灌區(qū)自動化系統(tǒng)通信方式設(shè)計方案比選

李 達(dá)，葉江南

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080)

我國陸地面積約960萬km2，受季風(fēng)影響，形成東南多雨、西北干旱和夏秋多雨、冬春干旱的特點。全國以多年平均降水量400mm的等雨量線為界，由東北斜向西南分為東西兩部分，東部濕潤多雨，是主要的農(nóng)業(yè)區(qū);西部干旱少雨，沒有灌溉就很難發(fā)展農(nóng)業(yè)。根據(jù)降水量的大小和農(nóng)作物對灌溉的要求，全國可分為3個不同的灌溉地帶。由表可以看出，我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)依賴于灌溉。

表1 灌溉地帶分類

黑龍江省作為農(nóng)業(yè)大省，全省糧食生產(chǎn)連續(xù)多年獲得大豐收，總產(chǎn)相繼登上了300億kg、350億kg和400億kg共3個大的臺階，2010年首次達(dá)千億斤。但農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施仍較薄弱、農(nóng)民科技素質(zhì)較低的突出問題還沒有真正解決。水資源調(diào)控能力低。全省農(nóng)田水利設(shè)施薄弱，主要江河缺乏控制性工程，各類水庫總蓄水能力只有85億m3，地表水截留能力僅為23%，調(diào)控能力只有7%。農(nóng)田有效灌溉面積僅占總面積的27%，明顯低于全國40%的平均水平。為了實現(xiàn)國家的“千億斤糧食產(chǎn)能”，更需要加快發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉面積和提高灌區(qū)自動化管理水平。以下通過幾種當(dāng)前應(yīng)用比較廣的通信方式比較，選擇適合灌區(qū)自動化系統(tǒng)的通信方式。

1 GSM通信

1.1 GSM移動通信

GSM移動通信和衛(wèi)星通信、光纜通信一起，被列為現(xiàn)代通信領(lǐng)域中的3大新興通信手段，也是近年來迅猛發(fā)展的一種通信資源。利用移動通信組建灌區(qū)自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)有著廣闊的前景。短消息業(yè)務(wù)與話音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)，它通過無線控制信道進(jìn)行傳輸，經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲和前轉(zhuǎn)功能，每個短消息的信息量限制為140個8位組(7比特編碼，140個字符)。短消息業(yè)務(wù)(Short Message Service)是GSM系統(tǒng)中提供的一種GSM手機之間及與短消息實體(Short Message Entity)之間通過業(yè)務(wù)中心(Service Center)進(jìn)行文字信息收發(fā)的方式，其中業(yè)務(wù)中心完成信息的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短消息業(yè)務(wù)可以認(rèn)為是GSM系統(tǒng)中最為簡單和方便的數(shù)據(jù)通信方式，它不需要附加其它較為龐大的數(shù)據(jù)終端設(shè)備，僅使用手機就可以達(dá)到進(jìn)行中、英文信息交流目的。由于作為公網(wǎng)的GSM網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、網(wǎng)絡(luò)能力強的特點，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費用和維護(hù)費用，同時，它對用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大，維護(hù)費高，且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。利用GSM短消息系統(tǒng)進(jìn)行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個強大的管理支持平臺。

采用移動通信技術(shù)組建通信網(wǎng)，其工作原理與傳統(tǒng)的組網(wǎng)方式大體一致，不同的是收發(fā)信機換為GSM數(shù)傳模塊，每一次數(shù)據(jù)的傳輸都是以一條短信息來完成，發(fā)送端把數(shù)據(jù)按短信息的格式要求編碼發(fā)出，接收端則按約定的通信協(xié)議對每一條短信息解碼并處理入庫。

1.2 GSM移動通信信道組網(wǎng)的優(yōu)點

1)利用公網(wǎng)，不需自建和維護(hù)通訊網(wǎng);

2)信道使用不受限制，簡單易行;

3)通信平臺有保障，且不同站點的傳輸信號之間不產(chǎn)生相互干擾;

4)通信距離不受地形地域的限制;

5)通信速率較高;

6)通信線路和設(shè)備不易遭受雷電襲擊和人為破壞;

7)組網(wǎng)靈活，站點的變動和擴充容易。

1.3 GSM短信息通信組網(wǎng)的缺點

1)當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的限制，可能有些偏遠(yuǎn)的站點無法通信組網(wǎng);

2)短信息的接收會出現(xiàn)時延(平均約11 s)的現(xiàn)象，實施時要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模考慮解決瓶頸的問題，目前通過中國移動提供的短信網(wǎng)關(guān)解決此類問題;

