汾河水库、汾河二库大坝安全监测系统公网无线数据传输方式研究

那 巍 贾淑丽 吴秋晨

（1.山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心 山西太原 030001；2.山西天宝鸿业科技有限公司 山西太原 030001）

汾河水库、汾河二库大坝安全监测系统公网无线数据传输方式研究

那 巍1贾淑丽2吴秋晨1

（1.山西省西山提黄灌溉工程建设管理中心 山西太原 030001；2.山西天宝鸿业科技有限公司 山西太原 030001）

文中主要阐述了GPRS/3G/4G无线传输方案，实现了对无人职守设备的24 h监控，并探讨了相关的技术重点及实现数据传输的可行性。汾河水库、汾河二库大坝不同监测项目监测终端借助于GPRS/3G/4G网接入Internet网络与控制中心实现远程数据传输。

公网无线数据传输；4G路由器；多个GPRS设备组网

0 引言

随着移动通信技术的不断发展GPRS/3G/4G技术也越来稳定、可靠，在各行业中的应用也更加广泛，该技术覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高，是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，不经过PSTN（公用电话交换网）等网络的转接，可直接与Internet网互通[1-3]。

山西全省现役水库640余座，不仅分布广，而且大多位置较为偏僻，结合当前山西省水库大坝安全监控系统建设实践，为实现监测数据的集中管理目标，探寻科学合理的公网无线数据传输方式具有积极意义。

1 技术路线和研究方法

1.1 大坝安全监测数据传输方式研究的必要性

鉴于水利信息的安全性及目前计算机网络远程接入技术的发展，汾河水库、汾河二库的大量监测和视频数据采取数字电路专线传输到省中心平台是目前最有效、经济、安全的方法。但要实现水库到省平台的数据传输方式，有如下几个重要因素需要研究：

1）对大中型水库而言，如果能把数据传输到省中心平台的数字专线只有一条，一旦连接这条数字专线两端的设备、线路或采集服务器等出现故障，则整个水库大坝的监测数据将不能及时传输到省中心平台。

2）水库有多个MCU通过光纤连接采集服务器，如果连接某个MCU的光纤或两端连接设备出现问题，则这个MCU所采集的数据也不能及时传输到省平台。

3）对于小型水库，由于监测数据量小，如果通过数字专线来传输数据，代价非常之大，而通过GPRS/3G/4G把水库MCU数据直传省中心又非常必要。

4）对于偏远或通信不方便的区域，前端传感器采集的数据可以直接通过GPRS/3G/4G传输到省中心，不再需要采集服务器等较大的硬件投资。

目前移动通讯技术已稳定成熟且覆盖范围广，所以研究大坝安全监测数据通过GPRS/3G/4G直传省中心是非常重要和必要的。

1.2 各种无线数据传输的对比

无线数据传输根据传输距离远近主要分为近距无线传输和远距无线传输两类。

近距无线传输主要包括无线局域网802.11（Wi-Fi）、超宽频 UWB（Ultra Wide Band）、ZigBee、短距通信（NFC）、蓝牙（Bluetooth）、红外数据传输（IrDA）、WiMedia、GPS、DECT、无线1394和专用无线系统等。此类传输方式受限于传输距离，无法应用于长距离的数据传输。

远距无线传输主要包括微波和借用公网通道的GPRS/2G/3G/4G。微波传输在无障碍、发射端和接收端相对的情况下，点对点可进行5 km内的稳定连接，因水库遍布全省且有大山阻隔，微波传输不适用于水库监测管理数据的传输。

无线公网GPRS/2G/3G/4G通信技术目前发展都已非常成熟，特别GPRS/2G/3G通信覆盖范围广泛，其中传输量速率方面 2G为 9.6Kbit/s，GPRS为115kbit/s，3G 可达 16Mbit/s，4G 可达 100Mbit/s，所以实际应用中可根据不同的水库安全监测数据流，采用不同的无线公网传输方式。

1.3 组网方式的对比

无线公网GPRS/2G/3G/4G网络具有组网便捷的特点，可兼容市场上所有802.11a/b/g客户端，同时满足各种终端（包括嵌入式终端、移动终端等）的数据传输需要[2]。

