嘉復(fù)欣基于GPRS/CDMA通信的山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

一．需求現(xiàn)狀

山洪災(zāi)害是山丘區(qū)在一定強(qiáng)度或持續(xù)的降雨下，因特殊的地形地質(zhì)條件而發(fā)生的自然災(zāi)害，它具有突發(fā)、破壞性大、防治困難的鮮明特點(diǎn)，山洪及其誘發(fā)的泥石流和滑坡，往往對(duì)局部地區(qū)造成毀滅性災(zāi)害，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。近年來，我國山洪災(zāi)害問題日益突出，每年都造成大量人員傷亡，嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在黨中央和國務(wù)院的重視下，水利部會(huì)同國土資源部、中國氣象局、建設(shè)部、國家環(huán)?？偩?，在2003-2005年開展全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，并于2005年起，在全國進(jìn)行了山洪災(zāi)害的防治建設(shè)試點(diǎn)工作。山洪災(zāi)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(biāo)準(zhǔn)，也要采取非工程措施，建立綜合防洪減災(zāi)體系，提高防災(zāi)抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

建立山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，是國家防治山洪災(zāi)害的一項(xiàng)重要的非工程性措施。山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)體現(xiàn)監(jiān)測(cè)、通信及預(yù)警一體化，由監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、決策支持子系統(tǒng)、預(yù)警子系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)通過利用和重建氣象站網(wǎng)、水文站網(wǎng)、地質(zhì)災(zāi)害站網(wǎng)，對(duì)汛情和災(zāi)害情況利用時(shí)下先進(jìn)的CDMA/GPRS等通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)信息進(jìn)行加工處理，利用監(jiān)控軟件自動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警，通過各種有關(guān)的預(yù)警通知和警報(bào)設(shè)施，提前通知有關(guān)成員單位、防汛責(zé)任人，通知危險(xiǎn)區(qū)居戶，做好山洪搶險(xiǎn)組織、轉(zhuǎn)移撤離準(zhǔn)備，最大地減少人員和財(cái)產(chǎn)損失，提高對(duì)山洪災(zāi)害快速、全面、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)、預(yù)警以及指揮調(diào)度的技術(shù)手段。

二．CDMA和GPRS網(wǎng)絡(luò)剖析

目前，基于GPRS/CDMA無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)廣泛在移動(dòng)辦公、工業(yè)控制、遠(yuǎn)程遙測(cè)等多方面應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商中國移動(dòng)GPRS和聯(lián)通CDMA各有其特點(diǎn)。

GPRS(General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務(wù))作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)GSM向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù)，是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)規(guī)范實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。

GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加的一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上增加一些硬件設(shè)備，并對(duì)原軟件升級(jí)，形成了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)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(xiàng)無線高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，用戶通過GPRS可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，包括收發(fā)E-mail、進(jìn)行Internet瀏覽、即時(shí)聊天等。

GPRS系統(tǒng)使用現(xiàn)有的GSM無線網(wǎng)絡(luò)。GPRS和GSM共用相同的基站和頻譜資源，只是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)。因此，實(shí)現(xiàn)GSM升級(jí)至GPRS非常容易，且中國移動(dòng)借助原GSM網(wǎng)絡(luò)，所以GPRS覆蓋非常廣。目前中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國所有省、直轄市、自治區(qū)，網(wǎng)絡(luò)遍及240多個(gè)城市。

CDMA是碼分多址的英文縮寫(Code Division Multiple Access)，它是在數(shù)字技術(shù)上的分支—擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

CDMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)歷了幾個(gè)階段。IS95是CDMAONE系列標(biāo)準(zhǔn)中最先發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，真正在全球得到廣泛應(yīng)用的第一個(gè)CDMA標(biāo)準(zhǔn)是IS95A，這一標(biāo)準(zhǔn)支持8K編碼話音服務(wù)。在ITU向各國征求第三代移動(dòng)通信無線候選技術(shù)時(shí)，IS95由于剛?cè)〉蒙逃贸晒?，美國TR45標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)沒有將很多精力放在第三代標(biāo)準(zhǔn)的研究上，而是正在努力完成IS95B的標(biāo)準(zhǔn)。 在ITU的要求下，在當(dāng)年提出了CDMA2000的第三代標(biāo)準(zhǔn)，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(kuò)譜和三載波兩種方式，后來直接擴(kuò)譜CDMA2000部分與WCDMA進(jìn)行了融合，所以實(shí)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(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)部份引入分組交換，支持移動(dòng)IP業(yè)務(wù)。是在現(xiàn)有CDMA IS95系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為CDMA用戶提供分組IP形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

CDMA基于擴(kuò)頻技術(shù)，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(shè)備上直接升級(jí)。目前，中國聯(lián)通通過二期工程建設(shè)，對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和提升，網(wǎng)絡(luò)從IS95升級(jí)為CDMA1X網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)建成覆蓋全國31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)的無線數(shù)據(jù)網(wǎng)。

三．防汛監(jiān)控主要通信方式

作為防汛信息傳輸?shù)耐ㄐ欧绞街饕校篊DMA、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(wǎng)信道，其余為利用公網(wǎng)信道，防汛信息傳輸信道建設(shè)原則是以公網(wǎng)為主，專網(wǎng)相輔。（公網(wǎng)無需組建通信網(wǎng)絡(luò)和中繼站，專網(wǎng)則需有額外的網(wǎng)絡(luò)投資。）

隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，以CDMA、GSM/GPRS為主的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速。目前，中國聯(lián)通和中國移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，各基站設(shè)備設(shè)施先進(jìn)，對(duì)自然環(huán)境的抗風(fēng)險(xiǎn)能力較強(qiáng)，因此以CDMA、GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)形成的數(shù)據(jù)服務(wù)，不受地理環(huán)境和天氣條件的限制，而組網(wǎng)方便,對(duì)應(yīng)用所需的額外設(shè)備要求不高，投資和運(yùn)行費(fèi)用低，并且數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，安全可靠性高，時(shí)效性和帶寬基本滿足大部分業(yè)務(wù)的信息傳輸要求，因此在山洪預(yù)警系統(tǒng)里GPRS/CDMA無線傳輸通訊方式是當(dāng)下最好的選擇。

嘉復(fù)欣公司提供GF-2008/GF-3008 CDMA/GPRSDTU無線通信傳輸，利用中國移動(dòng)或中國聯(lián)通的傳輸網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字?jǐn)U頻通信技術(shù)，速度快，傳輸效率高；易開發(fā)、可擴(kuò)充、永遠(yuǎn)在線；并可提供TCP/IP連接，便于數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。因此在國內(nèi)多數(shù)省市組建的山洪防訊預(yù)警系統(tǒng)中有著廣泛而大量的使用。

四．系統(tǒng)簡介

湖南、江蘇、福建、廣西、貴州、四川等地的防汛指揮部門和計(jì)算機(jī)測(cè)控中心設(shè)計(jì)的山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案先后通過了各地專家評(píng)審，整個(gè)工程分雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)站網(wǎng)建設(shè)、通信傳輸和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)、市防汛抗旱指揮中心環(huán)境建設(shè)、預(yù)警決策支持軟件開發(fā)、預(yù)警廣播系統(tǒng)建設(shè)等五個(gè)方面，具備多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

1．項(xiàng)目應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

山洪災(zāi)害預(yù)警通信傳輸機(jī)制的技術(shù)實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，山洪災(zāi)害預(yù)警通信傳輸機(jī)制主要由兩部分組成：

(1)汛情信息的傳輸;

