基于CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)的珠江口水文信息系統(tǒng)

李冠宇，胡軼群，徐俊臣，邱文博

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)的珠江口水文信息系統(tǒng)

李冠宇，胡軼群，徐俊臣，邱文博

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

介紹一種基于CDMA/GPRS數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的珠江口水文信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和基于CDMA/GPRS的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)集中管理、反饋控制和因特網(wǎng)信息發(fā)布，實(shí)現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的功能。

CDMA/GPRS；數(shù)據(jù)采集設(shè)備；遠(yuǎn)程監(jiān)控

珠江口水文信息系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)時監(jiān)測珠江口各觀測站點(diǎn)的水位、風(fēng)速、風(fēng)向等要素的變化情況，為船舶安全航行和航運(yùn)調(diào)度管理提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這是一項(xiàng)長期性的業(yè)務(wù)化工作，水文信息系統(tǒng)的質(zhì)量和測量精度將直接影響水情信息的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，加強(qiáng)觀測站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，強(qiáng)化水情信息自動采集、傳輸和發(fā)布工作，提高水情測報(bào)質(zhì)量成為當(dāng)務(wù)之急。珠江口水文信息系統(tǒng)的建成和投入使用，對于防汛、航運(yùn)管理工作具有重要意義。

珠江口水文信息系統(tǒng)的觀測站點(diǎn)分布范圍廣，工作環(huán)境惡劣，人員維護(hù)有一定困難，有一些站點(diǎn)建在無人島上，基礎(chǔ)條件差，沒有正常的市電供應(yīng)，只能采用太陽能電池組供電，因此，設(shè)計(jì)上要求全部站點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)無人值守工作，數(shù)據(jù)采集設(shè)備必須具備功耗低、可靠性高、可維護(hù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊和管理功能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

珠江口水文信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心三部分組成。其中數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝在各個觀測站點(diǎn)，自動采集、處理和存儲水位、風(fēng)速、風(fēng)向等觀測參數(shù)，并且控制通訊模塊，將測量數(shù)據(jù)和采集設(shè)備的工作狀態(tài)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用CDMA/GPRS公共傳輸網(wǎng)，可以根據(jù)站點(diǎn)的實(shí)際通訊條件選擇CDMA網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)，并且通過無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的網(wǎng)關(guān)接入因特網(wǎng)，與連接在因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與控制；數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)接收、顯示、存儲各個觀測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫管理，同時顯示各站點(diǎn)設(shè)備的實(shí)際工作狀況，方便用戶維護(hù)管理。此外，數(shù)據(jù)中心通過因特網(wǎng)向授權(quán)用戶實(shí)時發(fā)布水文信息。

圖1 珠江口水文信息系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備原理框圖如圖2所示，電路設(shè)計(jì)以低功耗、高性能單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)有模擬和數(shù)字采集接口電路，實(shí)現(xiàn)水位、風(fēng)速和風(fēng)向參數(shù)的采集，并預(yù)留一個傳感器接口供以后功能擴(kuò)展。設(shè)備配有字符液晶顯示器和4個鍵的小鍵盤作為人機(jī)界面，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)置管理，采集處理的水位數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出接口傳輸?shù)剿荤婒?qū)動電路，驅(qū)動水位鐘指示當(dāng)前水位信息。通過工作參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)通訊模塊可以支持 RS-232/RS-422、MODEM、VHF 電臺、GSM、GPRS/CDMA等通訊方式，本應(yīng)用使用GPRS/CDMA通訊。

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備原理框圖

數(shù)據(jù)采集設(shè)備自動采集、處理并存儲各種觀測參數(shù)，每分鐘獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)自動發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，為數(shù)據(jù)中心實(shí)時水文信息發(fā)布提供數(shù)據(jù)支持，同時保存最新兩個月的歷史數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)中心隨時調(diào)閱。數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有體積小、功耗低、測量準(zhǔn)確度高、配置靈活、界面友好的特點(diǎn)，安裝在珠江口主航道各觀測站，使用太陽能電池組供電，在無人值守工作狀態(tài)下，安裝的6套設(shè)備已經(jīng)連續(xù)穩(wěn)定工作了4 a以上。

2.2 CDMA/GPRS 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸接口支持多種通訊方式，在珠江口水文信息系統(tǒng)的應(yīng)用中，根據(jù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備分布范圍廣、數(shù)據(jù)要求實(shí)時強(qiáng)、系統(tǒng)功耗低、要求維護(hù)簡單、支持長期業(yè)務(wù)化運(yùn)行等實(shí)際特點(diǎn)，我們選擇CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)通訊作為本應(yīng)用的通信手段，CDMA和GPRS無線移動通信網(wǎng)絡(luò)是公共網(wǎng)絡(luò)資源，由專業(yè)運(yùn)營商提供業(yè)務(wù)化服務(wù)和維護(hù)，建設(shè)周期短，組網(wǎng)靈活，具有網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠、覆蓋范圍廣、永遠(yuǎn)在線、通訊能力強(qiáng)、使用資費(fèi)低、不受地域限制的優(yōu)點(diǎn)，并且這兩種無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)都和因特網(wǎng)相連。數(shù)據(jù)中心只需通過專線與運(yùn)營商的服務(wù)器連接或者通過其他方式接入因特網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)通訊。

本應(yīng)用中，在廣東海事局海測大隊(duì)設(shè)計(jì)有一個數(shù)據(jù)中心，通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)同時管理多個安裝在觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，組成中心對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備一端，根據(jù)當(dāng)?shù)責(zé)o線網(wǎng)絡(luò)信號的實(shí)際覆蓋情況，靈活配置宏電公司生產(chǎn)的H7000系列工業(yè)級CDMA或者GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。

