汾河水庫、汾河二庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸方式研究

那 巍 賈淑麗 吳秋晨

（1.山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心 山西太原 030001；2.山西天寶鴻業(yè)科技有限公司 山西太原 030001）

汾河水庫、汾河二庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸方式研究

那 巍1賈淑麗2吳秋晨1

（1.山西省西山提黃灌溉工程建設(shè)管理中心 山西太原 030001；2.山西天寶鴻業(yè)科技有限公司 山西太原 030001）

文中主要闡述了GPRS/3G/4G無線傳輸方案，實現(xiàn)了對無人職守設(shè)備的24 h監(jiān)控，并探討了相關(guān)的技術(shù)重點及實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。汾河水庫、汾河二庫大壩不同監(jiān)測項目監(jiān)測終端借助于GPRS/3G/4G網(wǎng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)與控制中心實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。

公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸；4G路由器；多個GPRS設(shè)備組網(wǎng)

0 引言

隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展GPRS/3G/4G技術(shù)也越來穩(wěn)定、可靠，在各行業(yè)中的應(yīng)用也更加廣泛，該技術(shù)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高，是一個分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，不經(jīng)過PSTN（公用電話交換網(wǎng)）等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，可直接與Internet網(wǎng)互通[1-3]。

山西全省現(xiàn)役水庫640余座，不僅分布廣，而且大多位置較為偏僻，結(jié)合當(dāng)前山西省水庫大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)實踐，為實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中管理目標(biāo)，探尋科學(xué)合理的公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸方式具有積極意義。

1 技術(shù)路線和研究方法

1.1 大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式研究的必要性

鑒于水利信息的安全性及目前計算機網(wǎng)絡(luò)遠程接入技術(shù)的發(fā)展，汾河水庫、汾河二庫的大量監(jiān)測和視頻數(shù)據(jù)采取數(shù)字電路專線傳輸?shù)绞≈行钠脚_是目前最有效、經(jīng)濟、安全的方法。但要實現(xiàn)水庫到省平臺的數(shù)據(jù)傳輸方式，有如下幾個重要因素需要研究：

1）對大中型水庫而言，如果能把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞≈行钠脚_的數(shù)字專線只有一條，一旦連接這條數(shù)字專線兩端的設(shè)備、線路或采集服務(wù)器等出現(xiàn)故障，則整個水庫大壩的監(jiān)測數(shù)據(jù)將不能及時傳輸?shù)绞≈行钠脚_。

2）水庫有多個MCU通過光纖連接采集服務(wù)器，如果連接某個MCU的光纖或兩端連接設(shè)備出現(xiàn)問題，則這個MCU所采集的數(shù)據(jù)也不能及時傳輸?shù)绞∑脚_。

3）對于小型水庫，由于監(jiān)測數(shù)據(jù)量小，如果通過數(shù)字專線來傳輸數(shù)據(jù)，代價非常之大，而通過GPRS/3G/4G把水庫MCU數(shù)據(jù)直傳省中心又非常必要。

4）對于偏遠或通信不方便的區(qū)域，前端傳感器采集的數(shù)據(jù)可以直接通過GPRS/3G/4G傳輸?shù)绞≈行模辉傩枰杉?wù)器等較大的硬件投資。

目前移動通訊技術(shù)已穩(wěn)定成熟且覆蓋范圍廣，所以研究大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS/3G/4G直傳省中心是非常重要和必要的。

1.2 各種無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶Ρ?/p>

無線數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)傳輸距離遠近主要分為近距無線傳輸和遠距無線傳輸兩類。

近距無線傳輸主要包括無線局域網(wǎng)802.11（Wi-Fi）、超寬頻 UWB（Ultra Wide Band）、ZigBee、短距通信（NFC）、藍牙（Bluetooth）、紅外數(shù)據(jù)傳輸（IrDA）、WiMedia、GPS、DECT、無線1394和專用無線系統(tǒng)等。此類傳輸方式受限于傳輸距離，無法應(yīng)用于長距離的數(shù)據(jù)傳輸。