基于GPRS/2G/3G/4G网络有三种可行组网方案，分别为：数据中心公网动态IP＋DNS解析服务；数据中心公网固定IP；无线VPDN方式。

1）数据中心公网动态IP＋DNS解析服务组网方案

数据中心通过无线网卡接入Internet网络，大坝前端传感器与无线DTU相连接入Internet。这种方式获取的都是公网动态IP，前端与数据中心无法直接建立连接。

该组网方式须先申请域名，然后与DNS服务商联系开通动态域名，在数据中心展示平台运行动态域名进而解析客户端程序，最后各站位先采用域名寻址方式连接到DNS服务器，再与数据中心的公网动态IP建立连接，最终完成监测数据的传输，网络结构如图1。

图1 网络结构图

2）数据中心公网固定组网方案

由于数据中心的服务器具有公网固定IP，大坝各站位直接向数据中心发起连接。

这种组网方式运行稳定可靠，网络结构如图2。根据水库大坝安全监测技术要求，本次采用数据中心具有公网IP的方式进行数据传输。

1.4 数据传输方式研究的主要内容

以GPRS/3G/4G为主要公网无线传输方式进行大坝安全监测数据传输，如果有MCU的通过MCU无线直传；无MCU的（如全站仪、北斗GPS变形监测、环境量等数据的传输）从采集服务器到云平台服务器传输。

通过GPRS/3G/4G移动网络实现多路MCU采集数据无线直传及PC数据的公网无线数据传输。

1.5 多个MCU公网无线数据直传的实现方法

1）MCU大多数是485/232串口输出，不仅要通过有线(如光纤等）连接本地采集服务器，而且要通过GPRS公网直接传输数据到省数据中心，同时要保证有线和无线传输的数据一致。所以要解决几个技术问题，一是多个MCU 485/232串口数据如何转换到GPRS网络传输及接收，也就是多个GPRS设备组网进行数据传输；二是保证有线和GPRS/3G/4G无线数据采集不冲突及数据的一致性、完整性。系统网络结构如图2所示。

图2 MCU无线GPRS数据直传网络示意图

2）mServer是开发在Windows操作系统上的无线通信服务软件，实现了GPRS数据传输[4]。它包括后台服务程序和前台控制台程序。

其中，后台服务程序以Windows服务的形式运行于操作系统后台，负责无线数据终端和DCC（用户数据服务器）的通信，包括对无线数据终端的管理、测试、数据收发等功能，以及与DCC之间的数据交互。管理员通过前台控制台程序对后台服务程序进行配置以及对终端进行管理，不需要新启动服务。

前台控制台程序，在不需要时，可以关掉程序但不影响后台服务运行。终端（mDevice）通过 UDP、TCP、ETCP三种方式和 mServer相连，DCC则通过TCP方式和mServer相连。mServer可以接受多台终端同时连入和多个 DCC同时连入，从而解决了多台GPRS终端安全、稳定的组网、数据传输，其系统结构如图3所示。

图3 MCU无线GPRS数据直传网络示意图

3）接收及数据处理程序通过与mServer数据服务中心进行数据交换，并通过自定义的握手信号来实现数据的完整性和一致性。

1.6 PC端到服务器端的公网无线数据直传实现方法

传统的4G公网无线路由器接入网络设备的方法，是通过DMZ主机在无线路由器上面做一个DMZ主机设置。然后在公网上通过访问无线路由器拨号后得到的IP来访问网络，这种方式使用方便，但是受到以下问题的限制，分别是：

1）拨号后得到的IP地址为内网地址。

2）拨号得到的IP地址从公网不能访问到无线路由器。

3）拨号得到的IP地址是动态地址，每次得到的IP地址都是不一样的。这种情况下可以通过动态域名方法解决访问问题，但是免费的动态域名不能保证稳定可靠。

通过VirHub软件可以解决以上问题，并搭建、使用无线远程系统。4G无线路由器通过3G/4G网络连接到Internet，并和服务器端的mServer建立连接，在服务器上则运行VirHub软件，也连接到mServer上。把VirHub服务的IP地址和服务器的IP地址设置在一个网段，这样就把PC端电脑通过4G路由器和服务器连接起来，相当于所有设备在一个虚拟的局域网内，可以实现自由的通信，然后通过专用数据传输来实现数据交换。

