大壩安全監測無線傳輸模式的應用

王欽

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

大壩安全監測無線傳輸模式的應用

王欽1，2

（1.湖南省水利水電科學研究所長沙市410007；2.湖南省大壩安全與病害防治工程技術研究中心長沙市410007）

隨著我國對水利工程建設的重視，加大了對水利工程項目的各項投入，有效推動了水利工程建設的發展。回顧大壩安全監測技術由人工采集到集成自動化的發展過程，今后在安全監測項目中如何采用便捷、高效、經濟的方式傳輸數據，使大壩相關管理部門能實時有效地獲取大壩安全監測數據進行分析評判大壩的安全性，保障大壩下游社會、環境與人身財產安全具有顯著影響。文章在介紹大壩安全監測數據傳輸方式的基礎上，對各種數據傳輸方式的適用范圍進行分析，并闡述其應用現狀及前景。

MCU無線數傳電臺SMS GSM GPRS

我國經濟的迅速發展，大壩安全監測隨著計算機技術、現代測量技術、傳感器技術以及數據處理技術等快速發展，大壩安全數字化管理技術日漸成熟。與此同時，伴隨著日益強大的通訊發展，大壩觀測由之前的人工簡單測量獲取數據進步為現代化的數字化自動采集數據。MCU通過水工電纜采集埋設在壩體中的各個傳感器獲取數據，再通過有線或者是無線的傳輸方式發送到服務器中，將各個采集數據的模擬量數據通過計算公式最終換算成為大壩中各個埋設傳感器中的成果值保存到存儲器中。下面對各種無線傳輸模式的適應范圍進行研究分析。

1 概述

大壩安全監測項目主要包括變形監測、滲流監測及環境量監測。變形監測和滲流監測主要分布在水庫的主壩或者副壩之中，而環境量監測范圍為水庫上游水域流經范圍以及集雨面積區域，水庫端大壩安全監測子系統一般部署在水庫管理所，而水庫管理所距離壩體較近的話，可以通過有線方式將數據采集單元采集的相關數據傳送到大壩子系統服務器上，若監測點距離水庫管理所較遠，那么用有線方式傳輸就存在較大施工困難。其主要困難有三點：

（1）監測點距離數據采集中心距離遙遠，布線工程量較大。

（2）監測點與數據采集中心之間有難以逾越的障礙物阻礙。

（3）監測點與數據采集中心需要穿越大面積水域。

如何解決在復雜環境下的數據傳輸，無線傳輸網絡將是整個大壩監測系統的核心部分，傳輸網絡能夠實時有效的進行數據傳輸，是決定整個系統能否正常工作的最主要因素。隨著日趨成熟的無線數據傳輸網絡的引入，改變了傳統的大壩監測數據傳輸方式，這對于大壩監測監管都有非常重要的意義，不但使得大壩監測的可移動性得到實現，而且也在很大程度上降低了監測設備的投入成本。

目前，無線數據傳輸技術的發展越來越快，相比過去，無論在傳輸速度和傳輸穩定性上都有了前所未有的提高，這種飛躍使得大數據量的無線數據傳輸能夠得到實現，這對于現代大壩監測技術來說是非常重要的。面對大壩及周邊監測點安裝的各種傳感器的大量數據源，如果在數據傳輸上得不到保證，那么水庫端的大壩安全監測子系統也就變得沒有任何意義。

目前，主要應用的無線傳輸方式分別為：SMS短消息傳輸、GPRS數據傳輸和工業無線數傳電臺傳輸。

（1）SMS通訊。SMS（ShortMessage Service）是通過SDCCH（未通話時）或SACCH（通話中）傳送的,消息長度最大為140字節（70個漢字），故名短消息。短消息服務業務（SMS）作為GSM移動通信網絡的一種基本業務，與話音傳輸及傳真一樣，同為GSM數字蜂窩移動通信網絡提供的主要電信業務，它通過無線控制信道進行傳輸，經短消息業務中心完成存儲和前轉功能，每個短消息的信息量限制為140個八位組。GSM標準中定義的點到點短消息服務使短消息能夠在移動臺和短消息服務中心之間傳遞。短消息SMS是非對稱業務，它使用控制信道傳輸數據分組，因此系統可以支持SMS與語音、數據流、傳真等業務的同步傳輸。SMS具有覆蓋面廣、在線保持、自動傳送、費用低廉、穩定性高等優點，比較適合于小流量、頻繁遠距離傳送數據的領域。