遠距無線傳輸主要包括微波和借用公網(wǎng)通道的GPRS/2G/3G/4G。微波傳輸在無障礙、發(fā)射端和接收端相對的情況下，點對點可進行5 km內(nèi)的穩(wěn)定連接，因水庫遍布全省且有大山阻隔，微波傳輸不適用于水庫監(jiān)測管理數(shù)據(jù)的傳輸。

無線公網(wǎng)GPRS/2G/3G/4G通信技術(shù)目前發(fā)展都已非常成熟，特別GPRS/2G/3G通信覆蓋范圍廣泛，其中傳輸量速率方面 2G為 9.6Kbit/s，GPRS為115kbit/s，3G 可達 16Mbit/s，4G 可達 100Mbit/s，所以實際應(yīng)用中可根據(jù)不同的水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)流，采用不同的無線公網(wǎng)傳輸方式。

1.3 組網(wǎng)方式的對比

無線公網(wǎng)GPRS/2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)便捷的特點，可兼容市場上所有802.11a/b/g客戶端，同時滿足各種終端（包括嵌入式終端、移動終端等）的數(shù)據(jù)傳輸需要[2]。

基于GPRS/2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)有三種可行組網(wǎng)方案，分別為：數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)動態(tài)IP＋DNS解析服務(wù)；數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)固定IP；無線VPDN方式。

1）數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)動態(tài)IP＋DNS解析服務(wù)組網(wǎng)方案

數(shù)據(jù)中心通過無線網(wǎng)卡接入Internet網(wǎng)絡(luò)，大壩前端傳感器與無線DTU相連接入Internet。這種方式獲取的都是公網(wǎng)動態(tài)IP，前端與數(shù)據(jù)中心無法直接建立連接。

該組網(wǎng)方式須先申請域名，然后與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，在數(shù)據(jù)中心展示平臺運行動態(tài)域名進而解析客戶端程序，最后各站位先采用域名尋址方式連接到DNS服務(wù)器，再與數(shù)據(jù)中心的公網(wǎng)動態(tài)IP建立連接，最終完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2）數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)固定組網(wǎng)方案

由于數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器具有公網(wǎng)固定IP，大壩各站位直接向數(shù)據(jù)中心發(fā)起連接。

這種組網(wǎng)方式運行穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2。根據(jù)水庫大壩安全監(jiān)測技術(shù)要求，本次采用數(shù)據(jù)中心具有公網(wǎng)IP的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸方式研究的主要內(nèi)容

以GPRS/3G/4G為主要公網(wǎng)無線傳輸方式進行大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，如果有MCU的通過MCU無線直傳；無MCU的（如全站儀、北斗GPS變形監(jiān)測、環(huán)境量等數(shù)據(jù)的傳輸）從采集服務(wù)器到云平臺服務(wù)器傳輸。

通過GPRS/3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多路MCU采集數(shù)據(jù)無線直傳及PC數(shù)據(jù)的公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 多個MCU公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)直傳的實現(xiàn)方法

1）MCU大多數(shù)是485/232串口輸出，不僅要通過有線(如光纖等）連接本地采集服務(wù)器，而且要通過GPRS公網(wǎng)直接傳輸數(shù)據(jù)到省數(shù)據(jù)中心，同時要保證有線和無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一致。所以要解決幾個技術(shù)問題，一是多個MCU 485/232串口數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)換到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸及接收，也就是多個GPRS設(shè)備組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸；二是保證有線和GPRS/3G/4G無線數(shù)據(jù)采集不沖突及數(shù)據(jù)的一致性、完整性。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MCU無線GPRS數(shù)據(jù)直傳網(wǎng)絡(luò)示意圖