(2)預(yù)警信息的傳輸。

網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充通訊方式銜接

• 廣播

• 短信

• 電話

2．系統(tǒng)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

雨情、水情信息是重要的防汛信息，在山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中需建立一套快速及時(shí)、準(zhǔn)確可靠、先進(jìn)實(shí)用、高度自動(dòng)化的境內(nèi)流域水、雨情信息的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為防汛和山洪災(zāi)害預(yù)警提供決策支持。

3．應(yīng)用方式

監(jiān)測(cè)點(diǎn)

遙測(cè)站主要由采集系統(tǒng)和供電系統(tǒng)構(gòu)成。其中采集系統(tǒng)主要由傳感器單元、單片機(jī)處理系統(tǒng)、顯示單元和嘉復(fù)欣GPRS/CDMA DTU數(shù)據(jù)通信單元構(gòu)成。遙測(cè)站直接通過嘉復(fù)欣 GPRS/CDMA DTU數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送到Internet，經(jīng)由Internet最終進(jìn)入數(shù)據(jù)處理中心。

4．DTU的設(shè)置

嘉復(fù)欣 DTU 同單片機(jī)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(shè)置采用Windows系統(tǒng)自帶的超級(jí)終端軟件，設(shè)置非常方便、簡單。一般需要設(shè)置數(shù)據(jù)中心（DSC）IP地址或域名、通訊端口、DTU ID號(hào)碼、通訊協(xié)議、串口設(shè)置等等。

通訊協(xié)議的設(shè)置

在DTU上可選擇UDP與TCP傳輸協(xié)議。

UDP是一個(gè)簡單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)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(wù)。TCP以增加網(wǎng)絡(luò)開銷的方式提供傳輸保障。由于考慮到大中城市的通訊網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定成熟、監(jiān)控點(diǎn)較多的情況，系統(tǒng)一般選用UDP的傳輸協(xié)議；在縣市鄉(xiāng)鎮(zhèn)一級(jí)的通訊網(wǎng)絡(luò)中，由于通訊網(wǎng)絡(luò)的通訊效果不太好和監(jiān)控點(diǎn)少的現(xiàn)狀，系統(tǒng)一般選用TCP傳輸協(xié)議，兩種通訊協(xié)議能夠在一個(gè)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(wǎng)絡(luò)通訊費(fèi)用。

本套應(yīng)用方案經(jīng)測(cè)試，從采集終端發(fā)出數(shù)據(jù)包到數(shù)據(jù)中心收到數(shù)據(jù)包僅需1-2秒鐘，實(shí)時(shí)性滿足山洪災(zāi)害預(yù)警的需要。

5．監(jiān)測(cè)中心

監(jiān)測(cè)中心（即數(shù)據(jù)中心）可以分級(jí)設(shè)在各級(jí)防汛指揮部辦公室的中心機(jī)房內(nèi)，主服務(wù)器采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2000。各個(gè)監(jiān)測(cè)中心與各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)采用宏電GPRS/CDMA通訊系統(tǒng)建立通訊，各個(gè)監(jiān)測(cè)中心采用專用光纖同電信的Internet連接，并具有公網(wǎng)IP，防汛網(wǎng)絡(luò)同Internet的連接通過硬件防火墻進(jìn)行物理隔離。在具有internet連接的各個(gè)監(jiān)控中心，可以用嘉復(fù)欣的GPRS/CDMA無線通訊系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊，以備在internet網(wǎng)絡(luò)不暢的情況下做應(yīng)急通訊備份。

所有來自遙測(cè)站的數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)（CDMA/GPRS和Internet）首先進(jìn)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(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到主服務(wù)器上，再由數(shù)據(jù)中心程序(軟件)將數(shù)據(jù)讀出并進(jìn)行分析，最后寫入數(shù)據(jù)庫

