CDMA通信技術在水利數(shù)據(jù)遙測中的方案

1、CDMA通信技術及軟件平臺在水利數(shù)據(jù)遙測中的應用1歷史背景分析及目前幾種通信方式比較1.1歷史背景分析水利數(shù)據(jù)的遙測在中國水利行業(yè)的應用已有多年的歷史，但隨著計算機和通信技術的飛速發(fā)展，水利數(shù)據(jù)遙測的傳輸方式也隨著變化。70年代中至80年代中期，行業(yè)內(nèi)主要采用國外進口或捐助的無線超短波設備進行傳輸。80年代中期后，水利部開始鼓勵國內(nèi)研究所和高校開始自行研發(fā)超短波遙測設備。90年代開始應用包括超短波、衛(wèi)星、PSTN有線公網(wǎng)和800M集群通信傳輸。但超短波傳輸一直扮演中非常重要的角色。90年代末期開始，已陸續(xù)利用INTERNET網(wǎng)絡技術和短信方式進行傳輸，但并未有大規(guī)模組網(wǎng)實施。1.2水利數(shù)據(jù)遙測

2、中幾種通信方式的比較水利數(shù)據(jù)遙測中通信組網(wǎng)方案是多種多樣的，但不外乎兩種類型，即單一通信方式和混合通信方式。常見的通信方式有：超短波、有線電話、衛(wèi)星、CDMA、GPRS等幾種，它們都可以單獨組成水利數(shù)據(jù)遙測網(wǎng)絡?；旌贤ㄐ欧绞接梢陨贤ㄐ欧绞讲煌M合而成，可以衍生出很多種組網(wǎng)方案。1.2.1 超短波超短波一般是指30MHz3000MHz頻段的無線電波，其傳輸機理是對流層內(nèi)的視距與繞射傳播。在水利數(shù)據(jù)遙測系統(tǒng)中，測站實測的水利信息，送入遙測終端機（RTU），經(jīng)過信源和信道編碼，由調(diào)制解調(diào)器調(diào)制成射頻載波，經(jīng)功率放大后發(fā)射到中繼站。中繼站接收到測站發(fā)來的射頻信號，解調(diào)成音頻信號，經(jīng)中繼儀解調(diào)成數(shù)字信號

3、、糾錯編碼、數(shù)據(jù)再生、調(diào)制、放大后發(fā)送回中心站；中心站將信號解調(diào)、信道譯碼和信源譯碼后，經(jīng)前置計算機送入主計算機系統(tǒng)。超短波組網(wǎng)的優(yōu)點：、技術成熟，設備簡單易于配套；、實時性好；、獨立性好，完全是自身的專用網(wǎng)絡。超短波組網(wǎng)的缺點：、在無線電通信擁擠的地區(qū)，干擾日趨嚴重；、防雷地網(wǎng)要求高，野外設備防凍害的技術措施難度大、成本高，建設費用大，維護管理不便；、對通信效果差的站點，需建多級中繼站級聯(lián)，降低系統(tǒng)可靠性。1.2.2 衛(wèi)星傳輸隨著科學技術的進步，衛(wèi)星通信應用越來越多。衛(wèi)星通信組網(wǎng)就是在監(jiān)測站配置“數(shù)據(jù)采集平臺”（DCP），將水利數(shù)據(jù)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

4、將信息發(fā)到衛(wèi)星，然后轉(zhuǎn)發(fā)到地面接收平臺（DRP）。在移動通信網(wǎng)絡覆蓋不到，而超短波通信又需增加中繼站的報汛站點采用衛(wèi)星通信，是一種比較可行的辦法。衛(wèi)星信道組網(wǎng)的優(yōu)點：1傳輸距離遠、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，特別適用于地形復雜地帶的通信；3數(shù)傳速率較有線、超短波和GMS組網(wǎng)方式高；4室外只有小天線，易避免凍害。衛(wèi)星信道組網(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備；2衛(wèi)星終端設備成本高，衛(wèi)星平臺的價格較貴，另外，雖然系統(tǒng)采取按時收費，但使用成本和運行維護費依舊很高。1.2.3PSTN有線組網(wǎng)方式