2）mServer是開發(fā)在Windows操作系統(tǒng)上的無線通信服務(wù)軟件，實現(xiàn)了GPRS數(shù)據(jù)傳輸[4]。它包括后臺服務(wù)程序和前臺控制臺程序。

其中，后臺服務(wù)程序以Windows服務(wù)的形式運行于操作系統(tǒng)后臺，負責(zé)無線數(shù)據(jù)終端和DCC（用戶數(shù)據(jù)服務(wù)器）的通信，包括對無線數(shù)據(jù)終端的管理、測試、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，以及與DCC之間的數(shù)據(jù)交互。管理員通過前臺控制臺程序?qū)笈_服務(wù)程序進行配置以及對終端進行管理，不需要新啟動服務(wù)。

前臺控制臺程序，在不需要時，可以關(guān)掉程序但不影響后臺服務(wù)運行。終端（mDevice）通過 UDP、TCP、ETCP三種方式和 mServer相連，DCC則通過TCP方式和mServer相連。mServer可以接受多臺終端同時連入和多個 DCC同時連入，從而解決了多臺GPRS終端安全、穩(wěn)定的組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MCU無線GPRS數(shù)據(jù)直傳網(wǎng)絡(luò)示意圖

3）接收及數(shù)據(jù)處理程序通過與mServer數(shù)據(jù)服務(wù)中心進行數(shù)據(jù)交換，并通過自定義的握手信號來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

1.6 PC端到服務(wù)器端的公網(wǎng)無線數(shù)據(jù)直傳實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的4G公網(wǎng)無線路由器接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的方法，是通過DMZ主機在無線路由器上面做一個DMZ主機設(shè)置。然后在公網(wǎng)上通過訪問無線路由器撥號后得到的IP來訪問網(wǎng)絡(luò)，這種方式使用方便，但是受到以下問題的限制，分別是：

1）撥號后得到的IP地址為內(nèi)網(wǎng)地址。

2）撥號得到的IP地址從公網(wǎng)不能訪問到無線路由器。

3）撥號得到的IP地址是動態(tài)地址，每次得到的IP地址都是不一樣的。這種情況下可以通過動態(tài)域名方法解決訪問問題，但是免費的動態(tài)域名不能保證穩(wěn)定可靠。

通過VirHub軟件可以解決以上問題，并搭建、使用無線遠程系統(tǒng)。4G無線路由器通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)連接到Internet，并和服務(wù)器端的mServer建立連接，在服務(wù)器上則運行VirHub軟件，也連接到mServer上。把VirHub服務(wù)的IP地址和服務(wù)器的IP地址設(shè)置在一個網(wǎng)段，這樣就把PC端電腦通過4G路由器和服務(wù)器連接起來，相當(dāng)于所有設(shè)備在一個虛擬的局域網(wǎng)內(nèi)，可以實現(xiàn)自由的通信，然后通過專用數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

PC端到云服務(wù)器通過公網(wǎng)無線4G數(shù)據(jù)的直傳主要是通過4G設(shè)備組網(wǎng)，并通過上述Virhub路由軟件和mServer服務(wù)軟件來實現(xiàn)。

1.7 安全性

數(shù)據(jù)傳輸采用對稱加密的方法，采用DES算法，加密和解密用戶約定的密碼，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2 試驗過程

2.1 開發(fā)過程

從2016年3月1開始到2016年7月30日，在汾河水庫、汾河二庫、水利廳信息中心進行GPRS/3G/4G無線公網(wǎng)組網(wǎng)、軟件開發(fā)與測試等大量的工作，實現(xiàn)了無線公網(wǎng)GPRS/3G/4G多設(shè)備組網(wǎng)及數(shù)據(jù)安全、可靠、穩(wěn)定的傳輸。