GSM短信息通信組網(wǎng)原理框圖如圖1所示。

圖1 GSM短信息通信網(wǎng)原理示意圖

2 GPRS移動通信方式

2.1 GPRS移動通信

GPRS(General Packet Radio Service)通用分組無線業(yè)務(wù)是一種基于包的無線通訊服務(wù)。理論上它將使得通訊速率上升到115kbps，并且支持計算機和移動用戶的持續(xù)連接。GPRS也是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的，在理論上，GPRS包服務(wù)的花費將比電路交換服務(wù)所花的費用要少，信道是共享使用的，在需要的時候才有包產(chǎn)生，因此比專用的連接要節(jié)省很多資源。它將使得為用戶提供應(yīng)用服務(wù)更加簡單。因為以往為了適應(yīng)終端設(shè)備的緩慢速度而增加的緩沖中間件(Middle-Ware)已經(jīng)沒有必要了，GPRS移動用戶可以隨時訪問自己的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)，而不是每次都需要撥號上網(wǎng)。GPRS是按GSM標(biāo)準(zhǔn)定義的封包交換協(xié)議，可快速接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。它在移動終端和網(wǎng)絡(luò)之間實現(xiàn)了‘永遠(yuǎn)在線’的連接，網(wǎng)絡(luò)容量只有在實際進(jìn)行傳輸時才被占用。GPRS的實際速度典型值比理論速度慢，介乎14.4 K～43.2 K(上下行非對稱速率)左右。GPRS將是第一個實現(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)即時接入的標(biāo)準(zhǔn)，也是邁向3G/UMTS的過程。

采用移動GPRS技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送，費用低，使用方便，不受地域限制，便于業(yè)務(wù)發(fā)展，具有很好的發(fā)展趨勢，從GSM到GPRS到將來的3G，是一種更經(jīng)濟便捷的通訊之路，可以構(gòu)架更為廣泛的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)靈活的信息網(wǎng)絡(luò)傳輸。

GPRS是基于數(shù)據(jù)分組傳送的，能提供連續(xù)不間斷的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，具有比SMS更好的數(shù)據(jù)傳送速度和能力，且能夠始終在線，通信費用是按照實際傳送的數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行結(jié)算的，運行費用低。

圖2 GPRS通信網(wǎng)原理示意圖

2.2 應(yīng)用GPRS傳輸數(shù)據(jù)的優(yōu)點

1)相對 GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有“高速”和“在線”的優(yōu)點。電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率僅為每秒9.6 K比特，GPRS的最高速率可達(dá)每秒115K比特。

2)除了速度上的優(yōu)勢，GPRS還有“永遠(yuǎn)在線”的特點，即用戶隨時與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。有數(shù)據(jù)傳送時就在無線信道上發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)傳送，終端就進(jìn)入一種“準(zhǔn)休眠”狀態(tài)，釋放所用的無線頻道給其他用戶使用，這時網(wǎng)絡(luò)與用戶之間還保持一種邏輯上的連接，當(dāng)用戶再次傳送時，終端立即向網(wǎng)絡(luò)請求無線頻道用來傳送數(shù)據(jù)，不需頻繁撥號。

3)根據(jù)灌區(qū)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的特點，選擇了在灌區(qū)分中心采用GPRS無線MODEM進(jìn)行接入的應(yīng)用方式，為用戶建立自己的無線VPN專用數(shù)據(jù)網(wǎng)，提供各種速率的高質(zhì)量、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠谰没虬胗谰眯詫Ｓ猛ㄓ嶆溌罚?分)中心端和遠(yuǎn)地遙測端，數(shù)據(jù)的傳輸均通過GPRS無線DDN來實現(xiàn)。無線DDN利用GPRS移動數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)組成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，適合多點分散的數(shù)據(jù)傳輸，適合中小數(shù)據(jù)通信量的數(shù)據(jù)傳輸，也適合野外環(huán)境條件差的使用環(huán)境。

申請了專用VPN后，移動運營商分配給數(shù)據(jù)中心Modem網(wǎng)內(nèi)固定IP地址;數(shù)據(jù)中心通過無線GPRS Modem與遙測站實現(xiàn)多點對中心數(shù)據(jù)通信，遠(yuǎn)地遙測站根據(jù)配置的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)內(nèi)IP地址與數(shù)據(jù)中心建立數(shù)據(jù)通道。這種接入方法的優(yōu)點是:

①數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，外界的終端或節(jié)點不能進(jìn)入，數(shù)據(jù)安全性好;②數(shù)據(jù)在自己的VPN專網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行通訊，也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性;③接入成本僅為DDN專線接入的1/3。費用降低，使用帶寬在40～80 K，通訊性能完全滿足水情報文數(shù)據(jù)傳輸要求;④中心接入點或遙測站均可綁定內(nèi)網(wǎng)固定IP，偶爾掉線可以自動上線，不會丟失地址。

