隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，對(duì)水文信息不斷提出新要求，水文觀測(cè)項(xiàng)目和內(nèi)容不斷增加，對(duì)觀測(cè)手段和方法以及水文監(jiān)測(cè)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來(lái)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水文監(jiān)測(cè)技術(shù)自動(dòng)化的發(fā)展。 在水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，常常需要對(duì)眾多的水位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)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(cè)點(diǎn)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(guò)電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半。通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，成為水文部門(mén)選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測(cè)設(shè)備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)發(fā)送到水文監(jiān)測(cè)部門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排污單位或個(gè)人的及時(shí)管理，可以大大提高水文部門(mén)的工作效率。
一、水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展
1、 水文監(jiān)測(cè)的范圍與內(nèi)容：
水文監(jiān)測(cè)是水文傳感器技術(shù)與采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理技術(shù)的集成。
監(jiān)測(cè)范圍：江、河、湖泊、水庫(kù)、渠道和地下水等水文參數(shù)。
監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題：
從水文傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)技術(shù)分析來(lái)看，主要存在以下問(wèn)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(jì)算機(jī)處理；
（2） 據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費(fèi)時(shí)易錯(cuò)；
（3） 水文信息的采集、傳輸、處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性較差，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。
因此，要用自動(dòng)化技術(shù)促進(jìn)水文監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的發(fā)展。
3、 水位的采集和傳輸
用于自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的水位傳感器主要有浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、電子水尺和超聲波水位計(jì)等。這些傳感器可以直接接到RTU上，自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位參數(shù)。地下水位的監(jiān)測(cè)與地表水相同。
目前，省水文監(jiān)測(cè)站與各采集點(diǎn)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(shí)，由于每次撥號(hào)都需要等待，速度慢，而且費(fèi)用也較高。同時(shí)，由于各監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個(gè)別點(diǎn)還地處偏僻，因此需申請(qǐng)很多電話線，而且有些監(jiān)控點(diǎn)有線線路難以到達(dá)。
GPRS具有速度快、使用費(fèi)用低的特點(diǎn)，其傳輸速度可達(dá)171.2kb/s。與有線通訊方式相比，采用GPRS無(wú)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(yùn)行費(fèi)用低投，維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)因此，目前正考慮采用GPRS無(wú)線傳輸方式解決污染源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。
二、方案優(yōu)點(diǎn)：
中國(guó)移動(dòng)GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無(wú)線IP連接。在移動(dòng)通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺(tái)上構(gòu)建水文信息采集傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水文信息采集點(diǎn)的無(wú)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(diǎn)，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)比較分析，我們選擇中國(guó)移動(dòng)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(tái)。
GPRS無(wú)線水文監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：
1、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRS DTU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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)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(tái)的多機(jī)頻段“碰撞”現(xiàn)象。
2、實(shí)時(shí)性強(qiáng)：
GPRS具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，并支持多點(diǎn)同時(shí)傳輸，因此GPRS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心可以多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間快速，實(shí)時(shí)地進(jìn)行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求。目前GPRS實(shí)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(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)覆蓋，并且擴(kuò)容無(wú)限制，接入地點(diǎn)無(wú)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(diǎn)數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，部分水文信息采集點(diǎn)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(tái)，無(wú)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(fèi)用。
5、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國(guó)范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費(fèi)率計(jì)費(fèi)，省去昂貴的漫游費(fèi)用, GPRS網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實(shí)際通信流量計(jì)費(fèi)，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
6、可對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制：
通過(guò)GPRS雙向系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行反向控制，如：時(shí)間校正、狀態(tài)報(bào)告、開(kāi)關(guān)等控制功能，并可進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程在線升級(jí)。
7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴(kuò)容性能好：
水文監(jiān)測(cè)中心要和每一個(gè)水文信息采集點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接。由于水文信息采集點(diǎn)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(gè)監(jiān)測(cè)中心可輕松支持幾千個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集點(diǎn)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(shí)卻只需與附近的移動(dòng)基站通信即可,其整體功耗與一臺(tái)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(tái)小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽(yáng)能供電或蓄電池供電的場(chǎng)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(cè)中心計(jì)算機(jī)需要一個(gè)固定的IP地址或固定的域名，各個(gè)水文數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用GPRS模塊通過(guò)IP地址或域名來(lái)訪問(wèn)該主機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1、水文信息采集點(diǎn)：
