水井CDMA監控系統通信解決方案

一、需求分析
CDMA是目前解決移動通信信息服務的一種較完美的業務，它是以數據流量計費、覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度更快。CDMA的推出，為行業和企業用戶開展無線辦公提供了基礎設施平臺，為推動移動辦公的應用和發展創造了有利條件。與有線網絡相比，CDMA網絡具有租用費用低、移動辦公，不受地域制約等優點。CDMA的出現為企業和行業用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。
在原有水井生產監控系統中，很多必須無人值守的設備或采集站，不適合搭建有線通訊網絡。若采用光纖或電臺的方式實現無線通訊，不僅設備投入耗資巨大，而且不適應移動的需要。
隨著新一代CDMA移動通訊業務的產生和全面投入，無線移動數據通訊的應用也越來越廣泛。高速的數據傳輸和永遠在線特點，配合按流量收費的資費方式，使CDMA通訊在工業控制、環境保護、道路交通、商務金融、移動辦公、零售服務等行業中的應用具有無可比擬的性價比優勢。采用CDMA無線通訊網絡的移動IP通訊，既可獨立作為數傳通道，也可作為已經架設光纖、數傳電臺等方式的輔助手段。
根據自來水廠監控系統分布特點，實現站點間數據傳輸的技術有：無線超短波、GSM短信、CDMA。
無線超短波：可用于點對點或點對多點的工作環境，提供標準接口，可直接與計算機、RTU、PLC 等連接，實現透明傳輸，傳輸速率為1200-19.2K，頻點間隙為25K，采用工業頻段230MHZ或400MHZ，接收靈敏度較高，技術成熟。組網時需要根據實際環境架設天線，中心站一般要求20-30米，分站在10米左右，超短波受電臺數量的限制。采用這種方式時數據中心與監控點之間需要架設微波網絡，實現大容量的數據傳輸。
GSM短信：利用GSM網絡實現數據采集設備、手機終端和監控中心之間的通訊接口。采用這種方式，用于數據流量較小或只在異常情況下需要告警時，費用高，延時大。
CDMA：有實時在線，按量計費，快捷登錄、高速傳輸等特點。這種方式傳輸數據實時性好，傳輸速率高，不受地形或地域的限制，按數據流量計費，平均費率低，適合大規模應用。
保持現有設備系統中的各終端由工業PLC執行實時控制，循環檢測各設備運行狀態并向上位機發送設備運行狀態信息。以CDMA通訊方式來代替上位機與PLC間的通訊。
二、CDMA技術概述
CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access)，它是在數字技術的分支擴頻通信技術上發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。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，以實現信息通信。CDMA多址技術完全適合現代移動通信網所要求的大容量、高質量、綜合業務、軟切換等，正受到越來越多的運營商和用戶的青睞。
三、CDMA網絡特性
1）CDMA1X用戶可隨意分布和移動自己的網點，無需擔心線路的維護或有線在移機時導致的通訊中斷。建設新的營業廳無需進行拉線、埋線等工作。較光纖或專線系統投資較少，設備安裝方便。
2）CDMA1X資費便宜，計費合理。CDMA1X資費包月比有線電話網絡資費還便宜。銀行聯網業務沒有大數據量的信息傳輸，不必采用資費很高的專線（DDN、幀中繼）。CDMA1X還可根據通信的數據量和提供的服務質量進行計費。在CDMA1X網中，用戶只需與網絡建立一次連接，就可長時間的保持這種連接，并只在傳輸數據時才占用信道并被計費，保持時不占用信道不計費。這樣，營業廳既不用頻繁建立連接，也不必支付傳輸間隙時的費用。
3）CDMA1X能最好地支持頻繁的、少量突發型數據業務。通信質量穩定可靠，永不掉線。
4）CDMA1X網絡接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接。由于CDMA1X網本身就是一個分組型數據網, 支持TCP/IP、X.25協議，因此無需經過PSTN等網絡的轉接，直接與分組數據網（IP網或X.25網）互通，接入速度僅幾秒鐘，快于電路型數據業務。采用TCP/IP協議，較以前的無線數據網絡（集群，雙向傳呼，GSM短信息）而言，網絡接入更加直接方便。