PC端到云服务器通过公网无线4G数据的直传主要是通过4G设备组网，并通过上述Virhub路由软件和mServer服务软件来实现。

1.7 安全性

数据传输采用对称加密的方法，采用DES算法，加密和解密用户约定的密码，保证了数据的安全性。

2 试验过程

2.1 开发过程

从2016年3月1开始到2016年7月30日，在汾河水库、汾河二库、水利厅信息中心进行GPRS/3G/4G无线公网组网、软件开发与测试等大量的工作，实现了无线公网GPRS/3G/4G多设备组网及数据安全、可靠、稳定的传输。

1）2016年3月，无线公网GPRS/3G/4G硬件选型及底层开发接口研究。

2）2016年3-4月，无线公网GPRS/3G/4G设备与MCU接口研究与开发。

3）2016年4-6月，无线公网GPRS/3G/4G直传软件系统的开发，包括从MCU、传感器和采集服务器直传省中心。

4）2016年6-7月，整个系统无线组网及直传软件系统的调试。

5）2 0 16年7月，汾河水库、汾河二库无线组网及调试。

2.2 发现的问题及创新

1）网络的连接和稳定

因为无线公网的稳定性受信号的强弱的影响比较大，我们根据实际环境除选用接收信号能力较强的天线及通过延长天线与4G设备的连线来让天线处于接收信号较好的环境。同时通过软件的握手信号及协议来解决连接和传输的稳定性、可靠性问题。

2）多个GPRS设备组网及通讯的协调

本次试验有多台GPRS/3G/4G设备接入，采用SOCKET技术及轮询的方式来协调多个设备的数据传输，从而保证设备之间不冲突。

2.3 项目的先进性和创新性表现

该试验研究实现了多台GPRS/4G设备组网，并通过GPRS/3G/4G公网进行大坝安全监测数据的传输，解决了MCU直接通过GPRS数据传输和PC端之间通过4G路由器间的数据交换，在山西大坝安全监测系统中实现了通过公网无线GPRS/3G/4G的数据直传。

3 总结

通过对无线公网GPRS/3G/4G数据传输的具体试验及研究，实现了汾河水库、汾河二库MCU采集数据直传省中心和汾河水库、汾河二库其它PC端数据通过3G/4G无线网络直传省中心，经过一段时间的试验运行，系统运行稳定可靠。该技术的应用，保证了汾河水库、汾河二库在有线网络发生故障时，可使用无线GPRS网络来实现数据传输，从而为山西省大坝安全监测系统运行的可靠与稳定提供支持，同时也为山西省数百座中小型水库安全监测数据的传输提供了可靠的技术基础。

［1］孙学康，刘 勇.无线传输与接入技术［M］.北京：人民邮电出版社，2010.

［2］陈马寿.CDMA无线网络在海洋站数据传输中的几种组网方式［J］.气象水文海洋仪器.2013（1）:25-27.

［3］林稳章.宽带与数据传输设备及实训［M］.成都：西南交通大学出版社，2015.

［4］李少谦.认知无线网络无线传输技术［M］.北京：国防工业出版社，2014.

Study on the Pattern of Wireless Data Delivery for the Dam Safety Monitoring System Internet of Fenhe Reservoir and Fenhe Second Reservoir

NA WeiJIA Shu-liWU Qiu-chen

The GPRS/3G/4G wireless data delivery plan is mainly introduced in the paper，in which the unmanned controlling equipment monitoring of all the day is realized，and the relative key points of technology and the feasibity of realizing the data delivery are probed.With the help of GPRS/3G/4G，the monitoring terminals of different monitoring items of dams of Fenhe Reservoir and Fenhe Second Reservoir are connected to the internet and the control centre，so that the long distance data delivery can be realized.

internet wireless data delivery；4G router；GPRS diveces networking

TP277

B

1006-8139（2017）02-077-03

2016-11-03

2017-01-18

山西省水利科学技术研究基金项目：水库大坝安全智能监控系统关键技术研究与应用（项目编号：201402）

那 巍（1976-），男，2008年毕业于中国农业大学，高级工程师，主要从事农田水利工程建设管理和水库大坝安全管理工作。