基于GPRS/CDMA通信的山洪災害預警系統(tǒng)解決方案

需求現狀
山洪災害是山丘區(qū)在一定強度或持續(xù)的降雨下，因特殊的地形地質條件而發(fā)生的自然災害，它具有突發(fā)、破壞性大、防治困難的鮮明特點，山洪及其誘發(fā)的泥石流和滑坡，往往對局部地區(qū)造成毀滅性災害，對國民經濟和人民生命財產造成重大損失。近年來，我國山洪災害問題日益突出，每年都造成大量人員傷亡，嚴重影響社會經濟發(fā)展。在黨中央和國務院的重視下，水利部會同國土資源部、中國氣象局、建設部、國家環(huán)保總局，在2003-2005年開展全國山洪災害防治規(guī)劃設計工作，并于2005年起，在全國進行了山洪災害的防治建設試點工作。山洪災害的防御策略是“以防為主，防重于搶”，防御防治的方法是既要采取工程措施，提高工程防洪標準，也要采取非工程措施，建立綜合防洪減災體系，提高防災抗風險能力。
建立山洪災害預警系統(tǒng)，是國家防治山洪災害的一項重要的非工程性措施。山洪災害預警系統(tǒng)體現監(jiān)測、通信及預警一體化，由監(jiān)測子系統(tǒng)、通信網絡子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、預警子系統(tǒng)組成。
系統(tǒng)通過利用和重建氣象站網、水文站網、地質災害站網，對汛情和災害情況利用時下先進的CDMA/GPRS等通信技術進行實時監(jiān)測，并對信息進行加工處理，利用監(jiān)控軟件自動進行預測、預警，通過各種有關的預警通知和警報設施，提前通知有關成員單位、防汛責任人，通知危險區(qū)居戶，做好山洪搶險組織、轉移撤離準備，最大地減少人員和財產損失，提高對山洪災害快速、全面、準確的預報、預警以及指揮調度的技術手段。

CDMA和GPRS網絡剖析
目前，基于GPRS/CDMA無線數據傳輸業(yè)務廣泛在移動辦公、工業(yè)控制、遠程遙測等多方面應用，網絡運營商中國移動GPRS和聯通CDMA各有其特點。
GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務)作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術，是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)規(guī)范實現的內容之一，是一種基于GSM的移動分組數據業(yè)務，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。
GPRS是在現有的GSM網絡基礎上疊加的一個新的網絡，同時在網絡設備上增加一些硬件設備，并對原軟件升級，形成了一個新的網絡邏輯實體。GPRS能給用戶提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項無線高速數據傳輸技術，它以分組交換技術為基礎，用戶通過GPRS可以在移動狀態(tài)下使用各種高速數據業(yè)務，包括收發(fā)E-mail、進行Internet瀏覽、即時聊天等。
GPRS系統(tǒng)使用現有的GSM無線網絡。GPRS和GSM共用相同的基站和頻譜資源，只是在現有的GSM網絡基礎上增加了一些硬件設備和軟件升級。因此，實現GSM升級至GPRS非常容易，且中國移動借助原GSM網絡，所以GPRS覆蓋非常廣。目前中國移動GPRS網絡已覆蓋全國所有省、直轄市、自治區(qū)，網絡遍及240多個城市。
CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access)，它是在數字技術上的分支—擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術。CDMA技術的原理是基于擴頻技術，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調制，使原數據信號的帶寬被擴展，再經載波調制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號作相關處理，把寬帶信號換成原信息數據的窄帶信號即解擴，以實現數據傳輸。
　　CDMA技術的標準化經歷了幾個階段。IS95是CDMAONE系列標準中最先發(fā)布的標準，真正在全球得到廣泛應用的第一個CDMA標準是IS95A，這一標準支持8K編碼話音服務。在ITU向各國征求第三代移動通信無線候選技術時，IS95由于剛取得商用成功，美國TR45標準委員會沒有將很多精力放在第三代標準的研究上，而是正在努力完成IS95B的標準。
在ITU的要求下，在當年提出了CDMA2000的第三代標準，即CDMA2000 1X和3X(1X代表其載波一倍于IS95A的帶寬，3X代表其載波三倍于IS95A的帶寬)，3X又分為下行直接擴譜和三載波兩種方式，后來直接擴譜CDMA2000部分與WCDMA進行了融合，所以實際上目前的CDMA2000就只包括CDMA2000 1X和三載波方式3X。
CDMA 1X是指CDMA 2000的第一階段(速率高于IS95，低于2Mbit/s)，可支持308kbit/s的數據傳輸、網絡部份引入分組交換，支持移動IP業(yè)務。是在現有CDMA IS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務，目的是為CDMA用戶提供分組IP形式的數據業(yè)務。
CDMA基于擴頻技術，占用的是全新的800M頻段（GSM占用的是900M頻段），所以不能在原GSM設備上直接升級。目前，中國聯通通過二期工程建設，對CDMA網絡進行了網絡優(yōu)化和提升，網絡從IS95升級為CDMA1X網絡；同時建成覆蓋全國31個省(自治區(qū)、直轄市)的無線數據網。

