劉長征，耿海菊，武中強，房學(xué)英，劉俊鈺，黃 歡

（1．河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000；2．河北海河工程技術(shù)有限公司，河北 滄州 061000；3．河北省通信建設(shè)有限公司，石家莊 050021）

GPRS無線通信遠(yuǎn)距離輸水工程后備通道的探討

劉長征1，耿海菊2，武中強1，房學(xué)英3，劉俊鈺2，黃 歡2

（1．河北省滄州市水利科學(xué)研究所，河北 滄州 061000；2．河北海河工程技術(shù)有限公司，河北 滄州 061000；3．河北省通信建設(shè)有限公司，石家莊 050021）

以河北省南水北調(diào)配套遠(yuǎn)距離輸水工程監(jiān)測系統(tǒng)為例，探討在現(xiàn)有光纖通信技術(shù)的基礎(chǔ)上探索通過中國移動GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)建立可靠無線通信備用通道的可能性，以便在光纖通信系統(tǒng)故障時，可以進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫切換，保障自動化系統(tǒng)的通信傳輸暢通，確保監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行。

監(jiān)測系統(tǒng)；遠(yuǎn)距離；GPRS；備用通道

河北省南水北調(diào)配套工程是指從中線總干渠分水口門至城市自來水廠入口的輸水工程，建設(shè)任務(wù)是通過總干渠40座分水口門，向48個受水目標(biāo)提供生活、工業(yè)用水，全年引水量為37．69億m3，輸水線路總長961.58km，總投資121.89億元。南水北調(diào)輸水工程建設(shè)了完善的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，有效地保障了輸水工程的穩(wěn)定運行。

1 南水北調(diào)配套工程通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)是整個自動化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，是連接監(jiān)控端與信息處理中心的橋梁，是整體監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸要件。通信系統(tǒng)設(shè)置干渠管理處通信中心和現(xiàn)地監(jiān)測站通信終端兩層。通信中心負(fù)責(zé)自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，向下采集各現(xiàn)地監(jiān)測站數(shù)據(jù)信息，采集設(shè)備運行狀態(tài)、放水流量及用水計劃等。現(xiàn)地監(jiān)測站通信終端層由各管理所、泵站、分水口、閘閥站等組成，完備的通訊系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像、語音無縫傳輸功能。通信系統(tǒng)中通信中心和現(xiàn)地監(jiān)測的通信采用了以光纖為主通信通道，無線GPRS為備用通道的雙重通信方式。

河北省南水北調(diào)配套輸水工程通信系統(tǒng)按傳統(tǒng)方式采用了專網(wǎng)專線的建網(wǎng)模式，以容量大、穩(wěn)定度高、傳輸距離長的16芯單模光纖作為傳輸介質(zhì)。但在實際的應(yīng)用中，考慮到光纖系統(tǒng)雖然速度快，傳輸穩(wěn)定，但存在著易被破壞的缺點，在光纖布設(shè)中也容易出現(xiàn)由于鋪設(shè)工藝的不完善導(dǎo)致光纖缺損、光纖布網(wǎng)失敗或數(shù)據(jù)通道間斷等情況。在河北省南水北調(diào)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)中，為保證監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，以建立可靠的通信通道，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃浴８鶕?jù)現(xiàn)有通信技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用現(xiàn)狀，在現(xiàn)有光纖通信主通道組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用中國移動通信公司GPRS無線網(wǎng)絡(luò)來作為通信系統(tǒng)的備用通道，對光纖通信系統(tǒng)進行補強建設(shè)，進一步確保整個監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫采集、實時傳送、準(zhǔn)確處理。

2 GPRS無線通信通道建設(shè)思路

2.1 GPRS通信網(wǎng)絡(luò)

GPRS網(wǎng)絡(luò)是中國移動通信公司的第2.75代通信技術(shù)，理論速率172.1kbps，目前實測速率150kbps，特別適合遠(yuǎn)程監(jiān)測等行業(yè)的通信需求，可以取代光纜通信方式。GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢:

（1）建設(shè)監(jiān)測點無需進行拉線、埋線等工作，可隨意分布和移動通信網(wǎng)點。

（2）資費便宜，計費合理。傳輸數(shù)據(jù)才計費，占線不計費。

（3）網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好。通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠，永不掉線。

（4）網(wǎng)絡(luò)接入速度快，接入速度僅幾秒鐘，快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2.2 系統(tǒng)工作原理