1）2016年3月，無線公網(wǎng)GPRS/3G/4G硬件選型及底層開發(fā)接口研究。

2）2016年3-4月，無線公網(wǎng)GPRS/3G/4G設(shè)備與MCU接口研究與開發(fā)。

3）2016年4-6月，無線公網(wǎng)GPRS/3G/4G直傳軟件系統(tǒng)的開發(fā)，包括從MCU、傳感器和采集服務(wù)器直傳省中心。

4）2016年6-7月，整個系統(tǒng)無線組網(wǎng)及直傳軟件系統(tǒng)的調(diào)試。

5）2 0 16年7月，汾河水庫、汾河二庫無線組網(wǎng)及調(diào)試。

2.2 發(fā)現(xiàn)的問題及創(chuàng)新

1）網(wǎng)絡(luò)的連接和穩(wěn)定

因為無線公網(wǎng)的穩(wěn)定性受信號的強弱的影響比較大，我們根據(jù)實際環(huán)境除選用接收信號能力較強的天線及通過延長天線與4G設(shè)備的連線來讓天線處于接收信號較好的環(huán)境。同時通過軟件的握手信號及協(xié)議來解決連接和傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性問題。

2）多個GPRS設(shè)備組網(wǎng)及通訊的協(xié)調(diào)

本次試驗有多臺GPRS/3G/4G設(shè)備接入，采用SOCKET技術(shù)及輪詢的方式來協(xié)調(diào)多個設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，從而保證設(shè)備之間不沖突。

2.3 項目的先進性和創(chuàng)新性表現(xiàn)

該試驗研究實現(xiàn)了多臺GPRS/4G設(shè)備組網(wǎng)，并通過GPRS/3G/4G公網(wǎng)進行大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，解決了MCU直接通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸和PC端之間通過4G路由器間的數(shù)據(jù)交換，在山西大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)中實現(xiàn)了通過公網(wǎng)無線GPRS/3G/4G的數(shù)據(jù)直傳。

3 總結(jié)

通過對無線公網(wǎng)GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w試驗及研究，實現(xiàn)了汾河水庫、汾河二庫MCU采集數(shù)據(jù)直傳省中心和汾河水庫、汾河二庫其它PC端數(shù)據(jù)通過3G/4G無線網(wǎng)絡(luò)直傳省中心，經(jīng)過一段時間的試驗運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。該技術(shù)的應(yīng)用，保證了汾河水庫、汾河二庫在有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，可使用無線GPRS網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而為山西省大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運行的可靠與穩(wěn)定提供支持，同時也為山西省數(shù)百座中小型水庫安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

［1］孫學(xué)康，劉 勇.無線傳輸與接入技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2010.

［2］陳馬壽.CDMA無線網(wǎng)絡(luò)在海洋站數(shù)據(jù)傳輸中的幾種組網(wǎng)方式［J］.氣象水文海洋儀器.2013（1）:25-27.

［3］林穩(wěn)章.寬帶與數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備及實訓(xùn)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

［4］李少謙.認知無線網(wǎng)絡(luò)無線傳輸技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2014.

Study on the Pattern of Wireless Data Delivery for the Dam Safety Monitoring System Internet of Fenhe Reservoir and Fenhe Second Reservoir

NA WeiJIA Shu-liWU Qiu-chen

The GPRS/3G/4G wireless data delivery plan is mainly introduced in the paper，in which the unmanned controlling equipment monitoring of all the day is realized，and the relative key points of technology and the feasibity of realizing the data delivery are probed.With the help of GPRS/3G/4G，the monitoring terminals of different monitoring items of dams of Fenhe Reservoir and Fenhe Second Reservoir are connected to the internet and the control centre，so that the long distance data delivery can be realized.

internet wireless data delivery；4G router；GPRS diveces networking

TP277

B

1006-8139（2017）02-077-03

2016-11-03

2017-01-18

山西省水利科學(xué)技術(shù)研究基金項目：水庫大壩安全智能監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用（項目編號：201402）

那 ?。?976-），男，2008年畢業(yè)于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，高級工程師，主要從事農(nóng)田水利工程建設(shè)管理和水庫大壩安全管理工作。