GSM與GPRS技術(shù)在水文無線監(jiān)測中的比較

武 建，于淼淼，錢繼兵

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250013)

水文監(jiān)測的主要任務(wù)是測定江河湖庫降雨量、水位、流量等水文要素自然變化情況，是一項基礎(chǔ)、前期的工作，是防汛抗旱的耳目和參謀，其質(zhì)量和精度將直接影響水情的實時性和準(zhǔn)確性，影響防汛抗旱決策的科學(xué)性，因此，強(qiáng)化水情采集、傳輸、存儲工作，提高水情測報質(zhì)量成為當(dāng)務(wù)之急。

1 無線監(jiān)控系統(tǒng)

無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是通過無線電波傳送數(shù)據(jù)信息的一種通信技術(shù)。無線傳輸方式有多種，在此，只討論目前技術(shù)較為成熟且應(yīng)用于水文行業(yè)中較為可行的實施方案。

1.1 GSM系統(tǒng)

GSM系統(tǒng)即全球移動通信系統(tǒng) （Global System for Mobile Communication，GSM），也稱“全球通”，是第二代無線數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，世界上首次出現(xiàn)了對數(shù)字調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)內(nèi)容作了規(guī)定的蜂窩移動通信系統(tǒng)——GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)。

GSM系列主要有 GSM900、DCS1800和 PCS1900三部分，三者之間的主要區(qū)別是工作頻段的差異。

1.2 GPRS系統(tǒng)

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù) （General Packet Radio Service）的英文簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接，它采用GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，通過與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)多點雙向通信。

GPRS基本原理是，當(dāng)用戶上傳或下載互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)不是利用當(dāng)時承載服務(wù)所采用的電路連接，而是利用分組將數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳送，達(dá)到多用戶間對網(wǎng)絡(luò)資源的共享。另外，數(shù)據(jù)傳送使用GPRS，而語音傳送使用GSM，使下載資料和通話可以同時進(jìn)行。為此，它不但可以為GPRS用戶提供GSM移動電話通信的所有功能，更為突出的是為GPRS用戶提供了一種更快捷、更方便、更便宜、更持久的移動上網(wǎng)方式。GPRS目前被認(rèn)為是移動通信從第二代向第三代過渡的重要一環(huán)。

2 無線監(jiān)控應(yīng)用于水文監(jiān)測工作的必要性

我國水文事業(yè)發(fā)展至今，從傳統(tǒng)的人工干預(yù)監(jiān)測技術(shù)來看，尚存在若干問題：1)記錄方式以模擬方式為主，通常采用傳統(tǒng)媒體作為記錄載體；2)數(shù)據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費時易錯；3)水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文事業(yè)的需求。因此，要用自動化技術(shù)促進(jìn)水文監(jiān)測自動化的發(fā)展。

基于移動通信公司的通信平臺，構(gòu)建水文信息采集傳輸系統(tǒng)，從而將無線監(jiān)控應(yīng)用于水文監(jiān)測工作中，一方面可以加強(qiáng)報汛站測報基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快水情信息及時、準(zhǔn)確采集，保證安全傳輸，提高水文測報和防洪減災(zāi)能力；另一方面，基于GSM/GPRS公網(wǎng)信道的現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)，安裝方便、維護(hù)簡單，并能夠有效面對各種復(fù)雜地形，提高報汛的時效性，增加了洪水預(yù)報的有效預(yù)見期和預(yù)報精度，從而取得防汛的主動權(quán)。

3 基本技術(shù)比較與選擇

3.1 技術(shù)復(fù)雜度與成熟度比較

基于GSM的系統(tǒng)相對簡單一些，通信雙方只需通過GSM模塊聯(lián)接GSM網(wǎng)絡(luò)即可。通信方既可以是現(xiàn)場終端，也可以是手機(jī)或PC等數(shù)據(jù)中心（既可以是移動設(shè)備也可以是固定設(shè)備）。

基于GRPS的系統(tǒng)一般均由數(shù)據(jù)中心和GPRS終端組成。數(shù)據(jù)中心可通過GPRS Modem或互聯(lián)網(wǎng)與移動公司連接，主要完成采集、接收數(shù)據(jù)、信息，進(jìn)行解包處理并存入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理；GPRS終端一般連接儀表等現(xiàn)場設(shè)備，一臺GPRS終端一般可以連32臺儀表（若采取適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)措施可以連接更多）。一旦GPRS終端上電，便與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)中心從接收到的數(shù)據(jù)包中可獲得與對方通信必需的信息，這樣兩者就建立了可相互通信的鏈路，可以隨時進(jìn)行無線數(shù)據(jù)采集。在常用的GPRS業(yè)務(wù)中，GPRS網(wǎng)就相當(dāng)于Internet的一個局域網(wǎng)，因此通信剛開始時，GPRS終端要先發(fā)起連接數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心從接收到的數(shù)據(jù)包中獲得通信必需的信息后才能訪問GPRS終端。

GPRS終端與基站是通過空中接口連接的。數(shù)據(jù)中心的連接方式在實際應(yīng)用中多種多樣，常用的方式有兩種:1)數(shù)據(jù)中心通過GPRS modem撥號上GPRS網(wǎng)，這種撥號上網(wǎng)獲得的IP地址可以是動態(tài)的，也可以是靜態(tài)的，這種方式在實際中用的不多；2)數(shù)據(jù)中心接入因特網(wǎng)（Internet），可以充分利用因特網(wǎng)的許多成熟技術(shù)，如動態(tài)域名、端口映射等，還可以把數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接架構(gòu)在公司原有的網(wǎng)絡(luò)上。