河北省南水北調(diào)配套輸水工程監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)有南水北調(diào)管理處通信通道、現(xiàn)地監(jiān)測站、控制設(shè)備等。管理處通過主光纖通信通道與現(xiàn)地監(jiān)測站通訊，進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸與匯集，同時，建設(shè)有GPRS無線通信備用通道系統(tǒng)，做為主光纖通信通道的有效補充。

GPRS無線通信系統(tǒng)由通信中心和現(xiàn)地監(jiān)測站終端兩部分組成。由于GPRS無線通信是基于中國移動通信公司IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，通信中心GPRS無線智能終端配置固定的IP地址，可與對應(yīng)的現(xiàn)地監(jiān)測站采用GPRS無線智能終端進行一對一通信。

現(xiàn)地監(jiān)測站設(shè)備的數(shù)據(jù)首先由前置機/數(shù)據(jù)服務(wù)器傳送，經(jīng)處理、存儲后，經(jīng)GPRS無線智能終端進行UDP協(xié)議或TCP/IP協(xié)議封包和無線調(diào)制解調(diào)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向通信中心發(fā)送。通信中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)通過串口服務(wù)器至GPRS無線智能終端，進行TCP/IP協(xié)議封包和無線調(diào)制解調(diào)，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)地監(jiān)測站的RTU。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)地監(jiān)測站的GPRS無線智能終端直接連接在網(wǎng)絡(luò)通訊管理設(shè)備系統(tǒng)上，和光纖通信設(shè)備處于同一局域網(wǎng)絡(luò)的同一層級，設(shè)置光纖網(wǎng)為主通道、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信為備用通道。通信中心和現(xiàn)地監(jiān)測站一對一的聯(lián)網(wǎng)方式，通信中心使用GPRS無線智能終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和對應(yīng)現(xiàn)地監(jiān)測站的GPRS無線智能終端進行數(shù)據(jù)通信。節(jié)點統(tǒng)一使用中國移動通信公司固定的GPRS網(wǎng)絡(luò)APN，SIM卡綁定固定的IP地址。

2.3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2.3.1 組網(wǎng)方式

GPRS無線通信通道備用系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、GPRS智能終端、高增益無線天線、電源系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、中國移動APN專用網(wǎng)絡(luò)、接收系統(tǒng)、信息處理中心等部分組成。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3.2 管理處通信中心

通信中心使用多個GPRS無線智能終端分別和各個現(xiàn)地監(jiān)測站的GPRS無線智能終端構(gòu)成一一對應(yīng)的聯(lián)網(wǎng)關(guān)系，建立各自的聯(lián)網(wǎng)通道。無線智能傳輸機內(nèi)嵌中國移動公司的SIM卡，綁定GPRS網(wǎng)絡(luò)專用APN子網(wǎng)接入點的中國移動通信公司固定IP地址（地址范圍由當(dāng)?shù)匾苿庸揪W(wǎng)絡(luò)運行部分配）和現(xiàn)地監(jiān)測站的GPRS無線智能終端進行通信。

2.3.3 現(xiàn)地監(jiān)測站（管理所、分水口、各級泵站）

現(xiàn)地監(jiān)測站的GPRS無線智能終端和光纖接口的路由器處于同一局域網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置光纖網(wǎng)為第一通道、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)為第二通道，在光纖通信通道出現(xiàn)問題的時候，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)會智能自動切換到GPRS通信通道，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸?，F(xiàn)地監(jiān)測站設(shè)備通過RS232接口與GPRS無線智能終端自動采集現(xiàn)地監(jiān)測站自控設(shè)備相連，通過內(nèi)置嵌入式程序?qū)?shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)安全分析

3.1 GPRS通信APN網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)地監(jiān)測站采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS無線智能終端對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送的格式，向中國移動發(fā)出GPRS登錄請求，根據(jù)請求中的APN，SGSN向DNS服務(wù)器發(fā)出查詢請求，找到與專用數(shù)據(jù)平臺連接的GGSN，并將請求通過GTP隧道封裝送給GGSN，GGSN將認(rèn)證信息 （包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認(rèn)證，Radius認(rèn)證通過后，由Radius向GGSN發(fā)送確認(rèn)信息，監(jiān)測站得到相對應(yīng)的IP地址，就可以攜帶數(shù)據(jù)包，對GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)平臺進行訪問并傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS無線智能終端