6．后臺(tái)服務(wù)程序

數(shù)據(jù)中心的程序是在宏電公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫和Demo程序的基礎(chǔ)上開發(fā)的，主要用于遠(yuǎn)程DTU發(fā)送過來的數(shù)據(jù)接收，以及DSC對(duì)遠(yuǎn)程DTU的進(jìn)行參數(shù)修改、指令下達(dá)等數(shù)據(jù)發(fā)送方面。

程序安裝在防辦的主服務(wù)器上，是以后臺(tái)方式不間斷的服務(wù)。接收的數(shù)據(jù)直接寫到主服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)對(duì)接收、發(fā)送以及程序的運(yùn)行狀態(tài)以日志方式進(jìn)行記錄，以便維護(hù)和管理查詢。

7．應(yīng)用模式介紹

山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)對(duì)外部提供WWW Web服務(wù)，用戶可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)登錄該系統(tǒng)Web服務(wù)器訪問預(yù)警決策系統(tǒng)來進(jìn)行汛情信息服務(wù)。

但對(duì)于無法進(jìn)行Internet連接的用戶，我們開發(fā)了專用汛情接收設(shè)備，該設(shè)備可接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送過來的各種監(jiān)測(cè)信息，如實(shí)時(shí)雨量，水位，警戒指標(biāo)，調(diào)度操作指令以及遠(yuǎn)程測(cè)站、機(jī)房的設(shè)備監(jiān)控信息（如電池電壓等、防盜等）。

山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)可以承載圖像、視頻監(jiān)控，在數(shù)據(jù)采集終端增加相應(yīng)的攝像機(jī)，將攝像機(jī)布置才在山洪流經(jīng)的山谷、堤壩滲漏的小溝處，通過視頻服務(wù)器進(jìn)行圖像處理后就可以通過宏電H7921CDMA/GPRS路由器進(jìn)行傳輸，傳輸速度達(dá)到171.2—308Kbit/s，能夠滿足實(shí)時(shí)對(duì)山洪、堤壩、水庫等危情發(fā)生前的情形監(jiān)控。

8．原理和組成

設(shè)備采用PC104嵌入式模塊、工業(yè)級(jí)觸摸屏、以及嘉復(fù)欣DTU組成，設(shè)備可內(nèi)置電源系統(tǒng)，能24小時(shí)不間斷運(yùn)行。本終端設(shè)備改做成便攜式裝置，用于車載和攜帶，形成移動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。

9．廣播系統(tǒng)的組成

山洪災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)除了根據(jù)預(yù)警條件，按照相應(yīng)的預(yù)警級(jí)別自動(dòng)啟動(dòng)（或會(huì)商后人工啟動(dòng)）短信、電話來通知防汛成員單位責(zé)任人、有關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村負(fù)責(zé)人以及農(nóng)戶外，還需在危險(xiǎn)區(qū)域的重點(diǎn)防范地方、集中院落設(shè)立廣播預(yù)警系統(tǒng)。

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

應(yīng)用方式

廣播預(yù)警系統(tǒng)同樣通過CDMA DTU接收數(shù)據(jù)中心發(fā)過來的預(yù)警信息。單片機(jī)接收到中心預(yù)警包后，分析預(yù)警級(jí)別，再發(fā)送預(yù)警包給語音芯片，語音芯片通過喇叭發(fā)出特定預(yù)警語音，告知附近村民采取相應(yīng)措施。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證，數(shù)據(jù)中心發(fā)送預(yù)警包后，3秒鐘左右可以發(fā)出預(yù)警。

總結(jié)

利用CDMA/GPRS網(wǎng)絡(luò)，以及所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)，借助宏電公司的CDMA/GPRS通訊產(chǎn)品，能夠順利完成各級(jí)山洪預(yù)警系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)采集站網(wǎng)的汛情信息傳輸、監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)信息傳送以及預(yù)警廣播信息的傳送，為山洪災(zāi)害的及時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)，以及決策會(huì)商和指揮調(diào)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(yù)警數(shù)據(jù)資料和應(yīng)急行動(dòng)的時(shí)間。
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