防汛監(jiān)控主要通信方式
作為防汛信息傳輸的通信方式主要有：CDMA、GSM/GPRS、超短波/短波通信、幀中繼、PSTN、DDN、衛(wèi)星通信、微波通信、Internet等多種方式，其中超短波/短波、衛(wèi)星通信、微波通信屬于專網信道，其余為利用公網信道，防汛信息傳輸信道建設原則是以公網為主，專網相輔。（公網無需組建通信網絡和中繼站，專網則需有額外的網絡投資。）
隨著通訊技術的發(fā)展，以CDMA、GSM/GPRS為主的移動通信網絡發(fā)展迅速。目前，中國聯通和中國移動網絡覆蓋廣，各基站設備設施先進，對自然環(huán)境的抗風險能力較強，因此以CDMA、GSM/GPRS網絡為基礎形成的數據服務，不受地理環(huán)境和天氣條件的限制，而組網方便,對應用所需的額外設備要求不高，投資和運行費用低，并且數據傳輸準確，安全可靠性高，時效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務的信息傳輸要求，因此在山洪預警系統(tǒng)里GPRS/CDMA無線傳輸通訊方式是當下最好的選擇。
宏電公司提供H7710 CDMA/GPRS無線通信傳輸系統(tǒng)，利用中國移動或中國聯通的傳輸網絡采用數字擴頻通信技術，速度快，傳輸效率高；易開發(fā)、可擴充、永遠在線；并可提供TCP/IP連接，便于數據傳輸應用。因此在國內多數省市組建的山洪防訊預警系統(tǒng)中有著廣泛而大量的使用。

系統(tǒng)簡介
由宏電公司攜手湖南、江蘇、福建、廣西、貴州、四川等地的防汛指揮部門和計算機測控中心設計的山洪災害預警系統(tǒng)設計方案先后通過了各地專家評審，整個工程分雨水情自動監(jiān)測站網建設、通信傳輸和網絡系統(tǒng)建設、市防汛抗旱指揮中心環(huán)境建設、預警決策支持軟件開發(fā)、預警廣播系統(tǒng)建設等五個方面，具備多項技術創(chuàng)新點。

信息流程采集示意圖


預警預報通信示意圖


信息全程示意圖

山洪災害預警通信傳輸機制的技術實現是本系統(tǒng)的關鍵之一，山洪災害預警通信傳輸機制主要由兩部分組成：
(1)汛情信息的傳輸;
(2)預警信息的傳輸。

網絡補充通訊方式銜接
• 廣播
• 短信
• 電話

系統(tǒng)在項目中的應用
雨情、水情信息是重要的防汛信息，在山洪災害預警系統(tǒng)中需建立一套快速及時、準確可靠、先進實用、高度自動化的境內流域水、雨情信息的監(jiān)測系統(tǒng)，為防汛和山洪災害預警提供決策支持。

應用方式
監(jiān)測點

遙測站主要由采集系統(tǒng)和供電系統(tǒng)構成。其中采集系統(tǒng)主要由傳感器單元、單片機處理系統(tǒng)、顯示單元和宏電H7710 GPRS/CDMA DTU數據通信單元構成。遙測站直接通過宏電H7710 GPRS/CDMA DTU數據終端單元將信息以無線傳輸方式發(fā)送出去，通過GPRS/CDMA無線網絡轉送到Internet，經由Internet最終進入數據處理中心。

　　　　　　　　遙測水位、雨量站原理圖
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　信號采集管理器
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　通訊終端內嵌示意圖

DTU的設置
H7710 DTU 同HNY-RT8內的單片機系統(tǒng)的232接口連接，由太陽能充電的電瓶提供12V直流工作電源，DTU的設置采用Windows系統(tǒng)自帶的超級終端軟件，設置非常方便、簡單。一般需要設置數據中心（DSC）IP地址或域名、通訊端口、DTU ID號碼、通訊協議、串口設置等等。

通訊協議的設置
在GPRS/CDMA DTU上可選擇UDP與TCP傳輸協議。

UDP是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，不提供可靠性連接，而TCP提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳輸層服務。TCP以增加網絡開銷的方式提供傳輸保障。由于考慮到大中城市的通訊網絡穩(wěn)定成熟、監(jiān)控點較多的情況，系統(tǒng)一般選用UDP的傳輸協議；在縣市鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級的通訊網絡中，由于通訊網絡的通訊效果不太好和監(jiān)控點少的現狀，系統(tǒng)一般選用TCP傳輸協議，兩種通訊協議能夠在一個大型通訊系統(tǒng)中并存，在保證通訊效果的情況下，又減少了網絡通訊費用。

