GPRS遠程抄表系統應用實踐

由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此監(jiān)測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個電表數據采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機，從而進行數據通信。

1、電表數據采集點:

電表數據采集點位于居民小區(qū)的信息中心，居民用戶的用電數據由復費率電表首先通過RS485接口通過雙絞線連接到位于小區(qū)信息中心的電表集中器，電表集中器再通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連。通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發(fā)送到GSM網絡，通過 GPRS網絡傳送至電力公司數據中心電力遠程抄表系統，實現電表數據和數據中心系統的實時在線連接。

電表集中器通過RS485接口直接連接到電表上，既可支持單個電表，也可以同時支持多個電表，實現對電表參數的采集、存儲、預處理或并將采集到的電表數據實時傳送到配電中心;同時，電表集中器還可將配電中心發(fā)送的遙控指令傳給電表控制模塊，對電表進行控制操作。

2、配電中心。

a)公網接入方案

服務器采用公網方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網等，申請公網固定IP地址;可以實現中小容量的電表數據采集應用。

b)專網接入方案

服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當電表數據采集點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現大容量數據采集應用。

監(jiān)控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監(jiān)控中心計算機主機，通過系統軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理，這樣進一步增強了系統數據通信安全性能。

配電中心計算機主機可進行業(yè)務管理和計費管理，對電力數據進行校驗、計算、存儲、分析、管理等，可對異常情況進行告警，同時對用戶使用情況實時監(jiān)控，保證電力局的合法收益。

3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡:

電表集中器采集的數據經GPRS/GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。

各電表使用GPRS透明數據傳輸終端，通過移動的GPRS網絡與配電中心相連。

電表使用GPRS普通數據卡或APN專用數據卡，同時監(jiān)控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與采集點信息進行關聯，以便識別和維護處理。采集中心運行數據采集中心系統軟件，實時采集電表數據。

凡電力局授權的信息采集點均可以使用本系統:

1、電表數據采集點必須使用移動統一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與供電局數據中心通信。

2、終端設備使用夢網科技公司提供的GPRS移動數據通信終端。

3、用戶登記:符合供電局的規(guī)定。

推薦省級配電中心通過公網使用APN接入到移動GPRS網，這種方式成本比較低，安全性比較高，而且速度和網絡服務質量都保障;也可以通過GPRS專線接入到移動GPRS網，這種方式成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。

由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，配電中心計算機主機配置固定的IP地址，各個電表數據采集點采用GPRS模塊和該主機進行通信。

系統采用MRM6155 DTU無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調度或控制中心與眾多遠端站點之間的數據采集和控制。

? 高度集成GPRS和TCP/IP技術，可實現點對點，點對多點等靈活的無線組網方式

? 內置嵌入式CPU完成復雜的網絡協議，支持PPP、ICMP、TCP、UDP、DNS等協議，為用戶數據提供透明傳輸通道

? 性能穩(wěn)定，保證野惡劣環(huán)境下長期可靠工作，內置看門狗電路

? 支持永遠在線模式，用戶可設置心跳間隔時間和心跳包，保持設備長期在線

? 在網絡故障或中心關閉等情況下，DTU具有條件恢復后自動重連功能

? DTU能夠工作在全透明傳輸方式下保證100%不丟失，除非網絡故障

? DTU能夠工作在全透明傳輸模式和用戶指令模式，以給DTU傻瓜型和靈活性雙重角色

? 支持中心為固定IP方式或動態(tài)IP+動態(tài)域名解析方式

? 提供RS232/RS485/RS422通訊接口，波特率可選擇，從300bps到115200bps，開始位/停止位/奇偶校驗可選，RTS/CTS流控可選

? 支持近端和遠程參數配置與訪問

? 支持遠程喚醒

? 內置FLASH存儲器，能夠長期保存用戶配置的參數

? 支持串口升級固件程序

? 支持APN數據專網業(yè)務

? 抗干擾設計，適合電磁環(huán)境惡劣的應用場合

由于電力遠程抄表系統的特殊性，本系統需要極高的系統安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環(huán)，穩(wěn)定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。

1、APN數據專網模式:企業(yè)內部網絡中配置APN服務器，移動終端使用APN數據專網，由于采用數據專網,服務器與公網Internet隔離,可以有效避免非法入侵。

2、用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

3、可以為每個GPRS數據傳設備單獨配置 DTU ID號和密碼，通過數據中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有數據中心分配的DTU ID號和密碼的GPRS的設備將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。