（2）GPRS通訊。第一代移動通信系統是模擬移動通信系統，第二代是GSM系統，即將到來的第三代移動通信系統被稱為3G系統。由于第三代移動通信系統從標準出臺到全面的商業化需要經過一段較長的時間，在這段期間，國際上各大通信公司為了拓展業務，在GSM的基礎上推出2.5G的無線數據業務，作為向3G標準過渡的中間方案，GPRS就屬于這中間的方案之一。

GSM（Global System For Mobile Communication：全球移動通信）是1992年歐洲標準化委員會統一推出的標準，它采用數字通信技術、統一的網絡標準，使通信質量得以保證，并可以開發出更多的新業務供用戶使用。自第一個GSM系統運營開始，100多個國家的2000多萬用戶已經能夠享受到世界范圍的漫游覆蓋、各種操作環境下出色的話音質量及許多增值業務。GSM移動通信網的傳輸速度為9.6Kbps。目前，全球的GSM移動用戶已經超過5億，覆蓋了1/12的人口，GSM技術在世界數字移動電話領域所占的比例已經超過70%。目前，我國擁有8 000萬以上的GSM用戶，成為世界第一大運營網絡。

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）是在現有GSM移動通信系統的基礎上發展起來的一種移動分組數據業務，是GSM網絡向第三代移動通訊技術演進的第一步。這一步有著兩點重要的意義：

①在GSM網絡中引入分組交換能力。

②將GSM網絡的速度提高到100 kbit/s以上。

通過在GSM數字移動通信網絡中引入分組交換的實體組成GSM-GPRS網絡，實現以分組方式進行數據傳輸，同時，盡量減少對GSM網絡的改動。GPRS可以看作是在原有的GSM電路交換系統的基礎上進行的業務擴充；由新增的網絡實體對GSM數據進行拓展，支持移動用戶利用分組數據移動終端接入Internet或其他分組數據網絡，同時提供更好的GSM網絡語音功能。

（3）數傳電臺通訊。無線數傳電臺又可稱為“數傳電臺”，是指借助DSP技術和無線電技術實現的高性能專業數據傳輸電臺。數傳電臺的使用從最早的按鍵電碼、電報、模擬電臺加無線MODEM，發展到目前的數字電臺和DSP、軟件無線電；傳輸信號也從代碼、低速數據（300～1 200 bps）到高速數據（N*64K～N*E1），可以傳輸包括遙控遙測數據、數字化語音、動態圖像等業務。美國MDS數傳電臺，芬蘭SATEL數傳電臺為目前國際上比較知名的數據傳輸電臺。

數傳電臺主要用于工業控制領域建立的專網，同時也是工業控制領域的主要傳輸手段。國家無線電管理委員會規定為遙測、測控、數據傳輸等業務的專用頻段為223.025 MHz到235 MHz，數傳電臺作為這個專用頻段的專用設備在專網應用設備中經歷了數十年的考驗。

2 無線傳輸的特點及應用

2.1 SMS的特點及應用

2.1.1 SMS的主要特點

點對點短消息（SMS）的發送方式取決于網絡中SMSC能支持的接口。ETSI制定的短消息發送協議定義了三個接口協議：塊模式、文本模式和PDU模式，用于移動臺和終端設備之間通過異步接口傳送短消息數據。

塊模式（BLOCK Mode）：塊模式是一個二進制協議，用于移動臺和SMSC之間的短消息傳輸的PDU封裝。包括了差錯檢測，適用于移動臺之間連路容易出錯的情況。應用部分的二進制數據串應包含報頭和短消息PDU。

文本模式（Text Mode）：文本模式是在為GSM修改的AT指令集[]的基礎定的基于字符的協議。適合非智能終端或終端仿真器。應用軟件把純文本消息傳給通信設備，由通信設備來構造TPDU。文本模式提供的功能比塊模式和PDU模式少。在文本模式下，短消息對擴展字符的能力有限。

PDU模式（PDU Mode）：PDU模式和文本模式很相似，區別只是它將組裝短消息TPDU的任務留給了應用系統完成。

2.1.2 SMS應用范圍

對于廣闊集雨面積的水庫，大壩安全監測也需要降水量監測來了解上游來水量，采用有線方式監測各個雨量點，成本高，管理不便。利用GSM短消息技術具有覆蓋面廣、運營成本低、信號傳輸快捷可靠，安裝簡便等特點，能夠有效地對各個監測點進行數據傳輸。以下為網絡拓撲圖（圖1）。

