供水管網(wǎng)GPRS數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)應用方案第一部分概述

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展、城市規(guī)模的擴大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，城市的供水管網(wǎng)系統(tǒng)也越來越龐大，管網(wǎng)監(jiān)測難度越來越大.且許多供水管線的填埋情況復雜、資料不清，有些管線甚至僅憑當時施工工人的記憶去尋找，造成諸多設計上的失誤和施工中的事故。

采用人工方法，借助圖紙、各類卡片來管理城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)，已越來越難以滿足實際需要。所以實現(xiàn)對供水管網(wǎng)管理系統(tǒng)的需求是相當迫切的。業(yè)內(nèi)眾多有識之士已達成共識：使用計算機，借助無線網(wǎng)絡系統(tǒng)技術來進行供水管網(wǎng)的管理、管網(wǎng)設計及數(shù)據(jù)采集，已是勢在必行。

基于GPRS網(wǎng)絡平臺的無線數(shù)據(jù)技術自2002年在中國正式商用以來，以“實時在線、按流量計費、覆蓋率廣”等優(yōu)勢在各行業(yè)取得廣泛應用，隨著信息化的發(fā)展，DTU已經(jīng)完全取代了以往的各種有線接入。而以往的有線連接必須依賴于網(wǎng)絡布線、固定電話線路，對于發(fā)展移動性的服務、增設新的服務網(wǎng)點、增設臨時性的窗口常會受到有線連接的困擾。同時布線還需要昂貴的費用和鋪設時間，對已有的網(wǎng)絡也會有影響，所以有線連接已經(jīng)嚴重限制了目前各種信息化應用的主要原因。

第二部分GPRS網(wǎng)絡簡介

GPRS是目前解決移動通信信息服務的一種較完美的業(yè)務，它是以數(shù)據(jù)流量計費、或大數(shù)據(jù)的包月包年計費。覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度更快。GPRS的推出，為行業(yè)和企業(yè)用戶開展無線數(shù)據(jù)傳輸提供了基礎設施平臺，為推動移動辦公的應用和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。與有線網(wǎng)絡相比，GPRS網(wǎng)絡具有租用費用低、移動辦公，不受地域制約等優(yōu)點。GPRS的出現(xiàn)為企業(yè)和行業(yè)用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。

GPRS通信方式更適合于各類數(shù)據(jù)采集業(yè)務，目前城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)與各采用有線交互傳輸或電臺方式，甚至有些偏遠井道要有線網(wǎng)絡接入成了不可能。月租費太高，用電話線傳送數(shù)據(jù)按時間計費，帶來諸多不便，費用也不便宜。

GPRS網(wǎng)絡優(yōu)點

1、覆蓋范圍。

構建城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于管網(wǎng)檢測點數(shù)量眾多，分布在地區(qū)的各個角落，而且地理位置分散。另外，還必須考慮今后系統(tǒng)擴充的可能，必須具有良好的可擴展性。由于目前GPRS已覆蓋省內(nèi)絕大部分地區(qū)，能夠滿足城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)對覆蓋范圍的要求。

2、數(shù)據(jù)傳輸速率高。

目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足供水管網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率的需求。

3、系統(tǒng)的傳輸容量大。

城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)要和每一個監(jiān)測點實現(xiàn)實時連接。由于監(jiān)測點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

4、通信費用控制靈活。

采用傳統(tǒng)的有線方式建立供水管網(wǎng)系統(tǒng)，必須租用專線或電話線進行連接。由于管網(wǎng)監(jiān)測點必須與中心隨時保持連線狀態(tài)，而每次數(shù)據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)量很小，線路資源利用率很低，平均每一個監(jiān)測點每月的線路費用為800～1200元。而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按數(shù)據(jù)流量計費的方式，資源利用率高，月通信費用將在200元之內(nèi)，如果數(shù)據(jù)量很大的情況下也可按包月或包年計費。

5、良好的實時響應與處理能力。

與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

GPRS與其它通迅方式綜合比較表：第三部分產(chǎn)品介紹

F2103

GPRSDTU采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權的TCP/IP協(xié)議棧。為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)終端永遠在線，多種協(xié)議轉換的虛擬專用網(wǎng)絡。針對網(wǎng)絡流量控制的用戶，產(chǎn)品支持語音，短信，數(shù)據(jù)觸發(fā)上線以及超時自動斷線的功能。同時也支持雙數(shù)據(jù)中心備份，以及多數(shù)據(jù)中心同步接收數(shù)據(jù)等功能。公司產(chǎn)品已廣泛應用于金融，水利，環(huán)保，電力，郵政，氣象等行業(yè)。

