供水GPRS调度监控系统方案.doc
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基于GRPS无线供水调度系统监控
上海正伟数字技术有限公司
基于GRPS无线供水调度系统监控
1.概述
随着社会的发展，各种远程实时数据监控（如电力监控、自来水监控、配网自动化等）越来越多，我们通过采用先进成熟的GPRS DTU模块为远程数传模块，依托稳定、可靠的中国移动GPRS网络，在保证数据传输的及时、准确的前提下，将数据监控系统运行费用也降低到了最低；同时通信链路是由专业的运营商来维护，这就避免了用户在使用监控系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。
2.GPRS网络简介
图一：
GPRS网络构成原理图
GPRS是在GSM基础上发展起来的一种向3G过渡的技术。
GPRS在移动用户和数据网络之间提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。
如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，数据速率最高可达164kb/s。
GPRS的最大优势在于其数据传输速度不是GSM所能比拟的。
目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS理论上目前更是达到了115Kbps（此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍）。
除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。
3.GPRS网络的覆盖现状
中国移动GPRS网络经过几年建设已日臻成熟，地区的覆盖率超过90%，GPRS信号达到了无盲区覆盖。
4.基于GPRS网络的无线数据传输系统
4.1系统简介
无线数据采集系统是集计算机技术、通信技术及数据采集技术于一体综合系统，通过数据采集器，获取各终端的供气数据，采用通信接口及传输设备将其传输到数据业务中心，实现对各终端的全面监控。
基于GPRS网络的无线数传系统主要由三大部分组成：
（1）数据终端设备：
数据采集终端设备和无线数据终端（DTU）设备；
（2）传输网络：
中国移动GPRS无线网络；
（3）数据业务中心：
实时数据收发服务器、实时数据库服务器及用户控制操作界面等。
本章主要就基于GPRS网络的无线数据传输系统构成、系统特点、实际应用方式以及数据中心连接方式等方面作详细介绍。
4.2基于GPRS无线数据传输系统结构
图二：
基于GPRS无线数据传输系统结构示意图
4.3数据中心接入GPRS网络方法介绍
图三：
数据中心网络接入GPRS网络的几种方式示意图
如图所示，数据采集设备通过GPRS DTU通讯模块与数据监控中心主机进行数据通讯，数据监控中心必须接入GPRS网络才能实现与GPRS DTU的通信，目前移动公司提供丰富多样的接入方法，大致分三类：
专线、无线和Internet互联网，以下就中心站接入网络方式作进一步详述：
方案一（GPRS接入）特点：
1）此种方案适用于没有接入Internet、而且对安全要求极高的企业；
2）适合总数据带宽需求不太大的应用；
3）全部数据在GPRS网内运行；
4）要求所有GPRS终端之间可以直接通讯；
5）中心GPRS数据终端接入点邦定固定IP地址（即至少提供一个邦定固定IP地址的SIM卡）。
方案二（Internet接入方式）特点：
1）企业已有稳定的、永久的连接到Internet的接入；
2）GRE两端地址、RADIUSSERVER地址和企业路由器端口地址都必须是公有的。
考虑到IP地址广播，企业端的路由器端口地址，GRE隧道端地址，RADIUSServer地址应由为该企业提供Internet连接的ISP提供；
3）不存在跨市的问题，企业数据中心服务器与移动通讯GGSN服务器不必在同一城市。
方案三（专线接入）特点：
1）此种方案适于企业没有接入Internet或企业对安全方面考虑较高。
适合金融证券、工业监控等行业使用；
企业通过专线接入GMCC7513路由器，用户端的接入路由器必须提供公有的IP地址。
2）数据监控中心，供气站RTU设备通过GPRSDTU通讯模块与数据监控中心主机以无线方式进行数据通讯。
方案四（直接接入）特点：
1）此种方案适用于没有接入Internet、而且对安全要求极高的企业。
适合金融、证券等行业使用；
2）企业在运营商一端放置GRE路由器，路由器不经过GPRS防火墙直接接入GPRS内部网络；
3）此种方案对GPRS网络构成一定程度安全威胁。