5）覆蓋較好。比較很多無線數據網絡（集群，雙向傳呼，CDPD）而言，其網絡覆蓋是最好的。
四、水井生產監控應用解決方案
以一般水井生產監控為例，監控的參數有：水井液位、電壓、電流及狀態。可以對檢測參數在相應畫面和報表中顯示出來，并根據需要對數據進行諸如最大值、最小值、平均值、累加值、定時值等的計算處理，并分類進行存儲，接受各種形式的查詢功能。根據預先設置的報警限值，在實測值超限時發出報警信息，以便及時采取措施。
1、數據中心站組建
數據中心站通過專線（VPDN）方式直接接入CDMA移動基站，并獲得一個固定的IP地址。采集站數據無需路由到Internet網絡，采集站DTU也采用固定IP地址的UIM卡。采用這種方式組成點對多點網絡具有實時性好、安全性高的特點，但接入費用相對較高。
由工控機和網關組成LAN局域網，接入CDMA網絡以作為PLC的上位機，采用組態軟件充當人機界面。根據工藝要求預置幾套工藝流程，用戶可根據實際需要加以選擇設備運行狀況、儀表檢測參數可顯示在顯示器上，顯示方式多樣，有指示燈狀態顯示、虛擬儀表數碼顯示、光棒圖模擬顯示、動態曲線跟蹤、歷史曲線查詢、形象動畫顯示等。人機界面友好，操作方便，關鍵控制點密碼保護，系統安全可靠。計算機參與設備管理，累計設備運行時間，計算電能消耗。并可根據事先設定的監控范圍、對流量、液位、PH值等指標進行監控，一旦超出設定范圍，計算機立即啟動聲光報警，并將這一時刻的有關數據、工況記錄下來，以供分析、決策。計算機所測數據可按一定時間間隔記錄在硬盤上，用戶可根據需要隨時將有關數據打印出來。
2、遠端采集站組建
在采集站處加裝工業PLC，采集所有子系統數據并進行整合處理。PCL串口掛接LZ CDMA DTU，負責數據的統一收發。
可編程控制器PLC接受控制中心站程控指令，執行實時控制，循環檢測各設備運行狀態，及時向數據中心站發送設備運行狀態信息。各儀表間采用模擬隔離，以減少相互干涉，提高系統精度。
在設計中，通過選擇具備高可靠性設計的網絡設備，減少設備故障率，提高網絡可靠性。設備本身的可靠性是決定整個網絡系統可靠性的主要因素。特別是采集點的CDMA DTU，更是整個系統業務正常運行的重要保障。本次選取廈門藍斯通信公司的LZ系列的CDMA DTU設備具有高可靠性，通過了國家標準的EMC抗干擾測試，在設備級充分保障了網絡可靠性。
CDMA DTU根據預先設定在其內部的IP地址和端口（例如：59.57.95.36：1099）來主動訪問數據中心站，并建立TCP/IP鏈路。監控中心主站本身維護接入的每個CDMA DTU的IP地址和ID號，當主站要向某個PCL提出數據請求時，它會根據IP地址和ID號來找到對應的CDMA DTU，將命令下發到該PLC，PLC響應后通過CDMA DTU把數據發到數據中心站，即完成了一個應答式的通訊流程。
3、控制中心站組建
控制中心站的主要功能是負責向遠端采集站發送控制信令，讓采集站執行實時控制，循環檢測各設備運行狀態，及時向數據中心站發送設備運行狀態信息。
工作原理是控制中心站和遠端采集站不直接建立連接，而是掛接LZ CDMA DTU，通過CDMA網絡將控制信令發送至數據中心站，數據中心站接收到信令后再轉發至各個遠端采集站，實現信令交互。
控制中心站的DTU內部設置的端口應和遠端采集站所訪問的端口區分開。LZ CDMA DTU根據預先設定在其內部的IP地址和端口來主動訪問數據中心站（例如：59.57.95.36：1099），并建立TCP/IP鏈路。
五、系統拓撲結構

六、所需二次開發
1、軟件底層通訊收發、中轉部件
以西門子PLC所采用的組態軟件為例，用戶原有的人機界面、處理程序無需太大改動。可以用簡單的Socket編程并加上相應轉發控制功能，來代替原有的有線Modem拔號通訊部件。
2、模塊在線數據監測程序及遠程復位
在電路交換數據環境中，連接是端到端的，所以用戶能夠知道連接是否完成，以及數據傳遞的情況，但在CDMA環境中，附屬于CDMA承載體的終端是“永遠在線”的，它在任何時候都準備透明地(相對于用戶而言)傳送或接收數據，這樣一來，檢查數據包是否發送成功的任務就落到了用戶頭上。鑒于可能出現的無線網絡堵塞、模塊斷電等突發情況，用戶可根據需要設置相應的傳遞確認機制。例如，掛接LZ CDMA DTU的終端定時向中心點發送“呼叫”，中心點收到后返回給該終端“回復”，以確定模塊傳輸是否正常。LZ CDMA DTU提供強制復位管腳，用戶可提取該管腳，在模塊不能正常工作時進行遠程復位。