1、無線參數(shù)

1、支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡

2、GPRSmulti-slotclass10

3、編碼方案：CS1~CS4

4、符合SMG31bis技術規(guī)范

5、ComplianttoGSMphase2/2+

6、支持數(shù)據(jù)和短信功能

2、硬件系統(tǒng)

1、高性能RISC嵌入式處理器，主頻100M，512KFLASH。

2、接口：

同時支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。

指示燈：具有電源、通信及在線指示燈。

天線接口：標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐。

SIM卡接口：3V/1.8V標準的推桿式用戶卡接口。

電源接口：標準的3芯火車頭電源插座。

3、供電：

外接電源：DC12V500mA

寬電壓供電：DC5-35V

通信電流：<250mA(12V)

4、無線模塊

采用高性能工業(yè)級GPRS無線模塊

5、尺寸

外形尺寸：91x58.5x22mm（不包括天線及固定件）

6、其他參數(shù):

工作環(huán)境溫度-25~+65oC

儲存溫度-40~+85oC

相對濕度95%(無凝結)

3、軟件功能

1.智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。

2.支持RSA，RC4加密算法

3.支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN）

4.透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉換，支持多種工作模式

5.支持數(shù)據(jù)中心動態(tài)域名和IP地址訪問

6.支持雙數(shù)據(jù)中心備份

7.支持多數(shù)據(jù)中心

8.支持短信、語音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時斷開網(wǎng)絡連接。

9.支持短消息備份及告警。

10.多重軟硬件看門狗

11.數(shù)據(jù)包傳輸狀態(tài)報告。

12.標準的AT命令界面

13.可以用做普通撥號MODEM

14.支持telnet功能。

15.支持遠程配置，遠程控制

16.通過串口軟件升級

17.同時支持LINUX和WINDOWS操作系統(tǒng)

第三部分供水管網(wǎng)系統(tǒng)組成

一、系統(tǒng)組成結構及功能要求供水管網(wǎng)遠程測控調(diào)度系統(tǒng)結構圖如上圖所示供水管網(wǎng)遠程測控調(diào)度系統(tǒng)由調(diào)度中心、無線GPRS網(wǎng)絡、遠程終端單元（RTU）幾個部分組成：

遠程終端單元（RTU）

遠程終端單元RTU分散的分布在供水管網(wǎng)的遙測點上，主要由F2103GPRS模塊、電源、天線、PLC的CPU及各種I/O模板及后備電池、機箱等幾部分組成。遠程終端單元RTU與現(xiàn)場設備的開關量、模擬量信號相連，進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲并通過GPRS網(wǎng)絡與調(diào)度中心傳送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行上位機的命令。具體功能如下：

RTU機箱：安裝于遙測點現(xiàn)場，為壁掛式，具有防盜功能（包括GPRS模塊天線），其固定螺絲置于箱體內(nèi)，設置門鎖，箱體內(nèi)具有220V交流電（如井下無條件具備220V電壓，可考慮蓄電池、鋰電池等能滿足終端產(chǎn)品電壓需求的供電裝置），信號輸入輸出接線端子，設置交流進線空氣開關，如有條件可配備一220V交流電插座（檢修時方便使用）

PLC：使用西門子、三菱、歐姆龍等知名品牌

提供4路4-20mA模擬輸入、6路開關量輸入、4路開關量輸出，無需監(jiān)控中心控制，可自行進行測量，并保存累積數(shù)據(jù)系統(tǒng)；

具有實時時鐘功能（可通過監(jiān)控中心設定校準），采集到的數(shù)據(jù)以時間為順序，以5分鐘/每次的密度，能在RTU端存儲一天的歷史數(shù)據(jù)，程序、參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)具有掉電保護功能；

定時上報：把從儀表采集到的數(shù)據(jù)，以定時（整5分鐘報一次）方式上報；

實現(xiàn)數(shù)據(jù)點播：可以響應各監(jiān)控中心發(fā)出的查詢請求，將實時時刻或歷史時刻的數(shù)據(jù)發(fā)給監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)可發(fā)給多個監(jiān)控中心；

輸入信號損壞時發(fā)出報警信息；

當系統(tǒng)上電復位，或系統(tǒng)運行、通信發(fā)生異常死機復位（看門狗復位）時，系統(tǒng)根據(jù)復位類型不同進行復位處理，保證系統(tǒng)正常工作。