圖3 珠江口水文信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心站軟件主界面

2.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、UPS電源系統(tǒng)、防雷設(shè)施、數(shù)據(jù)接收管理軟件、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布軟件等組成。數(shù)據(jù)中心管轄的各觀測點(diǎn)的工作狀態(tài)，采用紅綠兩種顏色標(biāo)識在主機(jī)界面中的珠江口地區(qū)地圖相應(yīng)位置上，紅色表示設(shè)備離線，綠色表示設(shè)備在線；數(shù)據(jù)中心獲得的實(shí)時數(shù)據(jù)，其中包括前端各觀測點(diǎn)的水位、風(fēng)速、風(fēng)向和電源電壓等數(shù)據(jù)，被顯示在界面中珠江口地區(qū)的地圖該測點(diǎn)相應(yīng)位置上，做到一目了然。同時將實(shí)時數(shù)據(jù)及時更新在專用網(wǎng)站上，網(wǎng)站提供授權(quán)用戶的Internet瀏覽及下載功能。

水文信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)接收管理軟件主界面如圖3所示，主要功能有：

（1）實(shí)時顯示各觀測點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)信息，并對各類信息實(shí)現(xiàn)自動采集和存儲；

（2）對站點(diǎn)任意時間的風(fēng)速、風(fēng)向、水位信息的查詢；

（3）經(jīng)數(shù)據(jù)中心實(shí)時處理的數(shù)據(jù)及時更新在專用網(wǎng)站上，用戶可以隨時進(jìn)行訪問。

2.4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性：為確保實(shí)時采集的數(shù)據(jù)具有較高的準(zhǔn)確性，前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備使用高精度的水位傳感器和風(fēng)速風(fēng)向傳感器，數(shù)據(jù)中心對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步質(zhì)量控制，內(nèi)容包括剔除粗大誤差、測量值上下限檢查、時間連續(xù)性檢查、傳感器不變性檢查等；

（2）數(shù)據(jù)實(shí)時性：實(shí)時采集的數(shù)據(jù)(潮位、風(fēng)速、風(fēng)向等)每隔5 min傳送回?cái)?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時動態(tài)更新功能；

（3）數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化：實(shí)時采集的數(shù)據(jù)是通過CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送回大隊(duì)數(shù)據(jù)中心的，另外經(jīng)數(shù)據(jù)中心實(shí)時處理的數(shù)據(jù)及時更新在專用網(wǎng)站上，用戶可以隨時進(jìn)行訪問；

（4）系統(tǒng)的可靠性：各項(xiàng)設(shè)備符合結(jié)構(gòu)簡單、可靠、低功耗的原則，所有觀測站都能在無人值守的條件下工作 ，能長期、特別是在暴雨洪水等惡劣天氣條件下可靠地工作，避免了因觀測站出現(xiàn)故障而丟失水文數(shù)據(jù)；

（5）系統(tǒng)的擴(kuò)充性：系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)充性。一方面，前端采集設(shè)備預(yù)留了接口，在2009年增加了能見度觀測，另一方面數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)軟件能支持站點(diǎn)的增加，系統(tǒng)先后增加了內(nèi)伶仃、擔(dān)稈島等站。

3 應(yīng)用結(jié)果與意義

目前珠江口助航信息系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)建成多個水文站前端和一個數(shù)據(jù)中心，多個觀測站合理分布在珠江口主航道的兩側(cè)，數(shù)據(jù)中心位于海測大隊(duì)辦公樓。系統(tǒng)建設(shè)后實(shí)現(xiàn)了觀測站狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)管理、固態(tài)存儲和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)提取等功能，通過該系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送和補(bǔ)發(fā)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了水情報(bào)汛和水文整編數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和結(jié)合。從而搭建了統(tǒng)一水文數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)平臺，并為今后觀測站點(diǎn)的增加和系統(tǒng)擴(kuò)充提供了統(tǒng)一的平臺。

珠江口水文信息系統(tǒng)自2005年投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為廣大用戶提供及時、準(zhǔn)確的水文信息，為珠江口水域的安全航運(yùn)、水利的防洪防汛提供第一手資料，起到了業(yè)務(wù)支撐作用。由于該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)實(shí)時性、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)可擴(kuò)充性等特點(diǎn)，該系統(tǒng)可推廣并應(yīng)用到整個長江流域及近海的水文信息觀測中，為我國的水文觀測提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。

[1]M R Karim Mo.3G移動網(wǎng)—WCDMA和cdma 2000[M].北京：人民郵電出版社，2002.

[2]王月清.寬帶CDMA移動通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[3]坦納.WCDMA原理與開發(fā)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[4]韓冰,李芬華.GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2003（8）：26-29.

[5]徐惠君,夏吉慶,周修理.基于GPRS虛擬串口的無人抄表系統(tǒng)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：240-242.

[6]趙志偉.GPRS技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)綜述[J].移動通信，2002（6）：23-28.

The Hydro-information Monitoring System of Zhujiang Estuary Based on CDMA/GPRS Network

LI Guan-yu,HU Yi-qun,XU Jun-chen,QIU Wen-bo
(National Oceanic Technology Center,Tianjin 300112,China)

A smart CDMA/GPRS-based hydro-information monitoring system of Zhujiang estuary is introduced,which realizes the data acquisition and process using the data acquisition device in situ.Data management,feedback control and Internet information distribution on multi-sites are implemented by the computer in data center.The wireless remote monitoring on data acquisition devices is realized based on CDMA/GPRS communication.

CDMA/GPRS,data acquisition device,remote monitoring

P714+.1

B

1003-2029（2011）03-0040-03

2010-08-20