大坝安全监测无线传输模式的应用

王钦

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

大坝安全监测无线传输模式的应用

王钦1，2

（1.湖南省水利水电科学研究所长沙市410007；2.湖南省大坝安全与病害防治工程技术研究中心长沙市410007）

随着我国对水利工程建设的重视，加大了对水利工程项目的各项投入，有效推动了水利工程建设的发展。回顾大坝安全监测技术由人工采集到集成自动化的发展过程，今后在安全监测项目中如何采用便捷、高效、经济的方式传输数据，使大坝相关管理部门能实时有效地获取大坝安全监测数据进行分析评判大坝的安全性，保障大坝下游社会、环境与人身财产安全具有显著影响。文章在介绍大坝安全监测数据传输方式的基础上，对各种数据传输方式的适用范围进行分析，并阐述其应用现状及前景。

MCU无线数传电台SMS GSM GPRS

我国经济的迅速发展，大坝安全监测随着计算机技术、现代测量技术、传感器技术以及数据处理技术等快速发展，大坝安全数字化管理技术日渐成熟。与此同时，伴随着日益强大的通讯发展，大坝观测由之前的人工简单测量获取数据进步为现代化的数字化自动采集数据。MCU通过水工电缆采集埋设在坝体中的各个传感器获取数据，再通过有线或者是无线的传输方式发送到服务器中，将各个采集数据的模拟量数据通过计算公式最终换算成为大坝中各个埋设传感器中的成果值保存到存储器中。下面对各种无线传输模式的适应范围进行研究分析。

1 概述

大坝安全监测项目主要包括变形监测、渗流监测及环境量监测。变形监测和渗流监测主要分布在水库的主坝或者副坝之中，而环境量监测范围为水库上游水域流经范围以及集雨面积区域，水库端大坝安全监测子系统一般部署在水库管理所，而水库管理所距离坝体较近的话，可以通过有线方式将数据采集单元采集的相关数据传送到大坝子系统服务器上，若监测点距离水库管理所较远，那么用有线方式传输就存在较大施工困难。其主要困难有三点：

（1）监测点距离数据采集中心距离遥远，布线工程量较大。

（2）监测点与数据采集中心之间有难以逾越的障碍物阻碍。

（3）监测点与数据采集中心需要穿越大面积水域。

如何解决在复杂环境下的数据传输，无线传输网络将是整个大坝监测系统的核心部分，传输网络能够实时有效的进行数据传输，是决定整个系统能否正常工作的最主要因素。随着日趋成熟的无线数据传输网络的引入，改变了传统的大坝监测数据传输方式，这对于大坝监测监管都有非常重要的意义，不但使得大坝监测的可移动性得到实现，而且也在很大程度上降低了监测设备的投入成本。

目前，无线数据传输技术的发展越来越快，相比过去，无论在传输速度和传输稳定性上都有了前所未有的提高，这种飞跃使得大数据量的无线数据传输能够得到实现，这对于现代大坝监测技术来说是非常重要的。面对大坝及周边监测点安装的各种传感器的大量数据源，如果在数据传输上得不到保证，那么水库端的大坝安全监测子系统也就变得没有任何意义。

目前，主要应用的无线传输方式分别为：SMS短消息传输、GPRS数据传输和工业无线数传电台传输。

（1）SMS通讯。SMS（ShortMessage Service）是通过SDCCH（未通话时）或SACCH（通话中）传送的,消息长度最大为140字节（70个汉字），故名短消息。短消息服务业务（SMS）作为GSM移动通信网络的一种基本业务，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个八位组。GSM标准中定义的点到点短消息服务使短消息能够在移动台和短消息服务中心之间传递。短消息SMS是非对称业务，它使用控制信道传输数据分组，因此系统可以支持SMS与语音、数据流、传真等业务的同步传输。SMS具有覆盖面广、在线保持、自动传送、费用低廉、稳定性高等优点，比较适合于小流量、频繁远距离传送数据的领域。

（2）GPRS通讯。第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，第二代是GSM系统，即将到来的第三代移动通信系统被称为3G系统。由于第三代移动通信系统从标准出台到全面的商业化需要经过一段较长的时间，在这段期间，国际上各大通信公司为了拓展业务，在GSM的基础上推出2.5G的无线数据业务，作为向3G标准过渡的中间方案，GPRS就属于这中间的方案之一。

GSM（Global System For Mobile Communication：全球移动通信）是1992年欧洲标准化委员会统一推出的标准，它采用数字通信技术、统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更多的新业务供用户使用。自第一个GSM系统运营开始，100多个国家的2000多万用户已经能够享受到世界范围的漫游覆盖、各种操作环境下出色的话音质量及许多增值业务。GSM移动通信网的传输速度为9.6Kbps。目前，全球的GSM移动用户已经超过5亿，覆盖了1/12的人口，GSM技术在世界数字移动电话领域所占的比例已经超过70%。目前，我国拥有8 000万以上的GSM用户，成为世界第一大运营网络。

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是在现有GSM移动通信系统的基础上发展起来的一种移动分组数据业务，是GSM网络向第三代移动通讯技术演进的第一步。这一步有着两点重要的意义：