4、數據加密:可對整個數據傳送過程進行加密保護。

5、網絡接入安全鑒定機制:采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

對于電力部門來說，遠程變電站抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財力。因為變電站數量眾多，地理位置分散，給工作人員帶來極大的不方便。電力公司也可利用GPRS移動數據網絡對各重要電力節(jié)點進行監(jiān)控,自動讀取相關數據并加以分析，還可進一步進行遠程控制或設備維護，可減少人力資源、縮短修護時間并節(jié)省專線建設成本。

電力監(jiān)控

油田監(jiān)測

遠程抄表

路燈監(jiān)控

環(huán)境監(jiān)測

氣象監(jiān)測

水利監(jiān)測

熱網監(jiān)測

電表監(jiān)測

機房監(jiān)控

交通指示

煤炭監(jiān)控

地震監(jiān)測

車輛誘導

供水監(jiān)控

高速公路監(jiān)測

噪聲實時監(jiān)控

環(huán)保重點污染源監(jiān)控

供水管網實時傳輸監(jiān)控

電力配網自動化遙控系統

各類國內外帶串口或485接口的PLC，RTU實現無線數據傳輸等

GPRS DTU最基本的用法是：在DTU中放入一張開通GPRS功能的SIM卡，DTU上電后先注冊到GPRS網絡，然后通過GPRS網絡和數據處理中心建立連接。這條連接涉及了無線網絡運營商，因特網寬 帶供應商，用戶公司的網絡情況，以及用戶的電腦配置等環(huán)節(jié)，因此要建立這條連接需要把各部分都配置好。

在本質上，DTU和數據處理中心建立的是SOCKET連接。DTU是SOCKET客戶端，數據處理中心是SOCKET的服務端。SOCKET連接有TCP協議和UDP協議之分，DTU和中心要使用相同的協議，這個一般都有配置軟件進行配置。

給DTU配置好中心的IP地址和端口號后，則把DTU通過串口和用戶的設備相連。DTU和水文、電力、氣象、環(huán)保等用戶設備通過串口連起來放置在現場。

DTU上電后首先注冊到移動的網絡，然后發(fā)送建立SOCKET的請求包給移動，移動把這個請求發(fā)送到因特網。中心的服務端軟件接收到請求后建立連接，并發(fā)送應答信息。

DTU發(fā)送的請求信息是因特網上的數據包，有一些原因會阻止中心收到連接請求包，這樣也就不能建立連接。最常見的有中心的電腦上有殺毒軟件、防火墻等把這些數據包給屏蔽了。另一是中心電腦是通過路由器上網的，在路由器上要設置數據轉發(fā)。SOCKET連接建立后就可以雙向通信了。

GPRS DTU上電后，首先讀出內部FLASH中保存的工作參數（包括GPRS撥號參數，串口波特率，數據中心IP地址等等，事先已經配置好）。

GPRS DTU登陸GSM網絡，然后進行GPRS PPP撥號。撥號成功后，GPRS DTU將獲得一個由移動隨機分配的內部IP地址(一般是10.X.X.X)。也就是說，GPRS DTU處于移動內網中，而且其內網IP地址通常是不固定的，隨著每次撥號而變化。 我們可以理解為GPRS DTU這時是一個移動內部局域網內的設備，通過移動網關來實現與外部Internet公網的通信。這與局域網內的電腦通過網關訪問外部網絡的方式相似。

GPRS DTU主動發(fā)起與數據中心的通信連接，并保持通信連接一直存在。 由于GPRS DTU處于移動內網，而且IP地址不固定。因此，只能由GPRS DTU主動連接數據中心，而不能由數據中心主動連接GPRS DTU。這就要求數據中心具備固定的公網IP地址或固定的域名。數據中心的公網IP地址或固定的域名作為參數存儲在GPRS DTU內，以便GPRS DTU一旦上電撥號成功，就可以主動連接到數據中心。

具體地講，GPRS DTU通過數據中心的IP地址（如果是采用中心域名的話，先通過中心域名解析出中心IP地址）以及端口號等參數，向數據中心發(fā)起TCP或UDP通信請求。在得到中心的響應后，GPRS DTU即認為與中心握手成功，然后就保持這個通信連接一直存在，如果通信連接中斷，GPRS DTU將立即重新與中心握手。

