radius服务器获取建立隧道的相关信息，然后启动到企业网关的L2TP隧道协议，建立起GGSN和企业网关之间的隧道连接。此时用户的PPP包可以直达企业网关，由企业网关通过公司的Radius服务器完成对用户级的认证，通过后，就建立起GRPS手机到达企业网关的PPP链路，从而真正实现移动办公业务。

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：

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；

保证了数据传输的实时性；

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；

使用带宽在14.4－43.2K之间，通讯性能已能满足水情报文数据传输要求；

中心接入点或遥测站均可绑定内网固定IP，遥测站不会丢失中心端的地址。

（3）GPRS带宽估算

若水情分中心系统有10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，10个站为2Kbit，若要求在2s内全部传送完毕，其占用带宽约为1kbps，若要求在1s内全部传送完毕，其占用带宽约为2kbps，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。

（4）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。

（5）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明传递到遥测站点，从而实现数据远程读取和遥测站工作参数的远程设置。

二、GPRS应用方法

根据图二（略）的原理，在遥测站中配置GPRS无线DTU，中心站使用GPRS无线Modem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GPRS/DTU模块Saro-1010p。Saro-1010p GPRS/DTU通信模块是一款按工业标准设计，是基于移动通信网络，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。与数据中心的接口设备一起提供透明或帧格式数据传输通道，组成用户专用数据网络。支持GSM900M/GSM1800M双频模式。支持中、英文短消息。该设备使用标准的AT命令，内嵌完整、稳定的TCP/IP协议栈，支持报文帧格式，将用户保留为原始数据格式，程序设计简单，直接为客户的设备提供全透明的数据传输通道。RS232、485接口方式，能够实现水情遥测站的ID编号，点对点，点对多点，多点对多点的对等实时数据传输。

主要的技术指标：

GPRS模块型号：Simens Mc35/MC35i

GPRS模块技术指标：Class4(2W@900M)Class(1W@1800M)

天线接口：50Ω 50mA

SIM卡：3V/5V，自动检测

串行接口：标准RS232，并且支持RS485

串行数率：1200-57600bps

接收灵敏度：-104dbm

频率误差：<=0.1ppm

供电：DC5V-40V

功耗：通信时平均电流

400mA，空闲时35mA

2、GPRS无线DTU模块在水情遥测终端RTU中的嵌入设计

（1）硬件设计

硬件系统基于GLW-2050C智能水情遥测终端为核心，GLW-2050C智能水情遥测终端采用全中文LCD显示测量参数、菜单操作方式，利用低功耗微处理器实现数据采集、计算、显示、存储和输出功能，内置大容量固态存储器可以不间断地保存历史测量数据。提供U盘数据下载接口和计算机通信接口，即可独立工作，又可联网遥控。并具现场打印功能，可直接输出数据表单。GLW-2050C智能水情遥测终端内置可充电锂电池，具有自动电量检测、低电压告警功能。全密封结构设计，防水、防潮，体积小、重量轻、携带方便。

（2）软件设计

库塔干渠水情自动化信息采集软件主要由以下四个设计流程组成：

①GUI应用程序界面设计，生成直接与用户面对的软件界面，设计主要思想简单、明了，便于用户的操作和使用，且具有一定的提示功能。

②CRC232通讯串口编程，占用系统串口资源、设置串口参数和初始化设备，为收发数据作好前期准备。

③数据库编程，连接数据库资源，建立数据库各存储介质并能通过用户界面对数据库设置和存储数据进行管理操作。

④驱动程序，通信协议的实例化过程，和前端设备进行通信和核心区域，能对数据进行发送、组合、接收、分析校验、解释等操作。

三、GPRS应用实验

1、实验地点选择与实验方法

为了使GPRS能在新疆巴州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，我们选择在巴州境内的库塔干渠进行了GPRS组网实地运行实验,通过巴州电信提供的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（1）哈拉玉宫新闸口；（2）西尼尔水库进水闸；（3）西干渠；（4）兴平分水闸；（5）库塔干渠天鹅分水闸；（6）阿瓦提开发一支渠；（7）孔雀河大河（孔雀河一枢纽下游100m处）。中心设在巴州水管处、水情分中心设在库塔干渠站站部、兴平建设一个重点遥测站。

实验方法是在上述七个遥测站建设GPRS遥测站点，各站设置为1h定时自报，以及水位1cm增量自报，中心站24h开机接收数据。为保证通信质量，首先要保证站点安装质量，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。