GPRS無線智能終端基于中國移動GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232接口可直接與計算機、智能儀表、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等連接，滿足通信中心與現(xiàn)地監(jiān)測站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

GPRS無線智能終端用的RS232/RS485串口設(shè)備的串口通信，轉(zhuǎn)換為GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信的雙向轉(zhuǎn)換傳輸設(shè)備。GPRS無線智能終端內(nèi)嵌CDT、T634、T645等通信規(guī)約，采用透明傳輸?shù)姆绞剑挥弥缽?fù)雜的GPRS通訊原理和TCP/IP、UDP協(xié)議，不用更改程序即可實現(xiàn)原有串口設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)連接，可用于長距離通信或控制。能快速實現(xiàn)串口設(shè)備的遙控功能，直接連接串口設(shè)備使得串口設(shè)備立即具備遙控功能。

GPRS無線智能終端集成GPRS MODEM傳輸功能和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)于一體的新型無線移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用32位低功耗單片機，ARM級芯片、西門子MC39i芯片，16M緩存。軟件上采用完整的嵌入式OS及TCP/IP協(xié)議包，支持遠(yuǎn)程維護，具有遠(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程升級和重啟動的功能。

3.3 安全性分析

通信網(wǎng)絡(luò)傳送的是自動化信息、調(diào)度指揮指令、繼電保護與安全自動裝置控制信息等重要數(shù)據(jù)，是南水北調(diào)工程自動化系統(tǒng)穩(wěn)定運行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，安全性是網(wǎng)絡(luò)通信的首要要求。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信只是通信方式的改變，對上層應(yīng)用軟件系統(tǒng)幾乎沒有任何影響。GPRS的物理鏈路數(shù)據(jù)本身已經(jīng)采用了加密傳送，同時還時利用APN虛擬子網(wǎng)的GRE專用通道進行加密傳輸，所有數(shù)據(jù)均與Internet物理隔離，大大增強了通信傳輸?shù)陌踩浴?/p>

4 結(jié)語

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線通信方式具有較高的綜合性能價格比，易于網(wǎng)絡(luò)采集點的擴展，可實現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)管理，幾乎不受到現(xiàn)地監(jiān)測站點規(guī)模的限制，可以在中國移動的全網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)使用。南水北調(diào)工程自動化系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)設(shè)置光纖網(wǎng)為第一通道、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)為備用通道，在光纖出現(xiàn)問題的時候，通信網(wǎng)絡(luò)可自動切換到GPRS通道進行通信，建立一條在通信中心和現(xiàn)地監(jiān)測站的可靠無線通信通道，進行無縫切換，保障自動化監(jiān)控系統(tǒng)的通信傳輸暢通。

［1］滄州水利勘測設(shè)計院．滄州市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程可行性研究報告［R］．

［2］滄州市水利科學(xué)研究所．GPRS長距離管道輸水實時監(jiān)測系統(tǒng)研究技術(shù)報告［R］．

［3］韓斌杰．GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．

［4］樊昌信，曹麗娜．通信系統(tǒng)原理（第6版）［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2006．

［5］張睿，周峰編．無線通信儀表與測試應(yīng)用（第2版）［M］．北京:人民郵電出版社，2012．

［6］徐明遠(yuǎn)，邵玉斌．MATLAB仿真在通信與電子工程中的應(yīng)用（第二版）［M］．西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2010．

［7］崔健雙．現(xiàn)代通信技術(shù)概論［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2009．

GPRS wireless communication channel as a backup channel for long distance water transfer project

LIU Chang-zheng1,GENG Hai-ju2,WU Zhong-qiang1,FANG Xue-ying3，LIU Jun-yu2,HUANG Huan2
（1．Hebei Province Water Conservancy Science Research Institute of Cangzhou,Changzhou 061000,China；2.Hebei Province Meihe Engineering Technology Co.,Ltd.,Changzhou 061000,China；3．Hebei Province Communication construction co.,LTD,Shijiazhuang 050021,China）

This paper aims at the monitoring system of the South to North Water Diversion Project，and discusses the possibility of establishing reliable wireless communication network through the existing optical fiber communication technology，in order to ensure the seamless handover of data transmission and ensure the normal operation of the monitoring system in the communication system of GPRS．

monitoring system；remote；GPRS；alternate channel

TV213

B

1672-9900（2015）05-0027-04

2015-01-08

劉長征（1978-），男（漢族），河北海興人，高級工程師，主要從事水利科研和水利自動化工作，（Tel）13582731185。