5、是利用公用電話線路，在每個監(jiān)測點分配一條電話用戶線，數(shù)據(jù)接收中心利用電話撥號的方法采集各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息。有線信道組網(wǎng)的優(yōu)點：1、 無需土建，建設成本低、建設周期短。有線組網(wǎng)的通信設備也較超短波、GSM、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易產(chǎn)生相互干擾；3、通信距離不受地形地域的限制；有線信道組網(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)量和線路忙閑的影響，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；4、線路走向需跨越橋梁、鐵

6、路、公路時，施工困難，投資費用高。2.1CDMA通信信道2.1.1 CDMA通信組網(wǎng)系統(tǒng)總體結構系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集點（遙測站點）、數(shù)據(jù)傳輸部分（CDMA通信網(wǎng)絡及光纖網(wǎng)絡）、后臺應用軟件（遙測應用平臺軟件）及中心站（分中心及總控制中心）四個部分組成。從數(shù)據(jù)流和控制流上，分中心（分局）到總控制中心、分中心與終端測站間均是星型結構。采集點n采集點2采集點2采集點1采集點1采集點nCDMA1X網(wǎng)CDMA1X網(wǎng)分中心1分中心2總控制中心采集點1CDMA1X網(wǎng)采集點2分中心n采集點n各分中心、總控中心的數(shù)據(jù)都是共享的系統(tǒng)工作原理及流程：遙測終端測站采集到數(shù)據(jù)可以通過兩種方式送到分局。一種是通過CDMA信道以

7、UDP或TCP 數(shù)據(jù)包形式送到。另一種是通過GSM信道以短信數(shù)據(jù)包形式送到。前置機取得數(shù)據(jù)后，處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)添加到本地數(shù)據(jù)庫和WEB服務器的SQL-SERVER數(shù)據(jù)庫中。WEB服務器將數(shù)據(jù)進一步處理并發(fā)布，本地局域網(wǎng)上的機器可通過WEB服務器對數(shù)據(jù)進行瀏覽、查詢。物理上前置機和數(shù)據(jù)庫和WEB服務器通過交換機相連。通過水文專用網(wǎng)絡將分局接收到的數(shù)據(jù)定時同步到省局，并添加到省局統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。2.1.2 遙測站結構遙測站由遙測終端機（RTU）、現(xiàn)代化信息采集裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置、遙測供電設備四部分組成。1、遙測終端機：遙測終端RTU連接到采集裝置，將采集裝置采集到的數(shù)據(jù)進行處理。2、現(xiàn)代化信息采集裝

8、置：可由水位計、雨量計、風向風速傳感器等各種智能傳感器組成，功能是對所需要的數(shù)據(jù)進行采集并將采集結果傳送給遙測終端機。3、數(shù)據(jù)傳輸裝置：CDMA無線數(shù)據(jù)通信終端。4、遙測供電設備：由太陽能電池板、太陽能充電控制器和蓄電池三部分組成，負責對整個遙測站點進行智能供電。遙測站利用遙測終端機（RTU）和信息采集裝置對雨量、水位點等數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲和傳輸控制后，通過CDMA通信終端與數(shù)據(jù)傳輸信道連接，將實時數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站，完成對水位、雨量和其它水文數(shù)據(jù)的采集和傳輸。太陽能電池板太陽能充電控制器蓄電池CDMA通信終端手機天線遙測終端機RTU水位傳感器雨量傳感器智能傳感器上下電控制2.1.3分中心結

9、構分中心是國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)中水情信息接收、處理、上報分發(fā)的最基層單位，也是計算機廣域網(wǎng)的節(jié)點，決策支持系統(tǒng)四級體系（中央、流域機構、省（區(qū)、市）、地（市）中的最低層。分中心由服務器、UPS供電部分、CDMA通信接收終端等組成。中心站通過安裝在服務器的應用軟件系統(tǒng)（遙測應用平臺軟件）對遙測站傳輸來的數(shù)據(jù)進行解碼、糾錯和合理性檢測后存入數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過分析處理供相關人員查詢、統(tǒng)計、顯示和打印，形成預報調(diào)度方案，最終通過共享方式提供給管理機構進行洪水預報和調(diào)度決策。系統(tǒng)分中心功能具體包括如下幾個方面：Ø 收集所有測站的數(shù)據(jù)，并自動入庫、備份；Ø 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至上級領導機構；Ø

