GPRS无线通信远距离输水工程后备通道的探讨

刘长征，耿海菊，武中强，房学英，刘俊钰，黄 欢

（1．河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州 061000；2．河北海河工程技术有限公司，河北 沧州 061000；3．河北省通信建设有限公司，石家庄 050021）

GPRS无线通信远距离输水工程后备通道的探讨

刘长征1，耿海菊2，武中强1，房学英3，刘俊钰2，黄 欢2

（1．河北省沧州市水利科学研究所，河北 沧州 061000；2．河北海河工程技术有限公司，河北 沧州 061000；3．河北省通信建设有限公司，石家庄 050021）

以河北省南水北调配套远距离输水工程监测系统为例，探讨在现有光纤通信技术的基础上探索通过中国移动GPRS无线通信网络建立可靠无线通信备用通道的可能性，以便在光纤通信系统故障时，可以进行数据传输的无缝切换，保障自动化系统的通信传输畅通，确保监测系统的正常运行。

监测系统；远距离；GPRS；备用通道

河北省南水北调配套工程是指从中线总干渠分水口门至城市自来水厂入口的输水工程，建设任务是通过总干渠40座分水口门，向48个受水目标提供生活、工业用水，全年引水量为37．69亿m3，输水线路总长961.58km，总投资121.89亿元。南水北调输水工程建设了完善的自动化监控系统，有效地保障了输水工程的稳定运行。

1 南水北调配套工程通信系统

通信系统是整个自动化监控系统的重要组成部分，是连接监控端与信息处理中心的桥梁，是整体监控系统的信息传输要件。通信系统设置干渠管理处通信中心和现地监测站通信终端两层。通信中心负责自动化系统的数据通信业务，向下采集各现地监测站数据信息，采集设备运行状态、放水流量及用水计划等。现地监测站通信终端层由各管理所、泵站、分水口、闸阀站等组成，完备的通讯系统可以实现数据、图像、语音无缝传输功能。通信系统中通信中心和现地监测的通信采用了以光纤为主通信通道，无线GPRS为备用通道的双重通信方式。

河北省南水北调配套输水工程通信系统按传统方式采用了专网专线的建网模式，以容量大、稳定度高、传输距离长的16芯单模光纤作为传输介质。但在实际的应用中，考虑到光纤系统虽然速度快，传输稳定，但存在着易被破坏的缺点，在光纤布设中也容易出现由于铺设工艺的不完善导致光纤缺损、光纤布网失败或数据通道间断等情况。在河北省南水北调自动化监控系统的建设中，为保证监控系统的正常运行，以建立可靠的通信通道，保证数据传输的高可靠性。根据现有通信技术的发展趋势及应用现状，在现有光纤通信主通道组网的基础上，应用中国移动通信公司GPRS无线网络来作为通信系统的备用通道，对光纤通信系统进行补强建设，进一步确保整个监控系统数据传输的无缝采集、实时传送、准确处理。

2 GPRS无线通信通道建设思路

2.1 GPRS通信网络

GPRS网络是中国移动通信公司的第2.75代通信技术，理论速率172.1kbps，目前实测速率150kbps，特别适合远程监测等行业的通信需求，可以取代光缆通信方式。GPRS无线通信网络具有以下优势:

（1）建设监测点无需进行拉线、埋线等工作，可随意分布和移动通信网点。

（2）资费便宜，计费合理。传输数据才计费，占线不计费。

（3）网络覆盖较好。通信质量稳定可靠，永不掉线。

（4）网络接入速度快，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。

2.2 系统工作原理

河北省南水北调配套输水工程监测系统建设有南水北调管理处通信通道、现地监测站、控制设备等。管理处通过主光纤通信通道与现地监测站通讯，进行监测数据的传输与汇集，同时，建设有GPRS无线通信备用通道系统，做为主光纤通信通道的有效补充。

GPRS无线通信系统由通信中心和现地监测站终端两部分组成。由于GPRS无线通信是基于中国移动通信公司IP地址的数据分组通信网络，通信中心GPRS无线智能终端配置固定的IP地址，可与对应的现地监测站采用GPRS无线智能终端进行一对一通信。

现地监测站设备的数据首先由前置机/数据服务器传送，经处理、存储后，经GPRS无线智能终端进行UDP协议或TCP/IP协议封包和无线调制解调，通过GPRS网络向通信中心发送。通信中心服务器的数据通过串口服务器至GPRS无线智能终端，进行TCP/IP协议封包和无线调制解调，再通过GPRS网络发送到现地监测站的RTU。

系统结构如图1。

图1 系统结构图

现地监测站的GPRS无线智能终端直接连接在网络通讯管理设备系统上，和光纤通信设备处于同一局域网络的同一层级，设置光纤网为主通道、GPRS无线网络通信为备用通道。通信中心和现地监测站一对一的联网方式，通信中心使用GPRS无线智能终端通过GPRS网络和对应现地监测站的GPRS无线智能终端进行数据通信。节点统一使用中国移动通信公司固定的GPRS网络APN，SIM卡绑定固定的IP地址。