可為一次儀表（兩線制，三線制）提供24V電源，具有一次表供電功能。

F2103GPRS模塊：其核心使用SIMEMSMC39I無線模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持900/1800MHz系統(tǒng)，提供RS-232或RS-485自選接口，支持各種非TCP/IP終端設備數(shù)據(jù)的透明傳輸，可上電即自動撥號上網(wǎng)，一直在線，自檢測假撥號現(xiàn)象，掉線可自動重撥。帶自主開發(fā)的主控電路和硬件看門狗，保證電路的可靠工作，并可根據(jù)用戶需要進行遠程在線維護。

（可選的備用冗余功能）調(diào)度中心可以設一主一備兩個中心（即有一主一備兩個IP地址），平時RTU端的GPRS模塊只與調(diào)度中心主中心（主IP地址）聯(lián)系，當主IP地址聯(lián)系不上時，RTU端的GPRS模塊能自動與備用IP地址聯(lián)系，切換到備用系統(tǒng)進行工作，當主IP地址系統(tǒng)恢復正常，關閉備用IP地址系統(tǒng)時，能恢復到主IP地址系統(tǒng)進行工作（最多可以和5個中心同時通信）。

通信工作原理：

首先對DTU進行設置，設置要連接的中心IP和端口及其它必要性的設置，設置好之后PLC通過RS232或RS485接口和DTU相連，DTU上電之后根據(jù)事先設置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數(shù)據(jù)。

終端流量傳感器、水壓傳感器工作時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過串口往無線模塊串口送，無線模塊檢測到串口的數(shù)據(jù)后最終數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中心去

調(diào)度中心

中心條件:首先用某臺能上網(wǎng)的PC機，條件必須能讓外網(wǎng)訪問的到，如運行中心軟件的PC機在局域網(wǎng)里面，那要在局域網(wǎng)路由器做端口映射到本機PC，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO，開放一個端口，運行軟件等待DTU的連接。

DTU連接中心后，就可按要求進行傳輸數(shù)據(jù)，中心收到數(shù)據(jù)后，通過系統(tǒng)進行解密、過濾、篩選，最終獲得所需要的數(shù)據(jù)進行分析、統(tǒng)計等工作。

注：中心軟件可使用組態(tài)軟件、力控軟件或自行開發(fā)軟件（可提供源碼）

組網(wǎng)方案如下：

A、公網(wǎng)方案：

中心用一個服務器組作為中心接收，中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務。

1)中心公網(wǎng)固定IP：監(jiān)控點直接向中心固定IP發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。（當然固定IP費用比較貴，視客戶財力決定）

2)

中心公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務：大部分IP都是動態(tài)的，而且費用相對便宜。

客戶先與DNS服務商聯(lián)系開通動態(tài)域名，動態(tài)域名解析軟件網(wǎng)址如下：（可以先申請免費的二級域名）88IP解析

監(jiān)控點先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務商

B、專網(wǎng)方案：

根據(jù)客戶內(nèi)部網(wǎng)對網(wǎng)絡安全的特殊要求，決定采用中國移動GPRS網(wǎng)絡的專用APN形式入網(wǎng)，每個SIM卡綁定固定內(nèi)部IP，擁有獨立上網(wǎng)APN名，其特點如下：網(wǎng)內(nèi)分配專用的APN名，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN，也限制網(wǎng)外SIM卡使用專網(wǎng)APN。專門由移動公司機房牽出專線聯(lián)接中心服務器組。這種方案安全性和穩(wěn)定性大大提高，但費用比較高。

中心采用APN專線，所有點都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP

客戶中心通過一條2MAPN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。

為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進入。

用戶在內(nèi)部建立RADIUS服務器，作為內(nèi)部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內(nèi)部安全。

用戶在內(nèi)部建立DHCP服務器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。

移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。

雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。

此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。

業(yè)務流程

GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)終端上網(wǎng)登錄服務器平臺的流程為：

1）用戶發(fā)出GPRS登錄請求，請求中包括由移動公司為GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)專門分配的專網(wǎng)APN；

2）根據(jù)請求中的APN，SGSN向DNS服務器發(fā)出查詢請求，找到與企業(yè)服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；

3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；

4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發(fā)來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；

5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址的確認信息；

6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數(shù)據(jù)包，對GPRS專網(wǎng)系統(tǒng)信息查詢和業(yè)務處理平臺進行訪問。調(diào)度中心功能

公司調(diào)度中心通過網(wǎng)絡與公司內(nèi)部網(wǎng)連接，調(diào)度中心PC通過GPRS網(wǎng)絡向RTU下發(fā)配置信息、控制信息，及接收下位機上報的數(shù)據(jù)及告警信息，同時對采集的數(shù)據(jù)進行管理，提供查詢、統(tǒng)計、報表等功

能調(diào)度中心、監(jiān)控分中心的具體功能如下：