基于GPRS/CDMA通信的山洪灾害预警系统解决方案

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   需求现状     山洪灾害是山丘区在一定强度或持续的降雨下，因特殊的地形地质条件而发生的自然灾害，它具有突发、破坏性大、防治困难的鲜明特点，山洪及其诱发的泥石流和滑坡，往往对局部地区造成毁灭性灾害，对国民经济和人民生命财产造成重大损失。近年来，我国山洪灾害问题日益突出，每年都造成大量人员伤亡，严重影响社会经济发展。在党中央和国务院的重视下，水利部会同国土资源部、中国气象局、建设部、国家环保总局，在2003-2005年开展全国山洪灾害防治规划设计工作，并于2005年起，在全国进行了山洪灾害的防治建设试点工作。山洪灾害的防御策略是“以防为主，防重于抢”，防御防治的方法是既要采取工程措施，提高工程防洪标准，也要采取非工程措施，建立综合防洪减灾体系，提高防灾抗风险能力。
     建立山洪灾害预警系统，是国家防治山洪灾害的一项重要的非工程性措施。山洪灾害预警系统体现监测、通信及预警一体化，由监测子系统、通信网络子系统、决策支持子系统、预警子系统组成。
     系统通过利用和重建气象站网、水文站网、地质灾害站网，对汛情和灾害情况利用时下先进的CDMA/GPRS等通信技术进行实时监测，并对信息进行加工处理，利用监控软件自动进行预测、预警，通过各种有关的预警通知和警报设施，提前通知有关成员单位、防汛责任人，通知危险区居户，做好山洪抢险组织、转移撤离准备，最大地减少人员和财产损失，提高对山洪灾害快速、全面、准确的预报、预警以及指挥调度的技术手段。
    CDMA和GPRS网络剖析
     目前，基于GPRS/CDMA无线数据传输业务广泛在移动办公、工业控制、远程遥测等多方面应用，网络运营商中国移动GPRS和联通CDMA各有其特点。
     GPRS(GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
     GPRS是在现有的GSM网络基础上叠加的一个新的网络，同时在网络设备上增加一些硬件设备，并对原软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体。GPRS能给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项无线高速数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行Internet浏览、即时聊天等。
     GPRS系统使用现有的GSM无线网络。GPRS和GSM共用相同的基站和频谱资源，只是在现有的GSM网络基础上增加了一些硬件设备和软件升级。因此，实现GSM升级至GPRS非常容易，且中国移动借助原GSM网络，所以GPRS覆盖非常广。目前中国移动GPRS网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及240多个城市。
     CDMA是码分多址的英文缩写(CodeDivisionMultipleAccess)，它是在数字技术上的分支—扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。
     CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS95是CDMAONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS95A，这一标准支持8K编码话音服务。在ITU向各国征求第三代移动通信无线候选技术时，IS95由于刚取得商用成功，美国TR45标准委员会没有将很多精力放在第三代标准的研究上，而是正在努力完成IS95B的标准。
     在ITU的要求下，在当年提出了CDMA2000的第三代标准，即CDMA20001X和3X(1X代表其载波一倍于IS95A的带宽，3X代表其载波三倍于IS95A的带宽)，3X又分为下行直接扩谱和三载波两种方式，后来直接扩谱CDMA2000部分与WCDMA进行了融合，所以实际上目前的CDMA2000就只包括CDMA20001X和三载波方式3X。
     CDMA 1X是指CDMA 2000的第一阶段(速率高于IS95，低于2Mbit/s)，可支持308kbit/s的数据传输、网络部份引入分组交换，支持移动IP业务。是在现有CDMA IS95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组IP形式的数据业务。
     CDMA基于扩频技术，占用的是全新的800M频段（GSM占用的是900M频段），所以不能在原GSM设备上直接升级。目前，中国联通通过二期工程建设，对CDMA网络进行了网络优化和提升，网络从IS95升级为CDMA1X网络；同时建成覆盖全国31个省(自治区、直辖市)的无线数据网。
    防汛监控主要通信方式
     作为防汛信息传输的通信方式主要有：CDMA、GSM/GPRS、超短波/短波通信、帧中继、PSTN、DDN、卫星通信、微波通信、Internet等多种方式，其中超短波/短波、卫星通信、微波通信属于专网信道，其余为利用公网信道，防汛信息传输信道建设原则是以公网为主，专网相辅。（公网无需组建通信网络和中继站，专网则需有额外的网络投资。）
     随着通讯技术的发展，以CDMA、GSM/GPRS为主的移动通信网络发展迅速。目前，中国联通和中国移动网络覆盖广，各基站设备设施先进，对自然环境的抗风险能力较强，因此以CDMA、GSM/GPRS网络为基础形成的数据服务，不受地理环境和天气条件的限制，而组网方便,对应用所需的额外设备要求不高，投资和运行费用低，并且数据传输准确，安全可靠性高，时效性和带宽基本满足大部分业务的信息传输要求，因此在山洪预警系统里GPRS/CDMA无线传输通讯方式是当下最好的选择。
     宏电公司提供H7710CDMA/GPRS无线通信传输系统，利用中国移动或中国联通的传输网络采用数字扩频通信技术，速度快，传输效率高；易开发、可扩充、永远在线；并可提供TCP/IP连接，便于数据传输应用。因此在国内多数省市组建的山洪防汛预警系统中有着广泛而大量的使用。
    系统简介
     由宏电公司携手湖南、江苏、福建、广西、贵州、四川等地的防汛指挥部门和计算机测控中心设计的山洪灾害预警系统设计方案先后通过了各地专家评审，整个工程分雨水情自动监测站网建设、通信传输和网络系统建设、市防汛抗旱指挥中心环境建设、预警决策支持软件开发、预警广播系统建设等五个方面，具备多项技术创新点。