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1～5s之间。

（2）1h定时自报，1cm变幅自报工作模式，报文完整，无一缺失。

（3）定时巡测和人工招测各遥测站数据正常。

（4）正常接收分中心发来的水情信息。

3、经验与启示

（1）整个系统的所有设备应尽可能采用技术先进，配套齐全的国内器件、设备。

（2）系统所有的信源都进行编码，保证码元系统中的唯一性；所有的传输数据都经信道编码，可以有效的进行查、纠错，特殊数组无法纠错的请求重发，保证数据的无误传输。

（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。

（4）系统投入运行期间，为了保证系统有很高的可靠性，必须对系统进行科学的管理，即可靠性管理。对系统的技术人员、操作员进行严格的技术培训，提高他们的素质；加强组织管理，健全并执行各项有效的规章制度,设备维修等内容。

四、结束语

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，在库塔干渠水文自动测报系统和巴州水情自动测报及防洪调度的数据通信传输系统中引入GPRS数据通讯手段不但是有效的，也是可行的。
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2009-10-09	#1 (permalink)
jdwavecom 高级会员注册日期: 2009-07-09 帖子: 538	关于GPRS在库塔干渠水情测报系统的分析和应用摘要：水利信息化是水利现代化的基础和重要标志。数据远程传输是不可缺少的环节。近年来电信公司的技术发展及其数据业务商业化的应用，使GPRS通信手段在水文数据传输中的应用成为可能。本文介绍了GPRS在新疆巴州库塔干渠水利信息化中的应用现状，通过分析GPRS应用原理，进行组网设计及应用方法设计，并通过库塔干渠的应用试验，得出利用GPRS网络进行水情远程遥测是一种有效可行的数据传输手段。关键词：GPRS 水情测报库塔干渠 GSM 一、概述随着人类社会的发展，信息化、全球化已成为一种世界性的大趋势。信息技术的革新深刻地改变了人们传统的生活方式。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，实现远程水情自动测报数据传输的通信方式已经有许多种了，它们主要是：超短波通讯，短波通讯，有线PSTN通信，GSM通信/GPRS和光纤通信以及卫星通讯等。随着信息技术地发展，还将进一步利用新的数据业务通讯方式来实现远程数据传输。本文讨论GPRS在水文数据传输中的应用。 1、GPRS应用原理 GPRS是通用分组无线业务的简称。GPRS网是在GSM电话网的基础上增加以下功能实体构成的： SGSN（服务GPRS支持节点）、GGSN（网关GPRS支持节点）、PTMSC（点对多点服务中心）；共用GSM基站但基站要进行软件更新，采用新的GPRS移动台，GPRS要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现GPRS骨干网互联；GSM网络系统要进行软件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。采用GPRS通信方式时；各个中心站、分中心站、水情遥测站均需要配置相应GPRS数据通信终端，选用可同时工作于GPRS和GSM或可在GPRS和GSM之间自动切换工作的GPRS MODEM。 2、GPRS的特点 GPRS业务的速度较GSM CSD业务也将有很大提高，GPRS可提供高达115kb/s的传输速率，并且接入时间短，可快速建立连接，平均为两秒。 GPRS一个较大的优势是能够充分利用现有的GSM网，具有稳定可靠、覆盖面较广、网络能力强、不受地域限制的特点，其最大的好处是终端设备体积小，没有引雷部件，不需做防雷处理。发送和接收安全可靠。通信距离取决于该业务的覆盖范围，维护维修可由业务营运商解决。不需要架设天线，便于隐蔽性，防盗性能好。 GPRS用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户只需按数据通信量付费，而无需对整个链路占用期间付费。实际上，GPRS用户可能连接的时间长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用，用户的使用费用大大降低。 GPRS通信模块应用到下列系统中：远程数据监测系统、远程控制系统、自动售货系统、无线定位系统、门禁保安系统、物质管理系统等。而库塔干渠信息自动化系统正是GPRS应用于远程数据监测系统和远程控制系统的典型示例。正是因为GPRS业务具有接入迅速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势，特别适合于像库塔干渠信息自动化系统一样的频发小数据量的实时传输,因而GPRS业务在水情自动测报系统上有特殊的应用。 3、GPRS组网设计（1）GPRS组网及中心、分中心站的数据接入方法根据水文数据传输应用的特点，对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，通过建立自己的无线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。（2）专网VPN业务实现方式及特点采用VPDN技术实现专网接入业务方案，MS采用PPP方式接入VPN虚拟网，使用第二层隧道协议L2TP。GGSN通过输入的公司名或主被叫号码从Radius服务器获取建立隧道的相关信息，然后启动到企业网关的L2TP隧道协议，建立起GGSN和企业网关之间的隧道连接。此时用户的PPP包可以直达企业网关，由企业网关通过公司的Radius服务器完成对用户级的认证，通过后，就建立起GRPS手机到达企业网关的PPP链路，从而真正实现移动办公业务。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：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；保证了数据传输的实时性；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；使用带宽在14.4－43.2K之间，通讯性能已能满足水情报文数据传输要求；中心接入点或遥测站均可绑定内网固定IP，遥测站不会丢失中心端的地址。