GPRS無線專網(wǎng)在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李貴陽，唐雷彬

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

GPRS（General Packet Radio Service）即通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)[1]。水利行業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)經(jīng)歷了傳統(tǒng)的有線傳輸、GSM短信傳輸、無線電傳輸?shù)葌鬏敺绞?，但隨著無線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展與普及，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)有了新的方式與選擇，相較以往傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)常用的有線或短信傳輸方式相比，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和站點(diǎn)配置的靈活性方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，依托于中國移動(dòng)公司GPRS基站的廣泛分布，GPRS無線通訊具有覆蓋范圍廣、具有良好的擴(kuò)展及擴(kuò)容性、接入點(diǎn)無限制等特性，結(jié)合中國移動(dòng)GPRS專網(wǎng)服務(wù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性、可靠性，數(shù)據(jù)鏈路的穩(wěn)定性都得到進(jìn)一步的提升，有效防止了數(shù)據(jù)泄密、數(shù)據(jù)篡改、信道堵塞等情況發(fā)生。以下將以國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）遼寧省地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，詳細(xì)闡述GPRS無線專網(wǎng)作為地下水信息監(jiān)測(cè)傳輸方案的具體方式。

1 項(xiàng)目概述

目前我國地下水監(jiān)測(cè)能力總體薄弱，存在著站網(wǎng)密度低、專用監(jiān)測(cè)站點(diǎn)嚴(yán)重缺乏、監(jiān)測(cè)手段落后、信息傳輸時(shí)效性差等突出問題，難以滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求。為了應(yīng)對(duì)以上突出問題，水利部在全國范圍內(nèi)啟動(dòng)并實(shí)施了國家地下水監(jiān)測(cè)工程。該項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容為國家地下水監(jiān)測(cè)工程（水利部分）的一部分，在遼寧省全省范圍內(nèi)建設(shè)600多個(gè)地下水水位監(jiān)測(cè)站，并每日將地下水埋深及水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行集中采集并整理。該項(xiàng)目具有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)地域分布廣、站點(diǎn)數(shù)量眾多、數(shù)據(jù)量小、無人值守等特點(diǎn)[2]。該項(xiàng)目以上特點(diǎn)正好與GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)相契合，同時(shí)結(jié)合中國移動(dòng)公司提供的專網(wǎng)APN（Access Point Name）服務(wù)做到專網(wǎng)專發(fā)、信道獨(dú)立、數(shù)據(jù)鏈路與公網(wǎng)完全隔離，極大地提高了傳輸數(shù)據(jù)的安全性、實(shí)時(shí)性以及良好的可靠性。

2 GPRS無線專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)施方案

2.1 專網(wǎng)APN技術(shù)特點(diǎn)介紹

目前國際互聯(lián)網(wǎng)安全環(huán)境正在逐步惡化，中國的互聯(lián)網(wǎng)安全形勢(shì)也在日趨嚴(yán)峻，數(shù)據(jù)類信息的安全正在面臨極大的威脅與挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商對(duì)數(shù)據(jù)類信息的安全意識(shí)與手段也正在逐步加強(qiáng)[3]。GPRS無線專網(wǎng)傳輸技術(shù)的應(yīng)用，便是對(duì)GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的安全性與可靠性的有力保障。

APN是一種GPRS網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)，它的作用是決定遙測(cè)終端將利用何種方式接入網(wǎng)絡(luò)，目前常用的網(wǎng)絡(luò)接入方式有CMWAP、CMNET、專網(wǎng)APN三種模式[4]，遼寧省地下水監(jiān)測(cè)工程所使用的網(wǎng)絡(luò)接入方式為專網(wǎng)APN接入方式。專網(wǎng)APN根據(jù)項(xiàng)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的需求，采用了多種安全措施來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠?/p>