    信息流程采集示意图

    预警预报通信示意图

    信息全程示意图

    项目应用关键点
     山洪灾害预警通信传输机制的技术实现是本系统的关键之一，山洪灾害预警通信传输机制主要由两部分组成：
     (1)汛情信息的传输;
     (2)预警信息的传输。
     网络补充通讯方式衔接
     •广播
     •短信
     •电话
     系统在项目中的应用
     雨情、水情信息是重要的防汛信息，在山洪灾害预警系统中需建立一套快速及时、准确可靠、先进实用、高度自动化的境内流域水、雨情信息的监测系统，为防汛和山洪灾害预警提供决策支持。
     应用方式
     监测点

    　　　　　遥测水位、雨量站原理图

   　　　　　

    信号采集管理器

    通讯终端内嵌示意图

    DTU的设置

     H7710DTU同HNY-RT8内的单片机系统的232接口连接，由太阳能充电的电瓶提供12V直流工作电源，DTU的设置采用Windows系统自带的超级终端软件，设置非常方便、简单。一般需要设置数据中心（DSC）IP地址或域名、通讯端口、DTUID号码、通讯协议、串口设置等等。

    通讯协议的设置

     在GPRS/CDMADTU上可选择UDP与TCP传输协议。
     UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议，不提供可靠性连接，而TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流传输层服务。TCP以增加网络开销的方式提供传输保障。由于考虑到大中城市的通讯网络稳定成熟、监控点较多的情况，系统一般选用UDP的传输协议；在县市乡镇一级的通讯网络中，由于通讯网络的通讯效果不太好和监控点少的现状，系统一般选用TCP传输协议，两种通讯协议能够在一个大型通讯系统中并存，在保证通讯效果的情况下，又减少了网络通讯费用。
     本套应用方案经测试，从采集终端发出数据包到数据中心收到数据包仅需1-2秒钟，实时性满足山洪灾害预警的需要。
    监测中心
     监测中心（即数据中心）可以分级设在各级防汛指挥部办公室的中心机房内，主服务器采用WindowsServer2003操作系统，数据库采用SQLServer 2000。各个监测中心与各个监控点采用宏电GPRS/CDMA通讯系统建立通讯，各个监测中心采用专用光纤同电信的Internet连接，并具有公网IP，防汛网络同Internet的连接通过硬件防火墙进行物理隔离。在具有internet连接的各个监控中心，可以用宏电的GPRS/CDMA无线通讯系统进行点对点、一点对多点的通讯，以备在internet网络不畅的情况下做应急通讯备份。
     所有来自遥测站的数据包经过网络（CDMA/GPRS和Internet）首先进入具有固定的IP地址的硬件防火墙，硬件防火墙通过端口映射功能将数据包转发到主服务器上，再由数据中心程序(软件)将数据读出并进行分析，最后写入数据库。