10、; 遠程管理遙測終端；Ø 可以實現(xiàn)單站或多站召測；Ø 數(shù)據(jù)庫本地查詢Ø 主管人員遠程查詢中心站數(shù)據(jù)Ø 數(shù)據(jù)整編、數(shù)字顯示、報圖報表Ø 測站監(jiān)控功能Ø 系統(tǒng)告警指示Ø 遠程寫庫功能；Ø 遠程提取固態(tài)數(shù)據(jù)；Ø 故障后的數(shù)據(jù)恢復功能；Ø 數(shù)據(jù)維護（人工填補數(shù)據(jù)等）Ø 站點管理（改變屬性、配置參數(shù)、站點增減）分中心站接收CDMA通信終端傳送來的數(shù)據(jù)有兩種方式：1、 CDMA數(shù)據(jù)接收模式。2、 CDMA短消息接收模式。兩種數(shù)據(jù)接收方式如圖所示：UPS數(shù)據(jù)接收方式1CDMA通信終端手機天線UPS短

11、 信服務器數(shù)據(jù)接收方式2短信中心托管專線2.2 設備應用設計2.2.1 遙測終端機RTU遠程數(shù)據(jù)采集終端，又叫遙測采集終端，遙測終端機是以高性能微控制器為核心，具有眾多傳感器I/O接口和多個通信接口，集數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等功能于一體的高性能遙測數(shù)字終端設備。遙測終端機可以通過有線(PSTN、專線等)、無線（短波、超短波、微波）、CDMA移動通信網(wǎng)及衛(wèi)星通信（海事衛(wèi)星、VSAT、全線通、全球通、北斗衛(wèi)星）等通信組網(wǎng)方式，實現(xiàn)高效可靠的數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲以及傳輸?shù)热蝿?，并可實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程管理。該設備具有如下特點：ØØ按國家防汛指揮系統(tǒng)要求設計Ø

12、Ø三個RS-232C通訊口ØØ具有主備信道自動切換機制ØØ固態(tài)存儲器遠程、本地提取Ø可以發(fā)送人工觀測數(shù)據(jù)ØØRTU遠程管理ØØ預留智能接口，可接入智能傳感器ØØ本地顯示雨量、水位、電池電壓Ø低功耗（小于3毫安）2.2.2 CDMA無線數(shù)據(jù)通信終端在水文監(jiān)測、自來水、氣象、石油管道、煤氣管道、交通、移動通信、電力設備監(jiān)測等方面，因為分布點零散，每個點設備不多，所以對這些設備的實時監(jiān)測一直是難以解決的難題，鋪設線路成本高、維護費用高、不易調(diào)整。以CDMA DTU為主的C

13、DMA無線數(shù)據(jù)通信終端系統(tǒng)為用戶提供高速、永遠在線、透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶摂M專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡，可以在此基礎上做任何數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，而且按數(shù)據(jù)流量計算運行費用，運行成本低，無須對傳輸平臺維護。CDMA通信終端嵌入了TCP/IP協(xié)議，與RTU接口采用RS-232C標準接口，與RTU的通信協(xié)議采用AT指令，測試簡單方便，性能穩(wěn)定，利于維護。終端首先選擇CDMA方式傳送數(shù)據(jù)，如不成功就通過短信方式傳送。CDMA DTU主要功能：l     使用方便、靈活、可靠 l     支持CDMA網(wǎng)絡l    &

14、#160;符合CDMA1X標準 l     數(shù)據(jù)終端永遠在線l     實時時鐘 l     支持A5/1&A5/5加密算法l     透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換l     支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng) l     支持多數(shù)據(jù)中心 l     支持點對點、點對多點、中心對多點對等數(shù)據(jù)傳輸 l   

