灌区自动化系统通信方式设计方案比选

李 达，叶江南

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080)

我国陆地面积约960万km2，受季风影响，形成东南多雨、西北干旱和夏秋多雨、冬春干旱的特点。全国以多年平均降水量400mm的等雨量线为界，由东北斜向西南分为东西两部分，东部湿润多雨，是主要的农业区;西部干旱少雨，没有灌溉就很难发展农业。根据降水量的大小和农作物对灌溉的要求，全国可分为3个不同的灌溉地带。由表可以看出，我国大部分地区农业依赖于灌溉。

表1 灌溉地带分类

黑龙江省作为农业大省，全省粮食生产连续多年获得大丰收，总产相继登上了300亿kg、350亿kg和400亿kg共3个大的台阶，2010年首次达千亿斤。但农业基础设施仍较薄弱、农民科技素质较低的突出问题还没有真正解决。水资源调控能力低。全省农田水利设施薄弱，主要江河缺乏控制性工程，各类水库总蓄水能力只有85亿m3，地表水截留能力仅为23%，调控能力只有7%。农田有效灌溉面积仅占总面积的27%，明显低于全国40%的平均水平。为了实现国家的“千亿斤粮食产能”，更需要加快发展农业灌溉面积和提高灌区自动化管理水平。以下通过几种当前应用比较广的通信方式比较，选择适合灌区自动化系统的通信方式。

1 GSM通信

1.1 GSM移动通信

GSM移动通信和卫星通信、光缆通信一起，被列为现代通信领域中的3大新兴通信手段，也是近年来迅猛发展的一种通信资源。利用移动通信组建灌区自动化系统通信网有着广阔的前景。短消息业务与话音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转功能，每个短消息的信息量限制为140个8位组(7比特编码，140个字符)。短消息业务(Short Message Service)是GSM系统中提供的一种GSM手机之间及与短消息实体(Short Message Entity)之间通过业务中心(Service Center)进行文字信息收发的方式，其中业务中心完成信息的存储和转发功能。短消息业务可以认为是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式，它不需要附加其它较为庞大的数据终端设备，仅使用手机就可以达到进行中、英文信息交流目的。由于作为公网的GSM网络具有覆盖面广、网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用，同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。利用GSM短消息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程监控设备的通信提供了一个强大的管理支持平台。

采用移动通信技术组建通信网，其工作原理与传统的组网方式大体一致，不同的是收发信机换为GSM数传模块，每一次数据的传输都是以一条短信息来完成，发送端把数据按短信息的格式要求编码发出，接收端则按约定的通信协议对每一条短信息解码并处理入库。

1.2 GSM移动通信信道组网的优点

1)利用公网，不需自建和维护通讯网;

2)信道使用不受限制，简单易行;

3)通信平台有保障，且不同站点的传输信号之间不产生相互干扰;

4)通信距离不受地形地域的限制;

5)通信速率较高;

6)通信线路和设备不易遭受雷电袭击和人为破坏;

7)组网灵活，站点的变动和扩充容易。

1.3 GSM短信息通信组网的缺点

1)当前GSM网络覆盖的限制，可能有些偏远的站点无法通信组网;

2)短信息的接收会出现时延(平均约11 s)的现象，实施时要根据系统规模考虑解决瓶颈的问题，目前通过中国移动提供的短信网关解决此类问题;

GSM短信息通信组网原理框图如图1所示。

图1 GSM短信息通信网原理示意图

2 GPRS移动通信方式

2.1 GPRS移动通信

GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务是一种基于包的无线通讯服务。理论上它将使得通讯速率上升到115kbps，并且支持计算机和移动用户的持续连接。GPRS也是基于GSM网络的，在理论上，GPRS包服务的花费将比电路交换服务所花的费用要少，信道是共享使用的，在需要的时候才有包产生，因此比专用的连接要节省很多资源。它将使得为用户提供应用服务更加简单。因为以往为了适应终端设备的缓慢速度而增加的缓冲中间件(Middle-Ware)已经没有必要了，GPRS移动用户可以随时访问自己的虚拟专用网络(VPN)，而不是每次都需要拨号上网。GPRS是按GSM标准定义的封包交换协议，可快速接入数据网络。它在移动终端和网络之间实现了‘永远在线’的连接，网络容量只有在实际进行传输时才被占用。GPRS的实际速度典型值比理论速度慢，介乎14.4 K～43.2 K(上下行非对称速率)左右。GPRS将是第一个实现移动互联网即时接入的标准，也是迈向3G/UMTS的过程。

采用移动GPRS技术进行网络数据传送，费用低，使用方便，不受地域限制，便于业务发展，具有很好的发展趋势，从GSM到GPRS到将来的3G，是一种更经济便捷的通讯之路，可以构架更为广泛的通信网络，实现灵活的信息网络传输。

GPRS是基于数据分组传送的，能提供连续不间断的数据通信业务，具有比SMS更好的数据传送速度和能力，且能够始终在线，通信费用是按照实际传送的数据字节进行结算的，运行费用低。

图2 GPRS通信网原理示意图

2.2 应用GPRS传输数据的优点

1)相对 GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式，GPRS是分组交换技术，具有“高速”和“在线”的优点。电路交换数据业务，速率仅为每秒9.6 K比特，GPRS的最高速率可达每秒115K比特。