①在GSM网络中引入分组交换能力。

②将GSM网络的速度提高到100 kbit/s以上。

通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换的实体组成GSM-GPRS网络，实现以分组方式进行数据传输，同时，尽量减少对GSM网络的改动。GPRS可以看作是在原有的GSM电路交换系统的基础上进行的业务扩充；由新增的网络实体对GSM数据进行拓展，支持移动用户利用分组数据移动终端接入Internet或其他分组数据网络，同时提供更好的GSM网络语音功能。

（3）数传电台通讯。无线数传电台又可称为“数传电台”，是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP、软件无线电；传输信号也从代码、低速数据（300～1 200 bps）到高速数据（N*64K～N*E1），可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。美国MDS数传电台，芬兰SATEL数传电台为目前国际上比较知名的数据传输电台。

数传电台主要用于工业控制领域建立的专网，同时也是工业控制领域的主要传输手段。国家无线电管理委员会规定为遥测、测控、数据传输等业务的专用频段为223.025 MHz到235 MHz，数传电台作为这个专用频段的专用设备在专网应用设备中经历了数十年的考验。

2 无线传输的特点及应用

2.1 SMS的特点及应用

2.1.1 SMS的主要特点

点对点短消息（SMS）的发送方式取决于网络中SMSC能支持的接口。ETSI制定的短消息发送协议定义了三个接口协议：块模式、文本模式和PDU模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传送短消息数据。

块模式（BLOCK Mode）：块模式是一个二进制协议，用于移动台和SMSC之间的短消息传输的PDU封装。包括了差错检测，适用于移动台之间连路容易出错的情况。应用部分的二进制数据串应包含报头和短消息PDU。

文本模式（Text Mode）：文本模式是在为GSM修改的AT指令集[]的基础定的基于字符的协议。适合非智能终端或终端仿真器。应用软件把纯文本消息传给通信设备，由通信设备来构造TPDU。文本模式提供的功能比块模式和PDU模式少。在文本模式下，短消息对扩展字符的能力有限。

PDU模式（PDU Mode）：PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消息TPDU的任务留给了应用系统完成。

2.1.2 SMS应用范围

对于广阔集雨面积的水库，大坝安全监测也需要降水量监测来了解上游来水量，采用有线方式监测各个雨量点，成本高，管理不便。利用GSM短消息技术具有覆盖面广、运营成本低、信号传输快捷可靠，安装简便等特点，能够有效地对各个监测点进行数据传输。以下为网络拓扑图（图1）。

图1 SMS网络拓扑图

一般情况下我们采用PDU模式进行数据传输，并且保证通讯协议中字数不超过140个字节。如果监测点采集发送单元的数据传输方式为自报式方式发送数据，我们可以选择SMS方式传输，因为每次由监测点的数据采集单元获取到新的数据后才发送。如库区降水量监测点的无线传输可以采用SMS方式。GSM短消息业务主要针对固定按次发送数据的传输方式将可以减少通讯费用，保证数据的正常发送与接收。

2.2 GPRS的特点及应用

2.2.1 GPRS的主要特点

GPRS技术以分组交换技术为基础，支持IP/2.5数据网络协议，可以保证计算机和移动用户的持续连接。每个用户可同时占用多个无线信道，而同一无线信道又可以由多个用户共享。用户只要在进行数据传输时才占有系统资源，没有数据传输时，该用户原先占用的系统资源就会动态地分配给其他用户。

具体来说，GPRS具有以下特点：

（1）支持中、高速率数据传输。可以提供（9.05～ 171.2）kbps的数据传输速率。

（2）永远在线。即用户随时与网络保持联系。当没有数据传送时，网络与用户之间保持一种逻辑上的连接，用户再次传输数据不需要重新联入网络。GPRS能在（0.5～1）s之内恢复数据的重新传输。

（3）GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。GPRS支持居于标准数据通讯协议的应用，可以和IP网、互联网互通；支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用，如远程信息处理；GPRS也允许短消息业务SMS经过GPRS无线信道传输。

（4）GPRS采用封包式传输，可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级（QOS）的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便。

（5）GPRS采用分组交换技术的传输模式，多个用户可高效率地共享同一个信道，从而提高了资源的利用率，优化了对网络资源和无线资源的利用。

（6）GPRS的安全功能同现有的GSM安全功能一样。身份认证和加密功能有SGSN来执行，不过GPRS所使用的安全密码算法是专门为分组移动数据传输业务所优化过的。

（7）在核心网中，引入GPRS支持节点（GSN），SGSN和GGSN（统称为GSN）采用分组交换平台方式，定义了基于TCP/IP协议的GTP方式来承载高层数据。SGSN与MSC（移动交换中心）在同一等级水平，并跟踪单个MS的储存单元，实现安全功能和接入控制，节电SGSN通过帧中继连接到基站系统。GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经过基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。