    　　　　　　　设备状态监视情况

    后台服务程序
     数据中心的程序是在宏电公司提供的动态链接库和Demo程序的基础上开发的，主要用于远程DTU发送过来的数据接收，以及DSC对远程DTU的进行参数修改、指令下达等数据发送方面。
     程序安装在防办的主服务器上，是以后台方式不间断的服务。接收的数据直接写到主服务器的数据库中，同时对接收、发送以及程序的运行状态以日志方式进行记录，以便维护和管理查询。
    应用模式介绍
     山洪灾害预警系统对外部提供WWWWeb服务，用户可以通过Internet网络登录该系统Web服务器访问预警决策系统来进行汛情信息服务。
     但对于无法进行Internet连接的用户，我们开发了专用汛情接收设备，该设备可接收数据中心发送过来的各种监测信息，如实时雨量，水位，警戒指标，调度操作指令以及远程测站、机房的设备监控信息（如电池电压等、防盗等）。
     山洪灾害预警系统可以承载图像、视频监控，在数据采集终端增加相应的摄像机，将摄像机布置才在山洪流经的山谷、堤坝渗漏的小沟处，通过视频服务器进行图像处理后就可以通过宏电H7921CDMA/GPRS路由器进行传输，传输速度达到171.2—308Kbit/s，能够满足实时对山洪、堤坝、水库等危情发生前的情形监控。
     设备采用PC104嵌入式模块、工业级触摸屏、以及宏电的H7710CDMADTU组成，设备可内置电源系统，能24小时不间断运行。本终端设备改做成便携式装置，用于车载和携带，形成移动监控平台。
    广播系统的组成
     山洪灾害预警系统除了根据预警条件，按照相应的预警级别自动启动（或会商后人工启动）短信、电话来通知防汛成员单位责任人、有关乡镇、村负责人以及农户外，还需在危险区域的重点防范地方、集中院落设立广播预警系统。

    　　　　　　　广播预警装置

     广播预警系统由单片机处理单元、语音芯片、无线广播控制主机、接收装置以及警笛和大功率高音喇叭等声光装置组成。

    　　　　　专用防汛报警仪工作原理图

    应用方式
     广播预警系统同样通过CDMADTU接收数据中心发过来的预警信息。单片机接收到中心预警包后，分析预警级别，再发送预警包给语音芯片，语音芯片通过喇叭发出特定预警语音，告知附近村民采取相应措施。经过现场实际验证，数据中心发送预警包后，3秒钟左右可以发出预警。
    总结
     利用CDMA/GPRS网络，以及所提供的数据服务，借助宏电公司的CDMA/GPRS通讯产品，能够顺利完成各级山洪预警系统中的监测采集站网的汛情信息传输、监测中心的监测信息传送以及预警广播信息的传送，为山洪灾害的及时监测、预警预报，以及决策会商和指挥调度工作提供了畅通、快速、可靠稳定的通信信道。节省了传统询查的人力物力、回避了询查人员的生命安全隐患、为山洪发生地的广大民众抢得宝贵的预警数据资料和应急行动的时间。