2)除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。有数据传送时就在无线信道上发送和接受数据，没有数据传送，终端就进入一种“准休眠”状态，释放所用的无线频道给其他用户使用，这时网络与用户之间还保持一种逻辑上的连接，当用户再次传送时，终端立即向网络请求无线频道用来传送数据，不需频繁拨号。

3)根据灌区数据传输应用的特点，选择了在灌区分中心采用GPRS无线MODEM进行接入的应用方式，为用户建立自己的无线VPN专用数据网，提供各种速率的高质量、透明数据传输的永久或半永久性专用通讯链路，在(分)中心端和远地遥测端，数据的传输均通过GPRS无线DDN来实现。无线DDN利用GPRS移动数据通信网络组成的数字数据传输网络，适合多点分散的数据传输，适合中小数据通信量的数据传输，也适合野外环境条件差的使用环境。

申请了专用VPN后，移动运营商分配给数据中心Modem网内固定IP地址;数据中心通过无线GPRS Modem与遥测站实现多点对中心数据通信，远地遥测站根据配置的数据中心网内IP地址与数据中心建立数据通道。这种接入方法的优点是:

①数据在自己的VPN专网内进行通讯，外界的终端或节点不能进入，数据安全性好;②数据在自己的VPN专网内进行通讯，也保证了数据传输的实时性;③接入成本仅为DDN专线接入的1/3。费用降低，使用带宽在40～80 K，通讯性能完全满足水情报文数据传输要求;④中心接入点或遥测站均可绑定内网固定IP，偶尔掉线可以自动上线，不会丢失地址。

4)设备耗电小，费用相对较低。

3 卫星通信方式

3.1 卫星通讯

随着科学技术的进步，卫星通信应用越来越多。卫星通信组网就是在遥测站配置“数据采集平台”(DCP)，将灌区信息发射到卫星，经卫星转发到地面网管中心，登记后再由网管中心将信息发到卫星，然后转发到地面接收平台(DRP)。

在部分地区移动通信网络没有覆盖到，PSTN线路架设困难，对于超短波通信又需一级或多级中继站的遥测站点采用卫星通信，是一种比较可行的办法。根据国内遥测系统应用卫星通信的情况来看，雨衰是影响卫星通信可靠性的一大问题。目前，国内应用于水情通信的卫星主要有:VSAT亚洲二号通信卫星、OmniTRACKS全线通卫星、北斗卫星、海事卫星(Inmarsat－C)等。VSAT卫星和全线通卫星由于通信频率采用KU波段，雨衰明显，使用效果不理想，设备体积也较大，安装要求较高。

经国家主管部门批准，规划北斗系统10%的容量供军方使用;90%的容量用以开发国内及亚洲民用市场，提供通信、导航、定位和授时服务。因此北斗系统就成为一种传输水情信息的可用资源。

3.2 卫星通信组网的优点

1)传输距离远、覆盖范围广、传输质量好;

2)由于各发射点、地面站与卫星之间采用视线传输，因而不受地形、地物的阻挡，特别适用于地形复杂地带的通信;

3)数传速率较有线、超短波方式高。

3.3 卫星通信组网的缺点

1)卫星平台耗电较大，采用直流供电时需配置较大容量的电池和浮充电设备，目前可考虑遥测站对卫星小站电源进行控制的方式;

2)卫星平台的价格较贵，运行维护费用也较高。

图3 卫星通信网原理示意图

4 PSTN(ADSL)有线通信方式

4.1 PSTN通信

发达国家使用有线PSTN(ADSL)组网方式的时间较长。我国由于通信条件的限制，发展较迟较慢。近几年，有线组网方式随着我国通信事业的迅猛发展，也开始广泛使用。它是利用公用电话线路，在每个遥测站架设一条电话用户线，与数据(分)中心之间利用电话拨号的方法建立通信链路，传输各遥测站的水情数据信息。

4.2 有线通信组网的优点

1)建设成本低、见效快，有线组网的通信设备也较超短波、短波、卫星等通讯方式便宜;

2)通信平台有保障，不同站点的传输信号间不会产生相互干扰;

3)通信距离不受地形地域的限制。

4.3 有线通信组网的缺点

1)野外电话线缆易遭受雷电干扰，易受人为破坏;

2)数据采集速度受电话线路质量和线路忙碌程度的影响，畅通率有时不高;

3)系统只宜采用召测工作方式，不宜采用自报方式，由于每一个站的应答查询均必须通过拨号、接通、传输、挂机等阶段，因此数据收集周期长。

5 结论

根据各种通信方式的比选并结合灌区自动化系统的实际情况，应选择结构简单、性能先进、可靠性高、防雷省电、便于维护的系统等原则，基于目前移动通信发展迅速，覆盖区域灌等特点，建议采用GPRS通信方式。本通信方式在黑龙江省的几个灌区中已经在实际运行。

［1］ 吉晔，张汉松，饭岛孝史.大型灌区管理信息系统的建立［J］.灌溉排水，2000，19(2).

［2］ 孙增义，吴跃，田秋生.水情自动测报技术基础及其应用［M］.北京:中国水利水电出版社.1999.

［3］ 冯广志.灌区信心化建设［M］.北京:中国水利水电出版社，2003.