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)通過(guò)水文測(cè)報(bào)機(jī)自動(dòng)采集水文信息，通過(guò)RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，水文測(cè)報(bào)機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS DTU終端的內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無(wú)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(hào)/電信專(zhuān)線寬帶上網(wǎng)等，申請(qǐng)公網(wǎng)固定IP地址；可以實(shí)現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
b）專(zhuān)網(wǎng)接入方案
服務(wù)器采用省移動(dòng)通信公司提供的DDN專(zhuān)線, 申請(qǐng)配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專(zhuān)線可提供較高的帶寬，當(dāng)環(huán)保信息采集點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求，可實(shí)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(lái)的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)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(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：
水文測(cè)報(bào)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(shí)對(duì)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(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS無(wú)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(cè)點(diǎn)使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120 GPRS DTU透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過(guò)移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各水文監(jiān)測(cè)點(diǎn)的GPRS DTU使用移動(dòng)通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專(zhuān)用數(shù)據(jù)卡，同時(shí)監(jiān)控中心對(duì)各點(diǎn)GPRS終端編號(hào)進(jìn)行登記, 并與采集點(diǎn)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識(shí)別和維護(hù)處理。信息采集中心運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實(shí)時(shí)采集水文信息數(shù)據(jù)。
凡省水文局授權(quán)的信息采集點(diǎn)均可以使用本系統(tǒng)：
1、水文信息監(jiān)測(cè)點(diǎn)必須使用移動(dòng)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(dòng)數(shù)據(jù)通信終端。
3、用戶登記：符合省級(jí)水文局的規(guī)定。
（三）產(chǎn)品特性
系統(tǒng)采用ZSD3120 GPRS DTU無(wú)線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國(guó)移動(dòng)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(diǎn)，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機(jī)系統(tǒng)、RTU測(cè)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(cè)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(diǎn)之間的數(shù)據(jù)采集和控制。
1、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，針對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
2、提供GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)
5、支持自動(dòng)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(dòng)撥號(hào)連接：DTU上電自動(dòng)撥號(hào)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(guó)際編碼轉(zhuǎn)換表
9、支持遠(yuǎn)程短信/電話喚醒
10、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)連接情況，掉線自動(dòng)重?fù)芄δ?BR>11、支持中心為固定IP或動(dòng)態(tài)域名
12、心跳報(bào)告時(shí)間間隔用戶可設(shè)定
13、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)對(duì)等 數(shù)據(jù)傳輸
14、支持APN數(shù)據(jù)專(zhuān)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(dòng)切換
17、適應(yīng)低溫和高溫工作環(huán)境
18、EMC抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁惡劣環(huán)境應(yīng)用
19、復(fù)合式看門(mén)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(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無(wú)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(wèn)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(shí)不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。
數(shù)據(jù)中心可通過(guò)公網(wǎng)接入,或者到移動(dòng)專(zhuān)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(zhuān)線，而使用數(shù)據(jù)專(zhuān)線接入時(shí)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過(guò)Radius服務(wù)器的認(rèn)證, 整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)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(zhuān)網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，移動(dòng)終端使用APN數(shù)據(jù)專(zhuān)網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專(zhuān)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(duì)用戶SIM卡手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)SIM卡號(hào)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(hào)才能訪問(wèn)專(zhuān)用APN，移動(dòng)終端與數(shù)據(jù)中心采用中國(guó)移動(dòng)分配的專(zhuān)門(mén)的APN進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機(jī)的SIM卡號(hào)無(wú)法呼叫專(zhuān)門(mén)的APN。
3、可以為每個(gè)GPRS數(shù)據(jù)傳設(shè)備單獨(dú)配置 DTU ID號(hào)和密碼，通過(guò)數(shù)據(jù)中心在其登陸時(shí)進(jìn)行應(yīng)用層認(rèn)證，其他沒(méi)有數(shù)據(jù)中心分配的DTU ID號(hào)和密碼的GPRS的設(shè)備將無(wú)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(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)傳送過(guò)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(fèi)用約800~1500元/月。采集點(diǎn)采用GPRS無(wú)線方式，流量費(fèi)用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量?jī)煞N收費(fèi)方式，按流量計(jì)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(shí)際數(shù)據(jù)量，估計(jì)日后其費(fèi)用會(huì)逐步降低。
對(duì)于水文局等用戶來(lái)說(shuō)，由于通信費(fèi)用較低，享受到了實(shí)惠。另外，由于接入設(shè)備可以移動(dòng)，當(dāng)水文觀測(cè)站和水文信息采集點(diǎn)搬遷時(shí)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(diǎn)。
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(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)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(dòng)通信公司的營(yíng)收也隨之增加，調(diào)動(dòng)了運(yùn)營(yíng)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。