圖1 SMS網絡拓撲圖

一般情況下我們采用PDU模式進行數據傳輸，并且保證通訊協議中字數不超過140個字節。如果監測點采集發送單元的數據傳輸方式為自報式方式發送數據，我們可以選擇SMS方式傳輸，因為每次由監測點的數據采集單元獲取到新的數據后才發送。如庫區降水量監測點的無線傳輸可以采用SMS方式。GSM短消息業務主要針對固定按次發送數據的傳輸方式將可以減少通訊費用，保證數據的正常發送與接收。

2.2 GPRS的特點及應用

2.2.1 GPRS的主要特點

GPRS技術以分組交換技術為基礎，支持IP/2.5數據網絡協議，可以保證計算機和移動用戶的持續連接。每個用戶可同時占用多個無線信道，而同一無線信道又可以由多個用戶共享。用戶只要在進行數據傳輸時才占有系統資源，沒有數據傳輸時，該用戶原先占用的系統資源就會動態地分配給其他用戶。

具體來說，GPRS具有以下特點：

（1）支持中、高速率數據傳輸。可以提供（9.05～ 171.2）kbps的數據傳輸速率。

（2）永遠在線。即用戶隨時與網絡保持聯系。當沒有數據傳送時，網絡與用戶之間保持一種邏輯上的連接，用戶再次傳輸數據不需要重新聯入網絡。GPRS能在（0.5～1）s之內恢復數據的重新傳輸。

（3）GPRS網絡接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接。GPRS支持居于標準數據通訊協議的應用，可以和IP網、互聯網互通；支持特定的點到點和點到多點服務，以實現一些特殊應用，如遠程信息處理；GPRS也允許短消息業務SMS經過GPRS無線信道傳輸。

（4）GPRS采用封包式傳輸，可以實現基于數據流量、業務類型及服務質量等級（QOS）的計費功能，計費方式更加合理，用戶使用更加方便。

（5）GPRS采用分組交換技術的傳輸模式，多個用戶可高效率地共享同一個信道，從而提高了資源的利用率，優化了對網絡資源和無線資源的利用。

（6）GPRS的安全功能同現有的GSM安全功能一樣。身份認證和加密功能有SGSN來執行，不過GPRS所使用的安全密碼算法是專門為分組移動數據傳輸業務所優化過的。

（7）在核心網中，引入GPRS支持節點（GSN），SGSN和GGSN（統稱為GSN）采用分組交換平臺方式，定義了基于TCP/IP協議的GTP方式來承載高層數據。SGSN與MSC（移動交換中心）在同一等級水平，并跟蹤單個MS的儲存單元，實現安全功能和接入控制，節電SGSN通過幀中繼連接到基站系統。GGSN支持與外部分組交換網的互通，并經過基于IP的GPRS骨干網和SGSN連通。

2.2.2 GPRS應用范圍

GPRS網絡拓撲結構圖和SMS的相同，對于覆蓋面廣且要求監測點隨時隨地接入到網絡，基于IP的底層網絡以及高效的傳輸速率，GPRS傳輸就比SMS更加合適。如應答式傳輸模式，需要數據中心給各監測點發送握手信號，當對應的監測點收到握手信號后返回本監測點的在線信息及TCP/IP信息，雙方建立網絡通信鏈接后，數據中心再發送采集命令，監測點收到采集命令執行數據采集后，將本監測點采集的數據返回給數據中心方。這樣要求實時在線基于TCP/IP協議的通訊模式就需要采用GPRS的傳輸模式。GPRS數據傳輸模式可針對于滲流壓力水位監測，滲流壓力水位的傳感器需要MCU發送采集命令給各個傳感器對應的通道地址，當傳感器收到采集指令后將給MCU返回應答信息，同時將采集到的數據返回給對應的通道地址的MCU，最后在大壩安全監測系統中才能查看到各個在線的滲流壓力水位傳感器所采集的數據。

2.3數傳電臺的特點及應用

2.3.1 數傳電臺的主要特點

數傳電臺可長期處于無人值守的工作狀態，而且工作環境很復雜，大壩安全監測的監測點幾乎都是安裝在野外，偏遠地區的供電狀況也不穩定，高山上的監測點溫差變化較大。數傳電臺的特點主要表現在以下幾個方面：