2.2.2 GPRS应用范围

GPRS网络拓扑结构图和SMS的相同，对于覆盖面广且要求监测点随时随地接入到网络，基于IP的底层网络以及高效的传输速率，GPRS传输就比SMS更加合适。如应答式传输模式，需要数据中心给各监测点发送握手信号，当对应的监测点收到握手信号后返回本监测点的在线信息及TCP/IP信息，双方建立网络通信链接后，数据中心再发送采集命令，监测点收到采集命令执行数据采集后，将本监测点采集的数据返回给数据中心方。这样要求实时在线基于TCP/IP协议的通讯模式就需要采用GPRS的传输模式。GPRS数据传输模式可针对于渗流压力水位监测，渗流压力水位的传感器需要MCU发送采集命令给各个传感器对应的通道地址，当传感器收到采集指令后将给MCU返回应答信息，同时将采集到的数据返回给对应的通道地址的MCU，最后在大坝安全监测系统中才能查看到各个在线的渗流压力水位传感器所采集的数据。

2.3数传电台的特点及应用

2.3.1 数传电台的主要特点

数传电台可长期处于无人值守的工作状态，而且工作环境很复杂，大坝安全监测的监测点几乎都是安装在野外，偏远地区的供电状况也不稳定，高山上的监测点温差变化较大。数传电台的特点主要表现在以下几个方面：

（1）数传电台拥有高可靠性和高频率稳定度，数传电台通信系统的传输误码率（BER）极低。误码率是计算可靠性的重要指标，数传电台通信的误码率为0.000 000 1，极低的误码率能保证数据的准确传输。

（2）设备抗干扰能力强，散热性佳，能适应在恶劣环境及电磁环境下长期工作，其工作温度范围宽，其适应性可满足不同的恶劣环境。

（3）工作时待机电流小，功耗低，工作电压的范围较宽，有电源的逆转保护。能适应交流电和直流电，可采用市电220 V交流电供电，也可通过太阳能板和蓄电池等多种方式供电。

（4）数传电台响应时间短，收发转换时间一般小于40 ms。

2.3.2 数传电台应用范围

SMS和GPRS传输都离不开电信基站的支持，而数传电台为点对点，电台与电台之间的通讯。中间无其他传输介质，稳定可靠，检修容易。数传电台的网络拓扑图，见图2。

图2数传电台网络拓扑图

相对于水库中副坝的大坝安全监测点，有的监测点在人烟稀少的地方，没有或者很弱的移动网络信号，这样导致监测点的数据无法与数据中心进行连接。此时就需要考虑通过大功率的数传电台让两者之间进行无线通讯，实现数据传输。或者直线距离只有5 km且地势复杂施工难度大的情况下，可以考虑用小功率的数传电台进行无线通讯，可以达到快速布网，检修方便的目的。

3 总结与展望

3.1 总结

大坝安全监测的重要性已经被越来越多的人所认识到，大坝安全监测的可持续性发展对于国家经济有着至关重要的作用。而无线传输技术的发展对大坝安全监测事业能够不断发展起着重要的保障作用。3.1.1分析比较

本文提出的大坝安全监测无线数据传输方式，主要分为SMS、GPRS和数传电台传输，以下对这三种方式在传输特点和使用费用进行分析对比。

（1）SMS传输方式。

传输特点：传输距离不受限制，以点对点进行传输，数据有延时，稳定性受移动信号影响。

使用费用：包含设备购置安装费和通信费用，通信费用以条计算，有数据长度限制。

（2）GPRS传输方式。

传输特点：传输距离不受限制，可点对点或点对面进行传输，链路有丢帧可能导致部分数据丢失，稳定性受移动信号影响。

使用费用：包含设备购置安装费和通信费用，通信费以流量计算。

（3）数传电台传输模式。

传输特点：传输距离有限制，可点对点或点对面进行传输，数据传输响应快，稳定性主要受设备决定。

使用费用：设备购置安装费。

3.1.2 归纳总结

经过分析比较，在大坝安全监测方面，以上三种传输模式可分别用于三种类型的无线数据传输。

（1）使用定时收发数据且对不受数据延时影响的无线传输模式可采用SMS传输方式。

（2）使用多点数据传输且发送数据量较大的无线传输模式可采用GPRS传输方式。

（3）使用条件恶劣且无移动网络覆盖的情况下或者一次性投入成本的可选择数传电台传输。

每个水库的特征都不一样，那么监测的项目也各不相同，大坝安全监测的监测点使用哪种无线传输方式才能满足实际应用中的要求取决于所处位置及传输条件。

3.2 展望

随着我国国力的不断增强，通讯技术的日益进步，未来大坝安全监测数据传输可以采用更加先进的技术提升无线传输的质量和速度：

（1）移动网络对水库大坝进行全覆盖，保障水库大坝无盲区。

（2）建立大坝安全监测APN移动专网，保障数据通讯畅通。

（3）水利部门移动网络的升级，网络速率进一步的提高。

（4）卫星通讯对水利部门的无线数据传输的大力支持。

2016-10-15）

王钦（1981-），男，湖南长沙人，工程硕士，工程师，主要从事计算机科学与通讯及大坝安全监测研究工作，手机：18573179961。