本套應用方案經測試，從采集終端發(fā)出數據包到數據中心收到數據包僅需1-2秒鐘，實時性滿足山洪災害預警的需要。

監(jiān)測中心
監(jiān)測中心（即數據中心）可以分級設在各級防汛指揮部辦公室的中心機房內，主服務器采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)，數據庫采用SQL Server 2000。各個監(jiān)測中心與各個監(jiān)控點采用宏電GPRS/CDMA通訊系統(tǒng)建立通訊，各個監(jiān)測中心采用專用光纖同電信的Internet連接，并具有公網IP，防汛網絡同Internet的連接通過硬件防火墻進行物理隔離。在具有internet連接的各個監(jiān)控中心，可以用宏電的GPRS/CDMA無線通訊系統(tǒng)進行點對點、一點對多點的通訊，以備在internet網絡不暢的情況下做應急通訊備份。

所有來自遙測站的數據包經過網絡（CDMA/GPRS和Internet）首先進入具有固定的IP地址的硬件防火墻，硬件防火墻通過端口映射功能將數據包轉發(fā)到主服務器上，再由數據中心程序(軟件)將數據讀出并進行分析，最后寫入數據庫。

　　　　　　　　　　設備狀態(tài)監(jiān)視情況

后臺服務程序
數據中心的程序是在宏電公司提供的動態(tài)鏈接庫和Demo程序的基礎上開發(fā)的，主要用于遠程DTU發(fā)送過來的數據接收，以及DSC對遠程DTU的進行參數修改、指令下達等數據發(fā)送方面。
程序安裝在防辦的主服務器上，是以后臺方式不間斷的服務。接收的數據直接寫到主服務器的數據庫中，同時對接收、發(fā)送以及程序的運行狀態(tài)以日志方式進行記錄，以便維護和管理查詢。

應用模式介紹
山洪災害預警系統(tǒng)對外部提供WWW Web服務，用戶可以通過Internet網絡登錄該系統(tǒng)Web服務器訪問預警決策系統(tǒng)來進行汛情信息服務。

但對于無法進行Internet連接的用戶，我們開發(fā)了專用汛情接收設備，該設備可接收數據中心發(fā)送過來的各種監(jiān)測信息，如實時雨量，水位，警戒指標，調度操作指令以及遠程測站、機房的設備監(jiān)控信息（如電池電壓等、防盜等）。

山洪災害預警系統(tǒng)可以承載圖像、視頻監(jiān)控，在數據采集終端增加相應的攝像機，將攝像機布置才在山洪流經的山谷、堤壩滲漏的小溝處，通過視頻服務器進行圖像處理后就可以通過宏電H7921CDMA/GPRS路由器進行傳輸，傳輸速度達到171.2—308Kbit/s，能夠滿足實時對山洪、堤壩、水庫等危情發(fā)生前的情形監(jiān)控。

原理和組成
設備采用PC104嵌入式模塊、工業(yè)級觸摸屏、以及宏電的H7710 CDMA DTU組成，設備可內置電源系統(tǒng)，能24小時不間斷運行。本終端設備改做成便攜式裝置，用于車載和攜帶，形成移動監(jiān)控平臺。

廣播系統(tǒng)的組成
山洪災害預警系統(tǒng)除了根據預警條件，按照相應的預警級別自動啟動（或會商后人工啟動）短信、電話來通知防汛成員單位責任人、有關鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村負責人以及農戶外，還需在危險區(qū)域的重點防范地方、集中院落設立廣播預警系統(tǒng)。

　　　　　　　　　　廣播預警裝置

廣播預警系統(tǒng)由單片機處理單元、語音芯片、無線廣播控制主機、接收裝置以及警笛和大功率高音喇叭等聲光裝置組成。

　　　　　　　　專用防汛報警儀工作原理圖

應用方式
廣播預警系統(tǒng)同樣通過CDMA DTU接收數據中心發(fā)過來的預警信息。單片機接收到中心預警包后，分析預警級別，再發(fā)送預警包給語音芯片，語音芯片通過喇叭發(fā)出特定預警語音，告知附近村民采取相應措施。經過現場實際驗證，數據中心發(fā)送預警包后，3秒鐘左右可以發(fā)出預警。

總結
利用CDMA/GPRS網絡，以及所提供的數據服務，借助宏電公司的CDMA/GPRS通訊產品，能夠順利完成各級山洪預警系統(tǒng)中的監(jiān)測采集站網的汛情信息傳輸、監(jiān)測中心的監(jiān)測信息傳送以及預警廣播信息的傳送，為山洪災害的及時監(jiān)測、預警預報，以及決策會商和指揮調度工作提供了暢通、快速、可靠穩(wěn)定的通信信道。節(jié)省了傳統(tǒng)詢查的人力物力、回避了詢查人員的生命安全、為山洪發(fā)生地的廣大民眾搶得寶貴的預警數據資料和應急行動的時間。