由于TCP/UDP通信連接已經建立，就可以進行數據雙向通信了。

對于DTU來說，只要建立了與數據中心的雙向通信，完成用戶串口數據與GPRS網絡數據包的轉換就相對簡單了。一旦接收到用戶的串口數據，DTU就立即把串口數據封裝在一個TCP/UDP包里，發(fā)送給數據中心。反之，當DTU收到數據中心發(fā)來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發(fā)送給用戶設備。

通過有線的數據采集中心，同時與很多個GPRS DTU進行雙向通信。這是目前GPRS DTU應用系統中最為常用的方式。

（1）內部集成TCP/IP協議棧

GPRS DTU內部封裝了PPP撥號協議以及TCP/IP協議棧并且具有嵌入式操作系統，從硬件上，它可看作是嵌入式PC與無線GPRS MODEM的結合；它具備GPRS撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能。

（2）提供串口數據雙向轉換功能

GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都屬于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU在設計上大都將串口數據設計成“透明轉換”的方式，也就是說GPRS DTU可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送，而不需要改變原有的數據通信內容。因此，GPRS DTU可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接，而且不需要對用戶設備作改動。

（3）支持自動心跳，保持永久在線

GPRS通信網絡的優(yōu)點之一就是支持GPRS終端設備永久在線，因此典型的GPRS DTU在設計上都支持永久在線功能，這就要求DTU包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線（當長時間沒有數據通信時，移動網關將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數據中心在連接被斷開之前發(fā)送一個小數據包，以保持連接不被斷開）、支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。

（4）支持參數配置，永久保存

GPRS DTU作為一種通信設備，其應用場合十分廣泛。在不同的應用中，數據中心的IP地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都應支持參數配置，并且將配置好的參數保存內部的永久存儲器件內（一般為FLASH或EEPROM等）。一旦上電，就自動按照設置好的參數進行工作。

GPRS DTU使用場合一般可以從以下幾個實際應用角度來講：

（1） 現場只能使用無線通信環(huán)境

當數據采集現場的設備需要在移動中工作，或者采集現場處于野外等情況下，無法提供有線通信的環(huán)境。這個時候，采用GPRS無線網絡就可能是一個好的選擇，因為GPRS網絡的覆蓋率在國內已經很高，全國大部分地區(qū)均有GPRS信號覆蓋。

（2） 現場終端的傳輸距離分散

由于GPRS網絡是覆蓋全國的公共網絡，因此采用GPRS來傳輸數據的一大優(yōu)勢就是現場采集點可以分步在全國范圍，數據中心與現場采集點之間的距離不受限制。無線公網通信（包括GPRS/CDMA網絡,3G網絡等）這個非常顯著的優(yōu)點是專用無線通信網絡（比如數傳電臺，WiMax，WLAN等）無法達到的。

（3） 適當的數據實時性要求

國內GPRS網絡，其傳輸數據的延時為秒級范圍。在絕大部分時間下，GPRS數據通信的平均整體延時為2秒左右。也就是說，從GPRS DTU端發(fā)送的數據包將大致在2秒鐘后到達數據中心。反之，從數據中的數據包也大致在2秒鐘后到達GPRS DTU。

總的來說，GPRS這種實時性，可以滿足大多數行業(yè)應用的要求。 但是，對于一些特定的應用系統，如果不能承受2秒左右的平均延時，那么GPRS通信方式就可能是不適合的。（另外，CDMA網絡的傳輸延時也是1秒-2秒左右）。

從另一個角度來講，如果我們要設計的系統希望通過GPRS網絡來傳輸數據，那么就要在設計通信協議時候考慮這種延時的情況。

（4） 適當的數據通信速率

GPRS DTU與數據中心的數據通信速率一般在10kbps-60kbps之間。從也就是說，GPRS DTU可以持續(xù)不斷地以10bps-60kbps的速度向中心發(fā)送數據，反之亦然。（補充說明：國內CDMA網絡的數據通信平均速率可以達到40kbps-90kbps左右）從系統應用可靠性角度來講，我們認為當應用系統本身的數據平均通信量在30kbps以內的時候，使用GPRS網絡來進行數據傳輸是比較適合的。

也可以從另外一方面，例如果通過GPRS網絡來進行遠程傳輸數據，那么就需要把數據平均通信量控制在30kbps之內。（注意：這里的平均持續(xù)通信速率和瞬間通信速率是有區(qū)別的，與設備串口波特率也不是同一個概念）

以上的幾點可以用于判斷應用系統是否適合采用GPRS網絡進行數據傳輸，如果這幾個方面都比較符合的話，那么采用GPRS DTU進行數據傳輸是非常合適的。