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(kù)、汾河二庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)公網(wǎng)無(wú)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(wú)線傳輸方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)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(diǎn)及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。汾河水?kù)、汾河二庫(kù)大壩不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)終端借助于GPRS/3G/4G網(wǎng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)與控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

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

0 引言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展GPRS/3G/4G技術(shù)也越來(lái)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(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，不經(jīng)過(guò)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(kù)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(kù)大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集中管理目標(biāo)，探尋科學(xué)合理的公網(wǎng)無(wú)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(cè)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程接入技術(shù)的發(fā)展，汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)的大量監(jiān)測(cè)和視頻數(shù)據(jù)采取數(shù)字電路專線傳輸?shù)绞≈行钠脚_(tái)是目前最有效、經(jīng)濟(jì)、安全的方法。但要實(shí)現(xiàn)水庫(kù)到省平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸方式，有如下幾個(gè)重要因素需要研究：

1）對(duì)大中型水庫(kù)而言，如果能把數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞≈行钠脚_(tái)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(gè)水庫(kù)大壩的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將不能及時(shí)傳輸?shù)绞≈行钠脚_(tái)。

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

3）對(duì)于小型水庫(kù)，由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量小，如果通過(guò)數(shù)字專線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，代價(jià)非常之大，而通過(guò)GPRS/3G/4G把水庫(kù)MCU數(shù)據(jù)直傳省中心又非常必要。

4）對(duì)于偏遠(yuǎn)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(guò)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(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/3G/4G直傳省中心是非常重要和必要的。

1.2 各種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?duì)比

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

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

遠(yuǎn)距無(wú)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(wú)障礙、發(fā)射端和接收端相對(duì)的情況下，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可進(jìn)行5 km內(nèi)的穩(wěn)定連接，因水庫(kù)遍布全省且有大山阻隔，微波傳輸不適用于水庫(kù)監(jiān)測(cè)管理數(shù)據(jù)的傳輸。

無(wú)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(dá) 16Mbit/s，4G 可達(dá) 100Mbit/s，所以實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同的水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流，采用不同的無(wú)線公網(wǎng)傳輸方式。

1.3 組網(wǎng)方式的對(duì)比

無(wú)線公網(wǎng)GPRS/2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)便捷的特點(diǎn)，可兼容市場(chǎng)上所有802.11a/b/g客戶端，同時(shí)滿足各種終端（包括嵌入式終端、移動(dòng)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(dòng)態(tài)IP＋DNS解析服務(wù)；數(shù)據(jù)中心公網(wǎng)固定IP；無(wú)線VPDN方式。

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

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

該組網(wǎng)方式須先申請(qǐng)域名，然后與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，在數(shù)據(jù)中心展示平臺(tái)運(yùn)行動(dòng)態(tài)域名進(jìn)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(dòng)態(tài)IP建立連接，最終完成監(jiān)測(cè)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(yùn)行穩(wěn)定可靠，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2。根據(jù)水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)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(jìn)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(wú)線傳輸方式進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，如果有MCU的通過(guò)MCU無(wú)線直傳；無(wú)MCU的（如全站儀、北斗GPS變形監(jiān)測(cè)、環(huán)境量等數(shù)據(jù)的傳輸）從采集服務(wù)器到云平臺(tái)服務(wù)器傳輸。

通過(guò)GPRS/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多路MCU采集數(shù)據(jù)無(wú)線直傳及PC數(shù)據(jù)的公網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 多個(gè)MCU公網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)直傳的實(shí)現(xiàn)方法

1）MCU大多數(shù)是485/232串口輸出，不僅要通過(guò)有線(如光纖等）連接本地采集服務(wù)器，而且要通過(guò)GPRS公網(wǎng)直接傳輸數(shù)據(jù)到省數(shù)據(jù)中心，同時(shí)要保證有線和無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)一致。所以要解決幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題，一是多個(gè)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(gè)GPRS設(shè)備組網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；二是保證有線和GPRS/3G/4G無(wú)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(wú)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(wú)線通信服務(wù)軟件，實(shí)現(xiàn)了GPRS數(shù)據(jù)傳輸[4]。它包括后臺(tái)服務(wù)程序和前臺(tái)控制臺(tái)程序。

其中，后臺(tái)服務(wù)程序以Windows服務(wù)的形式運(yùn)行于操作系統(tǒng)后臺(tái)，負(fù)責(zé)無(wú)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(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)終端的管理、測(cè)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(guò)前臺(tái)控制臺(tái)程序?qū)笈_(tái)服務(wù)程序進(jìn)行配置以及對(duì)終端進(jìn)行管理，不需要新啟動(dòng)服務(wù)。