以上可以看出GPRS的配置、安裝及技術(shù)要求都比GSM要復(fù)雜得多，一般需要參考配置手冊完成。

3.2 費用以及時間延遲比較

GSM SMS方案的設(shè)備費用包括:SIM卡2張，共50元；2個 GSM模塊，共 600元；在傳輸過程中，按照客戶端以每分鐘一條的頻率發(fā)送短信數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包包含了當(dāng)時的參數(shù)，每條短信最便宜0.02元，每個小時的費用為60×0.02=1.2元，每月的費用為86元。GPRS方案的設(shè)備費用包括:2個GPRS模塊共1000元；SIM卡2張，共50元；每張APN卡包月的費用為150元，不限制流量。

測試數(shù)據(jù)表明，使用GSM短信模塊在中國移動網(wǎng)內(nèi)同一地區(qū)和品牌的手機(jī)號之間，非短信高峰期，且手機(jī)信號強(qiáng)度良好的情況下一條短信的時間延遲至少為11s，最長可達(dá)數(shù)分鐘。而使用GPRS發(fā)送平均大小為60B的數(shù)據(jù)包，平均時間延遲為5s。

對比結(jié)果可以看到，在無線監(jiān)控發(fā)動機(jī)狀態(tài)的項目中，GPRS數(shù)據(jù)傳輸方案的性價比明顯高于GSM短信方案。根據(jù)山東省最新GPRS資費顯示，對于GPRS業(yè)務(wù)資費將會進(jìn)一步減少。

3.3 二者的適用范圍界定

GSM的SMS和GPRS技術(shù)自身工作原理和特性決定了它們各自的適用場合和系統(tǒng)。通過GSM的SMS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，具有無需額外地建立連接、系統(tǒng)組建簡單、成本低的特點。但由于短消息長度有限，數(shù)字或英文最多只能發(fā)送160個，按條數(shù)計費，因此只適合于傳輸數(shù)據(jù)量較小且通信頻率不高的系統(tǒng)，比如安防監(jiān)控、電表抄表等。而GPRS的工作原理保證了它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速度快，按流量計費?！坝肋h(yuǎn)在線”方式則可以保證通信雙方更加快速隨時地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，基于GPRS的系統(tǒng)適合于這種通信頻繁、數(shù)據(jù)量大、實時性要求較高的復(fù)雜系統(tǒng)，比如儀表數(shù)據(jù)采集等。

3.4 水文行業(yè)應(yīng)用比較

GSM模塊中插入中國移動神州行SIM卡；經(jīng)RS232口連接到計算機(jī)。在客戶端和服務(wù)器端的計算機(jī)設(shè)置GSM模塊的串口參數(shù)，在客戶端軟件設(shè)置接收端的手機(jī)號碼，即可投入使用。

對于 GPRS Modem,需插入 APN的 SIM卡、安裝天線、連接RS232電纜到Modem的用戶配置端口。運行Windows操作系統(tǒng)的超級終端，設(shè)置端口速率為38 400，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗無，停止位1，數(shù)據(jù)流控?zé)o。發(fā)送控制命令設(shè)置Modem的參數(shù)如下:接入點名稱APN，服務(wù)代碼，PPP用戶名和密碼，數(shù)據(jù)中心(即服務(wù)器接收設(shè)備)的設(shè)置IP地址、端口號、傳輸協(xié)議、用戶串口的波特率、校驗、數(shù)據(jù)位、停止位、流控制。設(shè)置完成后退出并重新啟動Modem以更新配置。

GSM模塊的配置比GPRS Modem的配置要簡單很多；只要把GSM Modem的串口和接收號碼設(shè)置完成即可。而GPRS Modem的配置對普通用戶過于復(fù)雜；一般需要參考配置手冊完成。

4 結(jié) 語

綜上所述，GSM方案具有設(shè)備簡單、價廉、部署方便的特點；但時間延遲較大、二次開發(fā)復(fù)雜、可靠性低、傳輸速率小。GSM方案適合于數(shù)據(jù)傳送頻率小，時延要求低，數(shù)據(jù)量小的場合，如環(huán)境水質(zhì)監(jiān)控、糧倉監(jiān)控等。GPRS方案具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高、安全性強(qiáng)、二次開發(fā)簡單、永遠(yuǎn)在線的特點；但是GPRS設(shè)備價格高，需要向移動公司申請APN業(yè)務(wù)，系統(tǒng)部署較復(fù)雜。該方案適合于數(shù)據(jù)量大、實時性要求高、時延小的場合，如空間電場實時遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、電力變電站的遠(yuǎn)程抄表和監(jiān)控、水情報汛等。

雖然長遠(yuǎn)看來，使用GPRS已經(jīng)成為一種趨勢，但目前的條件，以開發(fā)GSM的短信業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足需要，并且更為容易掌握，可以作為短期的一個過渡?？紤]到升級擴(kuò)展方便，可以選用同時支持SMS和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ拍K，如西門子的MC35i等。

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