2.3 系统组成结构

2.3.1 组网方式

GPRS无线通信通道备用系统由现场监测设备、GPRS智能终端、高增益无线天线、电源系统、安全系统、中国移动APN专用网络、接收系统、信息处理中心等部分组成。

网络结构如图2。

图2 网络拓扑图

2.3.2 管理处通信中心

通信中心使用多个GPRS无线智能终端分别和各个现地监测站的GPRS无线智能终端构成一一对应的联网关系，建立各自的联网通道。无线智能传输机内嵌中国移动公司的SIM卡，绑定GPRS网络专用APN子网接入点的中国移动通信公司固定IP地址（地址范围由当地移动公司网络运行部分配）和现地监测站的GPRS无线智能终端进行通信。

2.3.3 现地监测站（管理所、分水口、各级泵站）

现地监测站的GPRS无线智能终端和光纤接口的路由器处于同一局域网络，设置光纤网为第一通道、GPRS无线网络为第二通道，在光纤通信通道出现问题的时候，数据传输网络会智能自动切换到GPRS通信通道，保证监测数据的实时传输。现地监测站设备通过RS232接口与GPRS无线智能终端自动采集现地监测站自控设备相连，通过内置嵌入式程序对数据进行处理、协议封装后发送到GPRS网络。

3 系统安全分析

3.1 GPRS通信APN网络

现地监测站采集的数据经GPRS无线智能终端对数据进行解码处理，转换成在GPRS网络数据传送的格式，向中国移动发出GPRS登录请求，根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与专用数据平台连接的GGSN，并将请求通过GTP隧道封装送给GGSN，GGSN将认证信息 （包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证，Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送确认信息，监测站得到相对应的IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统平台进行访问并传输数据。

3.2 GPRS无线智能终端

GPRS无线智能终端基于中国移动GPRS无线网络，具有高性能、高可靠及抗干扰能力强等特点，提供标准RS232接口可直接与计算机、智能仪表、数据采集设备等连接，满足通信中心与现地监测站之间的数据采集和控制。

GPRS无线智能终端用的RS232/RS485串口设备的串口通信，转换为GPRS无线网络通信的双向转换传输设备。GPRS无线智能终端内嵌CDT、T634、T645等通信规约，采用透明传输的方式，不用知道复杂的GPRS通讯原理和TCP/IP、UDP协议，不用更改程序即可实现原有串口设备的无线网络连接，可用于长距离通信或控制。能快速实现串口设备的遥控功能，直接连接串口设备使得串口设备立即具备遥控功能。

GPRS无线智能终端集成GPRS MODEM传输功能和TCP/IP网络于一体的新型无线移动通信网络设备，采用32位低功耗单片机，ARM级芯片、西门子MC39i芯片，16M缓存。软件上采用完整的嵌入式OS及TCP/IP协议包，支持远程维护，具有远程配置、远程升级和重启动的功能。

3.3 安全性分析

通信网络传送的是自动化信息、调度指挥指令、继电保护与安全自动装置控制信息等重要数据，是南水北调工程自动化系统稳定运行的神经网络，安全性是网络通信的首要要求。GPRS无线网络通信只是通信方式的改变，对上层应用软件系统几乎没有任何影响。GPRS的物理链路数据本身已经采用了加密传送，同时还时利用APN虚拟子网的GRE专用通道进行加密传输，所有数据均与Internet物理隔离，大大增强了通信传输的安全性。

4 结语

基于GPRS网络的无线通信方式具有较高的综合性能价格比，易于网络采集点的扩展，可实现集中网络管理，几乎不受到现地监测站点规模的限制，可以在中国移动的全网覆盖范围内使用。南水北调工程自动化系统通信环节设置光纤网为第一通道、GPRS无线网络为备用通道，在光纤出现问题的时候，通信网络可自动切换到GPRS通道进行通信，建立一条在通信中心和现地监测站的可靠无线通信通道，进行无缝切换，保障自动化监控系统的通信传输畅通。

［1］沧州水利勘测设计院．沧州市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程可行性研究报告［R］．

［2］沧州市水利科学研究所．GPRS长距离管道输水实时监测系统研究技术报告［R］．

［3］韩斌杰．GPRS原理及其网络优化［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［4］樊昌信，曹丽娜．通信系统原理（第6版）［M］．北京:国防工业出版社，2006．

［5］张睿，周峰编．无线通信仪表与测试应用（第2版）［M］．北京:人民邮电出版社，2012．

［6］徐明远，邵玉斌．MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用（第二版）［M］．西安:西安电子科技大学出版社，2010．

［7］崔健双．现代通信技术概论［M］．北京:机械工业出版社，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

刘长征（1978-），男（汉族），河北海兴人，高级工程师，主要从事水利科研和水利自动化工作，（Tel）13582731185。