前臺(tái)控制臺(tái)程序，在不需要時(shí)，可以關(guān)掉程序但不影響后臺(tái)服務(wù)運(yùn)行。終端（mDevice）通過(guò) UDP、TCP、ETCP三種方式和 mServer相連，DCC則通過(guò)TCP方式和mServer相連。mServer可以接受多臺(tái)終端同時(shí)連入和多個(gè) DCC同時(shí)連入，從而解決了多臺(tái)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(wú)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(guò)與mServer數(shù)據(jù)服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過(guò)自定義的握手信號(hào)來(lái)實(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)直傳實(shí)現(xiàn)方法

傳統(tǒng)的4G公網(wǎng)無(wú)線路由器接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的方法，是通過(guò)DMZ主機(jī)在無(wú)線路由器上面做一個(gè)DMZ主機(jī)設(shè)置。然后在公網(wǎng)上通過(guò)訪問(wèn)無(wú)線路由器撥號(hào)后得到的IP來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，這種方式使用方便，但是受到以下問(wèn)題的限制，分別是：

1）撥號(hào)后得到的IP地址為內(nèi)網(wǎng)地址。

2）撥號(hào)得到的IP地址從公網(wǎng)不能訪問(wèn)到無(wú)線路由器。

3）撥號(hào)得到的IP地址是動(dòng)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(guò)動(dòng)態(tài)域名方法解決訪問(wèn)問(wèn)題，但是免費(fèi)的動(dòng)態(tài)域名不能保證穩(wěn)定可靠。

通過(guò)VirHub軟件可以解決以上問(wèn)題，并搭建、使用無(wú)線遠(yuǎn)程系統(tǒng)。4G無(wú)線路由器通過(guò)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(yùn)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(gè)網(wǎng)段，這樣就把PC端電腦通過(guò)4G路由器和服務(wù)器連接起來(lái)，相當(dāng)于所有設(shè)備在一個(gè)虛擬的局域網(wǎng)內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)自由的通信，然后通過(guò)專用數(shù)據(jù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

PC端到云服務(wù)器通過(guò)公網(wǎng)無(wú)線4G數(shù)據(jù)的直傳主要是通過(guò)4G設(shè)備組網(wǎng)，并通過(guò)上述Virhub路由軟件和mServer服務(wù)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.7 安全性

數(shù)據(jù)傳輸采用對(duì)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(yàn)過(guò)程

2.1 開發(fā)過(guò)程

從2016年3月1開始到2016年7月30日，在汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)、水利廳信息中心進(jìn)行GPRS/3G/4G無(wú)線公網(wǎng)組網(wǎng)、軟件開發(fā)與測(cè)試等大量的工作，實(shí)現(xiàn)了無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(gè)系統(tǒng)無(wú)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(kù)、汾河二庫(kù)無(wú)線組網(wǎng)及調(diào)試。

2.2 發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及創(chuàng)新

1）網(wǎng)絡(luò)的連接和穩(wěn)定

因?yàn)闊o(wú)線公網(wǎng)的穩(wěn)定性受信號(hào)的強(qiáng)弱的影響比較大，我們根據(jù)實(shí)際環(huán)境除選用接收信號(hào)能力較強(qiáng)的天線及通過(guò)延長(zhǎng)天線與4G設(shè)備的連線來(lái)讓天線處于接收信號(hào)較好的環(huán)境。同時(shí)通過(guò)軟件的握手信號(hào)及協(xié)議來(lái)解決連接和傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性問(wèn)題。

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

本次試驗(yàn)有多臺(tái)GPRS/3G/4G設(shè)備接入，采用SOCKET技術(shù)及輪詢的方式來(lái)協(xié)調(diào)多個(gè)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(xiàng)目的先進(jìn)性和創(chuàng)新性表現(xiàn)

該試驗(yàn)研究實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)GPRS/4G設(shè)備組網(wǎng)，并通過(guò)GPRS/3G/4G公網(wǎng)進(jìn)行大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，解決了MCU直接通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)傳輸和PC端之間通過(guò)4G路由器間的數(shù)據(jù)交換，在山西大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了通過(guò)公網(wǎng)無(wú)線GPRS/3G/4G的數(shù)據(jù)直傳。

3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)無(wú)線公網(wǎng)GPRS/3G/4G數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w試驗(yàn)及研究，實(shí)現(xiàn)了汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)MCU采集數(shù)據(jù)直傳省中心和汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)其它PC端數(shù)據(jù)通過(guò)3G/4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)直傳省中心，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該技術(shù)的應(yīng)用，保證了汾河水庫(kù)、汾河二庫(kù)在有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，可使用無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從而為山西省大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠與穩(wěn)定提供支持，同時(shí)也為山西省數(shù)百座中小型水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(shí)訓(xùn)［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2015.

［4］李少謙.認(rèn)知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸技術(shù)［M］.北京：國(guó)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(xiàng)目：水庫(kù)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(xiàng)目編號(hào)：201402）

那 巍（1976-），男，2008年畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師，主要從事農(nóng)田水利工程建設(shè)管理和水庫(kù)大壩安全管理工作。