优先推荐数据监控中心使用GPRSModem无线接入方式，这主要是考虑到通讯时数据的保密安全性及网络的延时有关。
这种接入方法唯一问题是数据中心数据传输带宽有限，目前中国移动能够提供80~100Kbit/s带宽。
如果用户方便，数据业务中心也可使用公网固定或动态IP接入方式作为备选方式。
4.3.1专线接入
图四：
数据中心专线接入示意图
中国移动提供VPN业务，可为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络，通过分配一个固定IP地址网段，如IP地址段为172.17.1.0~172.17.1.255，子网掩码为255.255.255.0，表示为用户提供256个GPRS固定IP地址，这些地址只能在该用户的VPN内部之间通信，不能与其他用户的VPN节点通信，也不能与通过Internet接入的用户节点通信。
移动公司可为每一台GPRSDTU的SIM卡分配固定IP地址，数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯。
也可不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，在指定网段内动态获得IP地址，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。
用户的数据监控中心经数据专线（或光纤）直接连接至移动公司GGSN服务器。
这种接入方法的特点：
（1）数据安全性好，在用户VPN网络内部通信，与外界任何环节无关。
（2）数据中心数据传输带宽能够保证，使用数据专线方式，带宽可达2M。
（3）网络延时小、稳定性高，直接在GPRS网络内部通信，减少了转接的环节，也降低了数据传输延时，能够最可靠地保证数据传输的稳定性，降低丢包概率。
（4）接入成本和费用较高，接入的专线或光缆费用较高，另外用户需要支付专线的月使用费（约2000元/月）。
4.3.2无线GPRSModem连接
图五：
数据中心无线接入示意图
与上述相同，也利用中国移动提供VPN业务，为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络，通过分配一个固定IP地址网段，这些地址只能在该用户的VPN内部之间通信，不能与其他用户的VPN节点通信，也不能与通过Internet接入的用户节点通信。
移动公司可为每一台GPRSDTU的SIM卡分配固定IP地址，数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯。
也可不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，在指定网段内动态获得IP地址，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。
用户的数据监控中心经无线GPRSModem连接至移动公司GGSN服务器。
这种接入方法的特点：
（1）数据安全性好，在用户VPN网络内部通信，与外界任何环节无关。
（2）数据中心数据传输带宽有限，受GPRS无线信道带宽限制，目前中国移动能够提供40~80Kbit/s带宽。
（3）直接在GPRS网络内部通信，网络延时小、稳定性高。
（4）接入成本和费用较低，仅需购买1台GPRSModem即可，使用费用按数据流量计费。
4.3.3ADSL拨号连接（动态公网IP地址）
图六：
数据中心ADSL拨号接入示意图
中国移动GPRS网络与Internet互联网是无缝连接的，数据监控中心可通过ADSL拨号方式登录Internet互联网，获得公网IP地址，与现场采集点GPRSDTU实现数据通信。
一般ADSL拨号方式获得的公网IP地址是动态的，可在数据中心申请固定域名，在DTU中设置数据中心的域名，通过域名解析方法，实现数据传输。
另外，移动公司也不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。
这种接入方法的特点：
（1）通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。
（2）数据中心数据传输带宽能够保证，一般ADSL宽带上网的带宽都在几百Kbit/s左右。
（3）接入成本和费用较低，非常方便，ADSL线路月使用费为500~600元/月。
4.3.4通过固定公网IP连接
与上述ADSL拨号获得公网动态IP地址方式类似，很多公司都有一台连接Internet的服务器，并有固定公网IP地址，但是考虑到服务器的稳定运行问题，通常不允许在服务器上安装其他应用软件。
通过NAT端口映射方式，数据中心系统可以作为内网中的一台服务器实现与现场采集点GPRSDTU实现数据通信。