同時，需要預設在其它通訊方式失效情況下，實時切換到CDMA通訊的切換條件。
3、模塊的初始化
客戶端的模塊所需要的初始化信息包括：遠程服務器IP地址及端口號（用于連接遠程服務器），定時休眠時間/定時上線時間（用于定時更新服務器最新偵聽的套接字），服務器端模塊內置號碼（用于遠程喚醒服務器端模塊），緩沖觸發條件（保證數據包格式統一）。
服務器端模塊所需要的初始化信息主要是：IP Registration（用于在被喚醒時報告自身IP地址及相關信息）。
七、系統特點
該系統具有下述特點：
1、該系統是國內首創和同類產品率先采用CDMA數據通信技術的裝置。它具有CDMA的各種優點，即：
1.1 永遠在線：只要激活CDMA后，將永遠保持在線，不存在掉線問題；類似于一種無線專線網絡。
1.2 高速傳輸：由于CDMA采取了先進的分址通信方式，數據傳輸最高理論值可達171.2kb/s。因此，本系統在一條可移動的信息高速公路上傳輸數據。
1.3 按量收費：CDMA按照本系統接收和發送數據的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時，即使在線，也不收費。因此，它是一種面向使用、科學合理的計費方式。
2、該系統的自動檢測、監控功能可使供水公司及時、準確地掌握水井的運行狀況，使供水管理和服務質量水平躍上一個新臺階，有力地促進供水公司現代化管理水平的提高。
3、該系統可徹底解決用水的實時管理、實時計量和遠程控制的問題，為供水公司實現遠程自動計量、水損分析管理和用水系統實時遠程監控等現代化供水管理提供了可靠的手段。
4、實現遠程監控可減少循監和相關的員工人數及費用開支，降低員工勞動強度，提高監控工作效率；該系統的將避免人工疏忽的漏監、誤檢、估測；該系統的實時監控可減少由于管道破裂漏水、用電失誤等造成的水量損失、水井安全隱患；該系統的應用將有效地降低供水管網的運行成本。
5、配置大容量非易失存儲器，可存儲大量的監控數據，停電數據也可保存10年；密碼保護，非授權用戶無法操作。
八、系統顯著的經濟效益
1、較低的工程造價
由于城市的自來水供水普及率一般均達95%以上，多數水井既分散又遠離供水公司，多年來供水公司所應用的無線遙測系統的通信一般都采用電臺。如采用該種通信方式，供水公司的數據中心站均需配置電臺、專用電源和高增益的鐵塔天線，在市區各處的采集站除配置電臺及專用電源外，還需配置高增益的定向天線。而本系統的通信采用中國聯通的CDMA網絡，在水司的數據中心只需VPDN網絡，遠端采集站只需配置CDMA DTU，且每臺僅占用一個移動電話號碼，其通信的可靠性與移動電話一樣。因此，本系統的工程造價比應用電臺的系統造價至少低10-20萬元以上（采集站數量越多差價越大）。
2、低廉的運行費用
2.1 本系統采用中國聯通的CDMA通信網絡，不需使用電臺、不需架設鐵塔天線或定向天線等配套設備，遠端采集站基本上可免維護運行，不需配備專業技術人員維修保養，因此維修費用低。而采用電臺通訊需向無線電管理部門申請頻道資源，需配備專業技術人員維護，那么維修費、員工工資和交通費，加上電費和頻道占用費等，其綜合運行成本開支每個月不少于3000元。
2.2 可與中國聯通公司簽訂使用其通訊網絡的協議，并按傳輸量計費。采用CDMA方式的計費標準為：0.01元/1kb，最低收費為每月20元。每個采集站傳輸量以2kb/次計，如果每小時傳輸1次數據，那么1個月的話費=2kb×24×31×0.01元/1kb=14.88元；按最低收費也就是20元。目前，有些水表生產監控系統的通信采用中國電信的電話線傳輸，如果每小時傳輸1次數據，那么每個測點1個月的話費=24×31×0.20元=148.80元；因此，采用有線電話線傳輸的通信計費與本系統采用CDMA相比為148.80元÷20元=7.44倍。
九、結束語
建成后的整個自來水廠水井監控系統通信解決方案實現了互聯互通與共享，為企業信息管理體系的完善打下了堅實的基礎，同時也將在工作效率、高科技現代化管理等諸多方面發揮著重要的作用。CDMA作為一種新的通訊手段，將更廣泛的應用在水廠自動化領域。