終端設(shè)備通過專網(wǎng)APN接入移動(dòng)運(yùn)營商的GPRS網(wǎng)絡(luò)，在 GGSN（Gateway GPRS SupPort Node，即網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）與遼寧移動(dòng)數(shù)據(jù)中心接入路由之間采用GRE（Generic Routing En?capsulation，即通用路由封裝）隧道傳輸，整條鏈路均采用私有IP進(jìn)行廣域連接[5]。在傳輸數(shù)據(jù)加密方面也采用更為安全的端到端加密技術(shù)，即移動(dòng)終端至服務(wù)器之間采用端到端加密，防止數(shù)據(jù)在整個(gè)傳輸過程中可能發(fā)生的泄露問題，并且移動(dòng)動(dòng)數(shù)據(jù)中心和客戶服務(wù)器雙方均采用防火墻進(jìn)行隔離，并進(jìn)行IP和PORT過濾，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)的安全可靠性[6]。

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)及傳輸方案

遼寧省地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GPRS專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)圖如圖1所示。地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)采用遠(yuǎn)程遙測(cè)終端作為數(shù)據(jù)收發(fā)裝置，該遠(yuǎn)程遙測(cè)終端內(nèi)部安裝有GPRS無線專網(wǎng)SIM卡，用戶向移動(dòng)公司申請(qǐng)APN業(yè)務(wù)后可獲得GPRS專用接入點(diǎn)及固定內(nèi)網(wǎng)IP、內(nèi)網(wǎng)Port，遠(yuǎn)程遙測(cè)終端通過參數(shù)配置后即可實(shí)現(xiàn)APN專網(wǎng)連接。

圖1 遠(yuǎn)程遙測(cè)遼寧省地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GPRS專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)圖

遠(yuǎn)程遙測(cè)終端上電啟動(dòng)后，會(huì)根據(jù)專網(wǎng)配置信息主動(dòng)尋網(wǎng)并連接至GPRS網(wǎng)絡(luò)上，與地下水信息中心服務(wù)器建立TCP連接，遠(yuǎn)程遙測(cè)終端的前端傳感器將采集到的地下水埋深、水溫等數(shù)據(jù)通過RS485接口傳送給遠(yuǎn)程遙測(cè)終端，遠(yuǎn)程遙測(cè)終端接收到采集數(shù)據(jù)后連接GPRS專網(wǎng)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)發(fā)送，遠(yuǎn)程遙測(cè)終端至移動(dòng)GGSN之間的數(shù)據(jù)通過GPRS承載傳輸，GGSN至專網(wǎng)接入路由之間的數(shù)據(jù)經(jīng)過加密封裝后通過GRE隧道傳輸，這樣不僅可以有效避免遠(yuǎn)程遙測(cè)終端暴露在互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)上，也可以避免黑客抓包和數(shù)據(jù)破解情況發(fā)生。最后，采集數(shù)據(jù)通過IP運(yùn)輸協(xié)議傳輸至專網(wǎng)接入路由，專網(wǎng)接入路由將數(shù)據(jù)解封后，通過VPN（Virtual Private Network，即虛擬專用網(wǎng)絡(luò)）數(shù)據(jù)專線發(fā)送至遼寧移動(dòng)數(shù)據(jù)中心，為了保證數(shù)據(jù)的安全性與私密性，從遼寧移動(dòng)數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)利用內(nèi)網(wǎng)IP通過端口映射的方式在數(shù)據(jù)專線中將數(shù)據(jù)發(fā)送至綁定相應(yīng)IP的服務(wù)器，即地下水信息中心服務(wù)器。各直屬局客戶端也可通過數(shù)據(jù)專線訪問信息中心服務(wù)器查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

地下水信息中心服務(wù)器的指令下行與數(shù)據(jù)上行共用該專網(wǎng)線路，只要將遠(yuǎn)程遙測(cè)終端上行IP和Port作為目標(biāo)IP和Port即可。經(jīng)過實(shí)測(cè)GPRS專網(wǎng)平均傳輸速率為70 kbit/s，峰值可達(dá)120kbit/s，可以滿足日常數(shù)據(jù)傳輸需求。

2.3 GPRS無線專網(wǎng)性能分析

遼寧省地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的GPRS無線專網(wǎng)的接入模式從數(shù)據(jù)采集發(fā)送的前端至地下水信息中心服務(wù)器，再到各直屬局客戶端均采用鏈路獨(dú)立、專網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)的形式傳輸，保證了傳輸數(shù)據(jù)的安全性、可靠性，不僅可以有效防止設(shè)備暴露在公網(wǎng)后的黑客攻擊與數(shù)據(jù)泄露，更可保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的傳輸。