15、0; 短消息數(shù)據(jù)備用通道(選項) l     STK卡特殊功能配置 l     支持RS-232/422/485或以太網(wǎng)接口 l     支持音頻接口，方便維護操作l     系統(tǒng)配置和維護接口 l     通過X modem協(xié)議進行軟件升級 l     支持圖形界面遠程配置與維護(由數(shù)據(jù)中心集中管理) l    &#

16、160;支持空中軟件升級(選項)l     自診斷與告警輸出 l     抗干擾設計，適合電磁環(huán)境惡劣的應用需求l     極好的低溫和高溫工作性能(-30+70oC)2.2.3 供電設備遙測系統(tǒng)供電設備由太陽能電池板、蓄電池、太陽能充電保護器三大部分組成。遙測系統(tǒng)中，遙測站大多地處邊遠山區(qū)，由于農(nóng)網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，而且得不到連續(xù)供電的保證，因此不宜使用交流供電方式。為了保證遙測設備供電正常，所有遙測站推薦采用太陽能電池板浮充免維護蓄電池供電的方式，足夠保證遙測站設備正常工作。綜

17、合考慮遙測站平均日照、功耗、太陽能電池充電電流、負載相關系數(shù)以及電池充電安全系數(shù)，遙測系統(tǒng)供電設備將系統(tǒng)遙測站太陽能電池板功率配置為20W，蓄電池容量配置為24AH，通過太陽能充電保護器的控制，無論是哪種綜合遙測站，均可保證5天內(nèi)將蓄電池充滿，亦可保證陰雨30-50天情況下，遙測站設備運行正常。2.2.4傳感器傳感器主要依據(jù)需要采集數(shù)據(jù)類型來定。比如需要采集雨量數(shù)據(jù)選擇雨量計，水位數(shù)據(jù)選用水位計等。詳細的傳感器設備選型要從技術可靠性、運行費用、建設成本等方面進行綜合考慮。2.3遙測應用平臺軟件中心站測報軟件推薦鴻和達-水文遙測信息平臺軟件V2.1版本。由于該軟件符合鼓勵軟件產(chǎn)業(yè)和集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)

18、展的若干政策和軟件產(chǎn)品管理辦法的有關規(guī)定，經(jīng)過深圳市軟件評測中心根據(jù)信息技術軟件包質(zhì)量要求和測試（GB/T17544-1998）評測合格，由深圳市科技和信息局于2005年10月26日頒發(fā)了軟件產(chǎn)品登記證書。該軟件成功在多個水文水情信息采集遙測項目中應用，并獲得用戶的一致好評。2.3.1軟件構成綜合考慮中心軟件的需求和軟件的可靠行、可擴展性、實用性，提出以數(shù)據(jù)庫為核心的遙測信息平臺解決方案。總體結構圖如下圖所示。遙測信息平臺軟件由模塊化可以配置的通信值守和監(jiān)控、遠程管理和固態(tài)取數(shù)、數(shù)據(jù)庫維護和文件傳輸、信息查詢服務四個模塊組成。1、通信值守和監(jiān)控進行數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)入庫 ：·通過數(shù)字專線

19、或CDMA兼容模塊，實時接收測站的水雨情數(shù)據(jù)·對信息進行解碼并進行合理性檢查、分門別類將各種數(shù)據(jù)入庫·根據(jù)遙測站采集設備工作狀況及數(shù)據(jù)，分析遙測站的工作狀況，對系統(tǒng)運行狀況進行監(jiān)視2、遠程管理和固態(tài)取數(shù)完成遠程讀取和設置終端參數(shù)、遠程提取固態(tài)存儲數(shù)據(jù)·遠程向遙測站下發(fā)指令，命令遙測站批量上傳固態(tài)存儲數(shù)據(jù)或修改遙測站參數(shù)·將遙測站傳來的固態(tài)存儲數(shù)據(jù)處理成相應的數(shù)據(jù)格式，形成文本文件·終端信息管理·將本地存儲的實時水雨情數(shù)據(jù)整理為固態(tài)存儲數(shù)據(jù)文件形式3、數(shù)據(jù)庫維護和文件傳輸完成本地數(shù)據(jù)庫的維護和數(shù)據(jù)文本文件的遠程傳輸·提供正點、