4)設(shè)備耗電小，費用相對較低。

3 衛(wèi)星通信方式

3.1 衛(wèi)星通訊

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星通信應(yīng)用越來越多。衛(wèi)星通信組網(wǎng)就是在遙測站配置“數(shù)據(jù)采集平臺”(DCP)，將灌區(qū)信息發(fā)射到衛(wèi)星，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面網(wǎng)管中心，登記后再由網(wǎng)管中心將信息發(fā)到衛(wèi)星，然后轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收平臺(DRP)。

在部分地區(qū)移動通信網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋到，PSTN線路架設(shè)困難，對于超短波通信又需一級或多級中繼站的遙測站點采用衛(wèi)星通信，是一種比較可行的辦法。根據(jù)國內(nèi)遙測系統(tǒng)應(yīng)用衛(wèi)星通信的情況來看，雨衰是影響衛(wèi)星通信可靠性的一大問題。目前，國內(nèi)應(yīng)用于水情通信的衛(wèi)星主要有:VSAT亞洲二號通信衛(wèi)星、OmniTRACKS全線通衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星、海事衛(wèi)星(Inmarsat－C)等。VSAT衛(wèi)星和全線通衛(wèi)星由于通信頻率采用KU波段，雨衰明顯，使用效果不理想，設(shè)備體積也較大，安裝要求較高。

經(jīng)國家主管部門批準(zhǔn)，規(guī)劃北斗系統(tǒng)10%的容量供軍方使用;90%的容量用以開發(fā)國內(nèi)及亞洲民用市場，提供通信、導(dǎo)航、定位和授時服務(wù)。因此北斗系統(tǒng)就成為一種傳輸水情信息的可用資源。

3.2 衛(wèi)星通信組網(wǎng)的優(yōu)點

1)傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣、傳輸質(zhì)量好;

2)由于各發(fā)射點、地面站與衛(wèi)星之間采用視線傳輸，因而不受地形、地物的阻擋，特別適用于地形復(fù)雜地帶的通信;

3)數(shù)傳速率較有線、超短波方式高。

3.3 衛(wèi)星通信組網(wǎng)的缺點

1)衛(wèi)星平臺耗電較大，采用直流供電時需配置較大容量的電池和浮充電設(shè)備，目前可考慮遙測站對衛(wèi)星小站電源進(jìn)行控制的方式;

2)衛(wèi)星平臺的價格較貴，運行維護(hù)費用也較高。

圖3 衛(wèi)星通信網(wǎng)原理示意圖

4 PSTN(ADSL)有線通信方式

4.1 PSTN通信

發(fā)達(dá)國家使用有線PSTN(ADSL)組網(wǎng)方式的時間較長。我國由于通信條件的限制，發(fā)展較遲較慢。近幾年，有線組網(wǎng)方式隨著我國通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，也開始廣泛使用。它是利用公用電話線路，在每個遙測站架設(shè)一條電話用戶線，與數(shù)據(jù)(分)中心之間利用電話撥號的方法建立通信鏈路，傳輸各遙測站的水情數(shù)據(jù)信息。

4.2 有線通信組網(wǎng)的優(yōu)點

1)建設(shè)成本低、見效快，有線組網(wǎng)的通信設(shè)備也較超短波、短波、衛(wèi)星等通訊方式便宜;

2)通信平臺有保障，不同站點的傳輸信號間不會產(chǎn)生相互干擾;

3)通信距離不受地形地域的限制。

4.3 有線通信組網(wǎng)的缺點

1)野外電話線纜易遭受雷電干擾，易受人為破壞;

2)數(shù)據(jù)采集速度受電話線路質(zhì)量和線路忙碌程度的影響，暢通率有時不高;

3)系統(tǒng)只宜采用召測工作方式，不宜采用自報方式，由于每一個站的應(yīng)答查詢均必須通過撥號、接通、傳輸、掛機等階段，因此數(shù)據(jù)收集周期長。

5 結(jié)論

根據(jù)各種通信方式的比選并結(jié)合灌區(qū)自動化系統(tǒng)的實際情況，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)簡單、性能先進(jìn)、可靠性高、防雷省電、便于維護(hù)的系統(tǒng)等原則，基于目前移動通信發(fā)展迅速，覆蓋區(qū)域灌等特點，建議采用GPRS通信方式。本通信方式在黑龍江省的幾個灌區(qū)中已經(jīng)在實際運行。

［1］ 吉曄，張漢松，飯島孝史.大型灌區(qū)管理信息系統(tǒng)的建立［J］.灌溉排水，2000，19(2).

［2］ 孫增義，吳躍，田秋生.水情自動測報技術(shù)基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社.1999.

［3］ 馮廣志.灌區(qū)信心化建設(shè)［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.