1）數(shù)據(jù)傳輸安全性分析

前端監(jiān)測(cè)站采集的地下水信息數(shù)據(jù)，通過遠(yuǎn)程遙測(cè)終端連接GPRS專網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送全程通過移動(dòng)公司APN專網(wǎng)信道進(jìn)行傳送，做到鏈路獨(dú)立、專網(wǎng)專發(fā)，數(shù)據(jù)到達(dá)遼寧移動(dòng)數(shù)據(jù)中心后，再通過數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)IP端口映射的方式，通過VPN數(shù)據(jù)專線將數(shù)據(jù)送達(dá)地下水信息中心服務(wù)器，整條鏈路完全與公網(wǎng)隔離，有效防止了數(shù)據(jù)在傳送過程中泄露、篡改的問題發(fā)生，保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠。系統(tǒng)前端的GRE隧道以及后端的VPN數(shù)據(jù)專線相比價(jià)格高昂的DDN（Digital Data Network）專線不僅成本相對(duì)低廉，并且具備與DDN專線同等的安全性、可靠性、可管理性和優(yōu)先級(jí)別[7]。

2）監(jiān)測(cè)站擴(kuò)展性分析

GPRS無線專網(wǎng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中對(duì)站點(diǎn)數(shù)量的增減沒有任何限制，在實(shí)際運(yùn)行過程中如需增設(shè)站點(diǎn)，僅需將增設(shè)的專網(wǎng)SIM卡插入新增RTU設(shè)備中，參數(shù)配置為移動(dòng)專網(wǎng)接入點(diǎn)，并相應(yīng)地填入專網(wǎng)IP與專網(wǎng)Port即可接入GPRS無線專網(wǎng)，達(dá)到快速組網(wǎng)、省時(shí)省力的目的，擴(kuò)展性能優(yōu)秀。

3）監(jiān)測(cè)站地址變更靈活性分析

目前中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)在遼寧省已達(dá)到廣泛覆蓋，城市和鄉(xiāng)村多地均可實(shí)現(xiàn)覆蓋，地下水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)若有站址變更的需求，只需保證變更后的地址區(qū)域內(nèi)覆蓋有GPRS網(wǎng)絡(luò)即可正常接入GPRS專網(wǎng)，使得地下水監(jiān)測(cè)站具有廣域分布、隨時(shí)移動(dòng)的特點(diǎn)，移動(dòng)靈活性優(yōu)秀。

4）系統(tǒng)綜合性能分析

基于中國移動(dòng)的GPRS無線專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)將前端設(shè)備、后端地下水信息中心服務(wù)器及各直屬局客戶端結(jié)合起來，形成一個(gè)安全、可靠、私密、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)鏈路，且該鏈路完全與互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)隔離。地下水信息中心服務(wù)器采用windows server 2012操作系統(tǒng)，mysql server數(shù)據(jù)庫，通過運(yùn)行地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站日常數(shù)據(jù)接收、歷史數(shù)據(jù)查詢、指令下發(fā)、原始報(bào)文查詢、系統(tǒng)日志查詢等功能的控制，綜合性能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的有線傳輸系統(tǒng)或GSM短信傳輸系統(tǒng)，另外GPRS專網(wǎng)傳輸系統(tǒng)相較以往傳統(tǒng)的傳輸方式更具有建設(shè)成本低，鏈路維護(hù)成本低、數(shù)據(jù)安全可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，綜合性能優(yōu)越。

3 結(jié)語

GPRS無線專網(wǎng)的傳輸方式具有良好的安全性、可靠性、易擴(kuò)展性和靈活性，同時(shí)隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展與普及，GPRS無線專網(wǎng)的通訊、維護(hù)費(fèi)用也會(huì)不斷降低，前期建設(shè)成本以及后期鏈路維護(hù)成本相較傳統(tǒng)的傳輸方式也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以作為地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的主要通訊方式來使用，本文所述的GPRS無線專網(wǎng)通訊傳輸方式不僅可以應(yīng)用于地下水監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，也可應(yīng)用于水利行業(yè)其它監(jiān)測(cè)類項(xiàng)目，具有良好的推廣前景。