同样移动公司也不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。
图七：
数据中心固定公网IP地址接入示意图
这种接入方法的特点：
（1）数据监控中心能够提供固定公网IP地址，不必借助DNS域名解析服务器。
（2）通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。
（3）数据中心数据传输带宽能够保证，一般宽带上网的带宽都在100Kbit/s左右。
（4）接入成本和费用较低，非常方便，公网线路月使用费（含固定IP地址）为800~1000元/月。
4.4数据传输模式
4.4.1永远在线模式
描述：
保持DTU与数据中心永久连接。
工作过程：
DTU开机时自动连接GPRS网络，根据数据中心的IP地址自动连接数据中心，并保持和维护链路的连接，DTU监测链路情况运行，当网络发生异常，DTU会在故障恢复后自动重新建立链路。
4.4.2定时传输模式
描述：
由DTU定时向中心发送数据。
工作过程：
根据事先设置的发送数据间隔向数据业务中心（DSC）发送数据和接收数据，数据收发完毕，自动断线。
4.4.3中心呼叫模式
描述：
由数据中心发起数据传输请求，DTU应答并发送/接收数据。
工作过程：
当中心需要收集或发送DTU端的数据时，数据中心发出呼叫指令，DTU立即连接GPRS网络并登录数据业务中心，按数据中心的指令传输数据。
4.4.4数据触发模式
描述：
当有用户数据传输时，由DTU发起连接。
比如可以设置为在发生告警或其他意外情况下，立即向数据中心发送数据。
工作过程：
当有用户数据传输时，DTU连接GPRS网络并登录数据中心，传输数据。
4.5基于GPRS无线数据传输系统特点
（1）透明数据传输：
GPRSDTU直接提供RS232或RS485接口，使用简单、方便，为用户的数据设备提供透明传输通道。
（2）无需后台计算机支持：
普通GPRSModem通常需要附着在PC机上虚拟拨号上网，利用PC机的资源进行数据收发和协议转换，GPRSDTU内置自动网络连接和协议处理模块，无需后台计算机支持。
（3）支持点对点、点对多点、双向实时数据传输：
GPRSDTU可以实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输，传输时延一般小于1秒。
（4）永远在线：
GPRSDTU一开机就能自动登录到GPRS网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。
（5）按流量计费：
GPRSDTU一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。
（6）高速传输：
GPRS网络的传输速度最快将达到160Kbps，速率的高低可以由中国际法移动进行网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供40~80Kbps的稳定数据传输。
5.关于应用方案的建议
供水公司对水厂的调度系统，对数据传输过程的实时性和整个系统的稳定性都要求比较高，针对实际供水系统中的情况以及设计中考虑到系统的可扩展性，给出以下用户方案。
图八：
调度系统网络拓扑结构图
如图所示，数据业务中心通过ADSL接入INTERNET，前端采集设备采用研华ADAM4050模块，无线数据终端DTU采用上海正伟GPRSDTU，以下就此系统进行具体描述。
5.1数据业务中心
5.1.1数据业务中心组网
中心站通过从中国电信申请ADSL宽带业务，很方便组建数据业务中心服务器，ADSL接入的带宽一般都在几百K到几M之间，这有效的保障了中心站通信中的带宽资源问题。
但就目前ADSL宽带业务接入方式来说，多数无法提供静态公网IP地址，因此在中心站需申请动态域名解析，域名服务可由INTERNET相关运营商提供，因前端无线数据终端DTU支持动态域名解析，从而能够实现数据中心与前端无线数据终端DTU的双向通信。
5.1.2数据业务中心软件——数据控制中心GPRS调度系统软件
u软件设计
数据控制中心GPRS调度系统软件是整个系统的关键，系统能够发出各种命令，能够将各DTU终端检测到的有效数据实时的采集起来，能够将采集到的数据存入数据库，能够对数据库进行计算，处理，统计，分析，并将处理结果汇成表格或图形显示出来；
调度中心主机采用WINDOWS2000SERVER版操作系统，编程语言为DEPHPI7.0并用GPRS动态库，如gprs_dll.dll、GPRS_SMM.dll、misc.dll等连接GPRS通信。
同时进行前后台操作。
数据的采集，显示，运算，打印可以同步进行操作。
u功能实现