20、加報數(shù)據(jù)按時自動傳送到省水情中心·本地數(shù)據(jù)庫的維護4、信息查詢修改服務·提供本地查詢和統(tǒng)計管理功能，包括實時數(shù)據(jù)、整點數(shù)據(jù)、水雨情加報、測站工作狀況、通信暢通率·提供遙測站屬性、參數(shù)管理功能，站點增減功能·提供人工填補數(shù)據(jù)功能·可以直接在局域網(wǎng)內(nèi)查詢遙測數(shù)據(jù)，監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)2.3.2軟件實施功能通過本軟件不但實現(xiàn)了水文數(shù)據(jù)的自動采集、遠程傳輸、處理如庫，滿足水情報汛的要求；而且在此基礎上實現(xiàn)了遠程修改測站運行參數(shù)和通訊參數(shù)；實現(xiàn)了通過自動測報系統(tǒng)建設，保證所有測站數(shù)據(jù)10分鐘收集到分局，15分鐘匯集到省局的要求；而且數(shù)據(jù)到分局和省局的時間都

21、有提前。1、總體上建立了以省局為中心的一體化信息系統(tǒng)2、提供了各分局自動控制本轄區(qū)水雨情采集的操作平臺通過通信監(jiān)控前置機，自動采集所有測站的水雨情信息并按照設定的工作方式發(fā)送到中心；可以對所有運行測站進行測站運行參數(shù)設置，控制測站的運行；可以通過CDMA信道遠程自動同時提取所有遙測站的歷史固態(tài)數(shù)據(jù)。2.3.3設計和應用的先進性 通過項目的實施達到和超過了招標文件的要求，得到了比預期還要好的效果。這主要得益于在軟件設計和實現(xiàn)階段，針對系統(tǒng)的特點采用了成熟和高可靠性的技術和設計方法。1、高可靠性設計通過環(huán)境可靠性設計、應用軟件自身可靠性設計、數(shù)據(jù)可靠性、固態(tài)存儲數(shù)據(jù)的可靠性等綜合考慮保證了系統(tǒng)整體

22、運行的高度可靠性。其中環(huán)境可靠性設計運用了軟硬件的容余設計，環(huán)境防毒、防攻擊設計；應用軟件自身可靠性設計應用了軟件本身的錯誤處理機制和監(jiān)控運行機制；固態(tài)存儲數(shù)據(jù)的可靠性運用了數(shù)據(jù)補發(fā)保證、本地遠程數(shù)據(jù)互備份機制；2、動態(tài)鏈接庫、多線程和線程同步、內(nèi)存共享技術動態(tài)鏈接庫應用方便代碼的復用、方便通信模塊的修改和升級；多線程和線程同步的應用保證了復雜的通訊過程的實現(xiàn)；內(nèi)存共享技術的應用實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)短時間的同步交互。3CDMA通信技術在水利數(shù)據(jù)遙測中的應用價值3.1從投資成本上來看目前應用的遙測系統(tǒng)一般都需要組建專門的通信網(wǎng)絡，覆蓋范圍大的可能還要加多級中繼，建設成本和建設周期相當大。而如果應用CDMA通信技術來傳輸數(shù)據(jù)，只需要一個CDMA通信終端模塊就可以了，數(shù)據(jù)的傳輸和傳輸質(zhì)量全由CDMA網(wǎng)絡運營商來保證，可以節(jié)約建設成本和建設周期。CDMA通信技術傳輸數(shù)據(jù)，由于電信部門的網(wǎng)絡相對水利系統(tǒng)是透明的，所以水利系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構就變得簡單，這樣就便于自動測報網(wǎng)絡投入使用后的維護和維修工作，節(jié)約維護和維修成本以及網(wǎng)絡的運營成本。通信費用低廉。雖然利用CDMA通信技術來實現(xiàn)遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸有需要收取通信費用的缺點，但相對來說，它的通信費用是相當?shù)土摹＞C合考慮整個工程的