（1）數傳電臺擁有高可靠性和高頻率穩定度，數傳電臺通信系統的傳輸誤碼率（BER）極低。誤碼率是計算可靠性的重要指標，數傳電臺通信的誤碼率為0.000 000 1，極低的誤碼率能保證數據的準確傳輸。

（2）設備抗干擾能力強，散熱性佳，能適應在惡劣環境及電磁環境下長期工作，其工作溫度范圍寬，其適應性可滿足不同的惡劣環境。

（3）工作時待機電流小，功耗低，工作電壓的范圍較寬，有電源的逆轉保護。能適應交流電和直流電，可采用市電220 V交流電供電，也可通過太陽能板和蓄電池等多種方式供電。

（4）數傳電臺響應時間短，收發轉換時間一般小于40 ms。

2.3.2 數傳電臺應用范圍

SMS和GPRS傳輸都離不開電信基站的支持，而數傳電臺為點對點，電臺與電臺之間的通訊。中間無其他傳輸介質，穩定可靠，檢修容易。數傳電臺的網絡拓撲圖，見圖2。

圖2數傳電臺網絡拓撲圖

相對于水庫中副壩的大壩安全監測點，有的監測點在人煙稀少的地方，沒有或者很弱的移動網絡信號，這樣導致監測點的數據無法與數據中心進行連接。此時就需要考慮通過大功率的數傳電臺讓兩者之間進行無線通訊，實現數據傳輸。或者直線距離只有5 km且地勢復雜施工難度大的情況下，可以考慮用小功率的數傳電臺進行無線通訊，可以達到快速布網，檢修方便的目的。

3 總結與展望

3.1 總結

大壩安全監測的重要性已經被越來越多的人所認識到，大壩安全監測的可持續性發展對于國家經濟有著至關重要的作用。而無線傳輸技術的發展對大壩安全監測事業能夠不斷發展起著重要的保障作用。3.1.1分析比較

本文提出的大壩安全監測無線數據傳輸方式，主要分為SMS、GPRS和數傳電臺傳輸，以下對這三種方式在傳輸特點和使用費用進行分析對比。

（1）SMS傳輸方式。

傳輸特點：傳輸距離不受限制，以點對點進行傳輸，數據有延時，穩定性受移動信號影響。

使用費用：包含設備購置安裝費和通信費用，通信費用以條計算，有數據長度限制。

（2）GPRS傳輸方式。

傳輸特點：傳輸距離不受限制，可點對點或點對面進行傳輸，鏈路有丟幀可能導致部分數據丟失，穩定性受移動信號影響。

使用費用：包含設備購置安裝費和通信費用，通信費以流量計算。

（3）數傳電臺傳輸模式。

傳輸特點：傳輸距離有限制，可點對點或點對面進行傳輸，數據傳輸響應快，穩定性主要受設備決定。

使用費用：設備購置安裝費。

3.1.2 歸納總結

經過分析比較，在大壩安全監測方面，以上三種傳輸模式可分別用于三種類型的無線數據傳輸。

（1）使用定時收發數據且對不受數據延時影響的無線傳輸模式可采用SMS傳輸方式。

（2）使用多點數據傳輸且發送數據量較大的無線傳輸模式可采用GPRS傳輸方式。

（3）使用條件惡劣且無移動網絡覆蓋的情況下或者一次性投入成本的可選擇數傳電臺傳輸。

每個水庫的特征都不一樣，那么監測的項目也各不相同，大壩安全監測的監測點使用哪種無線傳輸方式才能滿足實際應用中的要求取決于所處位置及傳輸條件。

3.2 展望

隨著我國國力的不斷增強，通訊技術的日益進步，未來大壩安全監測數據傳輸可以采用更加先進的技術提升無線傳輸的質量和速度：

（1）移動網絡對水庫大壩進行全覆蓋，保障水庫大壩無盲區。

（2）建立大壩安全監測APN移動專網，保障數據通訊暢通。

（3）水利部門移動網絡的升級，網絡速率進一步的提高。

（4）衛星通訊對水利部門的無線數據傳輸的大力支持。

2016-10-15）

王欽（1981-），男，湖南長沙人，工程碩士，工程師，主要從事計算機科學與通訊及大壩安全監測研究工作，手機：18573179961。