数据控制中心GPRS调度系统应用软件功能必须具备以下功能：
1．遥测管理：
数据控制中心GPRS调度系统软件可实现遥测遥信管理，报警，参数设置，运算方式设置，校时，复位，选呼。
能够自动巡检，在规定的时间内对系统所有测点遥测或遥信一遍，数据能显示和存储在数据库；能够选点自动巡检，在规定时间内对系统部分测点进行动态巡检。
2．数据管理：
数据控制中心GPRS调度系统软件，发出各种命令，能够将各DTU终端检测到的有效数据实时采集，采集后数据存入数据库，对数据库进行各种计算，处理，统计，分析。
3．系统维护：
快速维护、远程故障诊断、远程维护、用户设置、权限设置、数据库维护。
4．报表管理：
具有日报、月报、年报等报表功能。
现场智能水表的压力、流量、温度、泵机的开停状态和转速、调节阀开度数据。
统计分析数据：
最大值、最小值、平均值、条件过滤、累计、标准偏差、相关性分析补水累计等。
主参数显示各测点模拟量脉冲量实时数据，企业月供水量：
用电量统计报表计算，预览，打印。
5．图形管理：
历史曲线：
显示24小时测点压力直方图；显示某一测点日出水量/电量直方图。
动态图：
供水系统网络图，实时数据可实时反应在动态图上。
6．WEB企业网：
企业网WEB网页设计有：
色彩、字体、导航等的设计，具体还可分为美工、内容、速度、技术、创意、兼容、排版等内容。
在WEB功能上可实现以下：
内容发布系统、在线调查系统、网上购物系统、会员注册系统、信息检索系统、社区论坛系统、网上留言系统、在线招聘系统、邮件订阅系统。
u软件风格
支持大画面、导航图
用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。
方便的变量替换
可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。
自定义菜单
支持二级子菜单。
丰富的提示文本
系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。
任意选择画面中的图素
在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作
变量
a） 定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记录属性等。
b） .定义结构变量时自动继承结构成员的属性。
c） .结构变量可整体赋值。
d） 结构变量可作为自定义函数的参数。
e） 在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。
非线性表
非线性表新增导入导出功能，能导出为逗号分隔文件（*.csv），可在文本状态编辑或传送，编辑完成后还可导入，据此可实现不同工程中的非线性表重复利用。
网络状态的控制和显示通过引用网络上计算机的“$网络状态”变量得到网络通讯的状态。
同时，能够对网络的通讯状态进行控制。
对于定义“网络节点”的网络通讯方式，是在网络设备上建立commerr寄存器来完成网络状态的显示和控制。
5.2数据终端设备
5.2.1 正伟 GPRSDTU数据传输模块
GPRSDTU设备是基于GPRS网络的数据接口设备，符合IS-95A、IS-95BGPRS空中接口标准，通过RS232或RS485串行口直接与行业应用设备连接。
即插即用，连接简单，可在数据中心和现场进行设置。
图九：
DTU外形示意图
5.2.1.1基本特点
Ø支持800/1900MHz双频
Ø使用方便、灵活、可靠
Ø符合FCC/SAR和CDG1/2&3标准
Ø数据终端永远在线或工作模式选择
Ø实时时钟
Ø外置机型直流电压输入范围宽（+7.5~26VDC），满足复杂的应用环境
Ø体积小、功耗低，适合嵌入式使用
Ø
5.2.1.2增强功能
Ø支持PPP协议、TCP/IP协议、UDP/IP协议
Ø透明数据传输与协议转换
Ø支持虚拟数据专用网
ØSIM卡特殊功能配置
Ø短消息数据备用通道（选项）
Ø通过Xmodem协议进行软件升级
Ø支持空中软件升级和远程维护（选项）
Ø自动检测网络连接状况
Ø断线自动连接、设备自诊断、自恢复
Ø抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求
Ø防潮设计，适合室外应用
5.2.1.3传输效率
u用户数据传输效率（用户数据占网络层总数据的比例）：
GPRSDTU支持不同的用户数据包长度，1~1024字节长度可选，数据包长度不同其传输效率不同。
下面按照DTU所支持的最大用户数据包长的情况下，即1024字节包长计算。
ØDTU主动发起到数据中心的单向数据传输：
最大传输效率（w）=97.3%
Ø双向主动互传：
最大传输效率（w）=95.9%