（3）GPRS带宽估算若水情分中心系统有10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，10个站为2Kbit，若要求在2s内全部传送完毕，其占用带宽约为1kbps，若要求在1s内全部传送完毕，其占用带宽约为2kbps，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。（4）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。（5）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明传递到遥测站点，从而实现数据远程读取和遥测站工作参数的远程设置。二、GPRS应用方法根据图二（略）的原理，在遥测站中配置GPRS无线DTU，中心站使用GPRS无线Modem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GPRS/DTU模块Saro-1010p。Saro-1010p GPRS/DTU通信模块是一款按工业标准设计，是基于移动通信网络，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。与数据中心的接口设备一起提供透明或帧格式数据传输通道，组成用户专用数据网络。支持GSM900M/GSM1800M双频模式。支持中、英文短消息。该设备使用标准的AT命令，内嵌完整、稳定的TCP/IP协议栈，支持报文帧格式，将用户保留为原始数据格式，程序设计简单，直接为客户的设备提供全透明的数据传输通道。RS232、485接口方式，能够实现水情遥测站的ID编号，点对点，点对多点，多点对多点的对等实时数据传输。主要的技术指标： GPRS模块型号：Simens Mc35/MC35i GPRS模块技术指标：Class4(2W@900M)Class(1W@1800M) 天线接口：50Ω 50mA SIM卡：3V/5V，自动检测串行接口：标准RS232，并且支持RS485 串行数率：1200-57600bps 接收灵敏度：-104dbm 频率误差：<=0.1ppm 供电：DC5V-40V 功耗：通信时平均电流 400mA，空闲时35mA 2、GPRS无线DTU模块在水情遥测终端RTU中的嵌入设计（1）硬件设计硬件系统基于GLW-2050C智能水情遥测终端为核心，GLW-2050C智能水情遥测终端采用全中文LCD显示测量参数、菜单操作方式，利用低功耗微处理器实现数据采集、计算、显示、存储和输出功能，内置大容量固态存储器可以不间断地保存历史测量数据。提供U盘数据下载接口和计算机通信接口，即可独立工作，又可联网遥控。并具现场打印功能，可直接输出数据表单。GLW-2050C智能水情遥测终端内置可充电锂电池，具有自动电量检测、低电压告警功能。全密封结构设计，防水、防潮，体积小、重量轻、携带方便。（2）软件设计库塔干渠水情自动化信息采集软件主要由以下四个设计流程组成： ①GUI应用程序界面设计，生成直接与用户面对的软件界面，设计主要思想简单、明了，便于用户的操作和使用，且具有一定的提示功能。 ②CRC232通讯串口编程，占用系统串口资源、设置串口参数和初始化设备，为收发数据作好前期准备。 ③数据库编程，连接数据库资源，建立数据库各存储介质并能通过用户界面对数据库设置和存储数据进行管理操作。 ④驱动程序，通信协议的实例化过程，和前端设备进行通信和核心区域，能对数据进行发送、组合、接收、分析校验、解释等操作。三、GPRS应用实验 1、实验地点选择与实验方法为了使GPRS能在新疆巴州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，我们选择在巴州境内的库塔干渠进行了GPRS组网实地运行实验,通过巴州电信提供的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（1）哈拉玉宫新闸口；（2）西尼尔水库进水闸；（3）西干渠；（4）兴平分水闸；（5）库塔干渠天鹅分水闸；（6）阿瓦提开发一支渠；（7）孔雀河大河（孔雀河一枢纽下游100m处）。中心设在巴州水管处、水情分中心设在库塔干渠站站部、兴平建设一个重点遥测站。实验方法是在上述七个遥测站建设GPRS遥测站点，各站设置为1h定时自报，以及水位1cm增量自报，中心站24h开机接收数据。为保证通信质量，首先要保证站点安装质量，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。 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1～5s之间。（2）1h定时自报，1cm变幅自报工作模式，报文完整，无一缺失。（3）定时巡测和人工招测各遥测站数据正常。（4）正常接收分中心发来的水情信息。 3、经验与启示（1）整个系统的所有设备应尽可能采用技术先进，配套齐全的国内器件、设备。（2）系统所有的信源都进行编码，保证码元系统中的唯一性；所有的传输数据都经信道编码，可以有效的进行查、纠错，特殊数组无法纠错的请求重发，保证数据的无误传输。（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。（4）系统投入运行期间，为了保证系统有很高的可靠性，必须对系统进行科学的管理，即可靠性管理。对系统的技术人员、操作员进行严格的技术培训，提高他们的素质；加强组织管理，健全并执行各项有效的规章制度,设备维修等内容。四、结束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，在库塔干渠水文自动测报系统和巴州水情自动测报及防洪调度的数据通信传输系统中引入GPRS数据通讯手段不但是有效的，也是可行的。 www.sendsms.com.cn 010-82356576-6005 qq:1029915296

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