u传输时延（从发送到接收数据之间的时间）：
不同的用户数据包长度，传输的时延不同。
根据目前移动GPRS网络状况，其网络正常时,测试情况如下
Ø用户数据包长为200字节以下：
从DTU发出的数据平均0.75秒到达数据中心。
Ø用户数据包长200~500字节：
从DTU发出的数据平均1秒之内到达数据中心。
Ø用户数据包长大于500字节：
从DTU发出的数据平均2秒之内到达数据中心。
u稳定性
Ø有效率：
发送成功数据占总发送数据比例
根据大量用户使用结果来看，在网络正常的情况下，一般数据包的发送和接收均无漏码错码。
Ø稳定性综合参数：
有效率x传输效率
网络有效带宽和用户数据包长（MTU）之间存在着极其重要的关系，一般MTU增大到200字节以上不会明显增加带宽，但会增大平均延迟，测试结果表明MTU的最优大小是200字节左右。
Ø断线自动连接
自动检测网络连接状况
设备自诊断、自恢复
5.2.1.4主要技术指标
Ø用户接口
支持RS-232
支持音频接口，方便维护操作
Ø供电
电压 +7.5~26VDC
功耗 通信中平均450mA
空闲时25mA
Ø结构
内部连接可靠性：
GPRS模块与PCB、SIM卡之间均为固定连接
产品尺寸：
83.5x47x17.5mm
安装方便：
外壳螺丝固定
防震：
接插件少，具良好抗震性能
Ø配置
菜单式配置（超级终端，无需专用软件）
维护软件配置
Ø平均无故障时间
40000小时。
Ø环境参数
Ø工作环境温度 -30~+70ºC
Ø储存温度 -40~+85ºC
相对湿度：
95%（无凝结）
5.2.2正伟GPRSMODEM模块
5.2.2.1设备特点
基本特点
l即插即用，使用方便、灵活、可靠
l支持双频GSM/GPRS
l符合ETSIGSMPhase2+标准
l数据终端永远在线
l支持A5/1&A5/5加密算法
增强功能
l短消息发送
lSTK卡特殊功能配置
l支持USB1.1
l提供音频接口并支持拨号
l电话号码簿
l通过Xmodem协议进行软件升级
5.2.2.2技术参数
技术指标：
音频
l支持通话或紧急呼叫
l支持全速率，增强全速率和半速率
l支持双音多频（DTMF）
GPRS数据
lGPRSClass10
l编码方案：
CS1-CS4
l符合SMG31bis技术规范
接口
l天线接口：
50Ω/SMA阴头
lSIM卡：
3V/5V，自动检测
lUSB接口：
1.1
l话音接口：
耳机和麦克风
供电
l供电电源：
USB
l功耗：
通信中平均460mA，空闲时25mA
操作系统
lWindows98/ME
lWindows2000
lWindowsXP
lLinux
其他参数
l尺寸：
90x60x15（不包括天线）
l重量：
100g
l工作环境温度：
-20~+70ºC
l相对湿度：
95%（无凝结）
6.几种数据采集常用通信方式比较
传输方式
比较内容
GPRS
DTU
有线
拨号方式
有线
专线方式
光纤
传输模式
覆盖范围
全国
全国
区域
区域
建设费用
一般
较低
较高
高
施工难度
较低
一般
较高
高
施工周期
较短
一般
较长
长
计费方式
流量
时间+次数
租赁
租赁
运行费用
较低
较高
高
高
通信速率
较高
一般
高
高
误码率
较低
高
较低
低
可靠性
较高
一般
较高
较高
实时性
较高
极低
较高
较高
维护成本
极低
一般
较高
较高
应用场合
分散、实时数据传输
对实时无要求的场合
较大数据实时传输
较大数据实时传输
传输方式
比较内容
GPRS
DTU
短消息
超短波
无线数传电台
覆盖范围
全国
全国
不大于20KM
建设费用
低
低
高
施工难度
较低
低
高
施工周期
较短
较短
长
计费方式
按流量无月租
条/0.1元
占频费
运行费用
较低
较高
一般
通信速率
40~80KBps
1.2kBps
误码率
较低
较高
高
可靠性
较高
一般
低
群收群发
支持
不支持
不支持
传输时延
短
长
短
网络协议
支持
不支持
不支持
维护成本
低
低
高
GPRSDTU的核心功能
1）内部集成TCP/IP协议栈
GPRSDTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式PC与无线GPRSMODEM的结合；它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。
2）提供串口数据双向转换功能
GPRSDTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都属于常用的串行通信方式，而且GPRS
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