供水管网GPRS数据采集监测系统应用方案

第一部分 概述

        随着我国经济的发展、城市规模的扩大和现代化程度的不断提高，城市的供水管网系统也越来越庞大，管网监测难度越来越大.且许多供水管线的填埋情况复杂、资料不清，有些管线甚至仅凭当时施工工人的记忆去寻找，造成诸多设计上的失误和施工中的事故。

        采用人工方法，借助图纸、各类卡片来管理城市供水管网系统，已越来越难以满足实际需要。所以实现对供水管网管理系统的需求是相当迫切的。业内众多有识之士已达成共识：使用计算机，借助无线网络系统技术来进行供水管网的管理、管网设计及数据采集，已是势在必行。

        基于GPRS网络平台的无线数据技术自2002年在中国正式商用以来，以“实时在线、按流量计费、覆盖率广”等优势在各行业取得广泛应用，随着信息化的发展，DTU已经完全取代了以往的各种有线接入。而以往的有线连接必须依赖于网络布线、固定电话线路，对于发展移动性的服务、增设新的服务网点、增设临时性的窗口常会受到有线连接的困扰。同时布线还需要昂贵的费用和铺设时间，对已有的网络也会有影响，所以有线连接已经严重限制了目前各种信息化应用的主要原因。
 

第二部分 GPRS网络简介

        GPRS是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务，它是以数据流量计费、或大数据的包月包年计费。覆盖范围广泛、数据传输速度更快。GPRS的推出，为行业和企业用户开展无线数据传输提供了基础设施平台，为推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比，GPRS网络具有租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点。GPRS的出现为企业和行业用户开展无线办公提供了一种新的选择。

        GPRS通信方式更适合于各类数据采集业务，目前城市供水管网系统与各采用有线交互传输或电台方式，甚至有些偏远井道要有线网络接入成了不可能。月租费太高，用电话线传送数据按时间计费，带来诸多不便，费用也不便宜。

GPRS网络优点

1、 覆盖范围。
       构建城市供水管网系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足城区、乡镇和跨地区的接入需求。由于管网检测点数量众多，分布在地区的各个角落，而且地理位置分散。另外，还必须考虑今后系统扩充的可能，必须具有良好的可扩展性。由于目前GPRS已覆盖省内绝大部分地区，能够满足城市供水管网系统对覆盖范围的要求。

2、数据传输速率高。
      目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右，完全能满足供水管网系统数据传输速率的需求。

3、系统的传输容量大。
       城市供水管网系统要和每一个监测点实现实时连接。由于监测点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

4、通信费用控制灵活。
       采用传统的有线方式建立供水管网系统，必须租用专线或电话线进行连接。由于管网监测点必须与中心随时保持连线状态，而每次数据发送的数据量很小，线路资源利用率很低，平均每一个监测点每月的线路费用为800～1200元。而如果采用GPRS通信方式，由于GPRS采用按数据流量计费的方式，资源利用率高，月通信费用将在200元之内，如果数据量很大的情况下也可按包月或包年计费。

5、良好的实时响应与处理能力。
       与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

GPRS与其它通迅方式综合比较表：

第三部分 产品介绍
 

         F2103 GPRS DTU采用高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。

1、无线参数
1、支持EGSM900/GSM1800无线网络
2、GPRS multi-slot class 10
3、编码方案：CS1~CS4
4、符合SMG31bis技术规范
5、Compliant to GSM phase 2/2+
6、支持数据和短信功能

2、硬件系统

1、高性能RISC 嵌入式处理器，主频100M，512K FLASH。
2、接口：
同时支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。
天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。
SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口。
电源接口：标准的3芯火车头电源插座。
3、供电：
外接电源：DC 12V 500mA
宽电压供电：DC 5-35V
通信电流：<250mA (12V)
4、无线模块
采用高性能工业级GPRS无线模块
5、尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天线及固定件）
6、其他参数:
工作环境温度-25~+65oC
储存温度 -40~+85oC
相对湿度 95%(无凝结)
3、软件功能
1. 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
2. 支持RSA，RC4加密算法
3. 支持虚拟数据专用网（APN）
4. 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
5. 支持数据中心动态域名和IP地址访问
6. 支持双数据中心备份
7. 支持多数据中心
8. 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断开网络连接。
9. 支持短消息备份及告警。
10. 多重软硬件看门狗
11. 数据包传输状态报告。
12. 标准的AT命令界面
13. 可以用做普通拨号MODEM
14. 支持telnet功能。
15. 支持远程配置，远程控制
16. 通过串口软件升级
17. 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

第三部分 供水管网系统组成
 一、系统组成结构及功能要求

供水管网远程测控调度系统结构图

如上图所示供水管网远程测控调度系统由调度中心、无线GPRS 网络、远程终端单元（RTU）几个部分组成：  
 

• 远程终端单元（RTU）

        远程终端单元RTU 分散的分布在供水管网的遥测点上，主要由F2103 GPRS模块、电源、天线、PLC 的CPU 及各种I/O 模板及后备电池、机箱等几部分组成。远程终端单元RTU与现场设备的开关量、模拟量信号相连，进行数据采集、处理、存储并通过GPRS 网络与调度中心传送数据，接收并执行上位机的命令。

具体功能如下：

        RTU 机箱：安装于遥测点现场，为壁挂式，具有防盗功能（包括GPRS 模块天线），其固定螺丝置于箱体内，设置门锁，箱体内具有220V 交流电（如井下无条件具备220V电压，可考虑蓄电池、锂电池等能满足终端产品电压需求的供电装置），信号输入输出接线端子，设置交流进线空气开关，如有条件可配备一220V 交流电插座（检修时方便使用）

PLC：使用西门子、三菱、欧姆龙等知名品牌
       提供4 路4-20mA 模拟输入、6 路开关量输入、4 路开关量输出，无需监控中心控制，可自行进行测量，并保存累积数据系统；

        具有实时时钟功能（可通过监控中心设定校准），采集到的数据以时间为顺序，以5分钟/每次的密度，能在RTU 端存储一天的历史数据，程序、参数、历史数据具有掉电保护功能；

        定时上报：把从仪表采集到的数据，以定时（整5 分钟报一次）方式上报；

        实现数据点播：可以响应各监控中心发出的查询请求，将实时时刻或历史时刻的数据发给监控中心，数据可发给多个监控中心；

        输入信号损坏时发出报警信息；
当系统上电复位，或系统运行、通信发生异常死机复位（看门狗复位）时，系统根 据复位类型不同进行复位处理，保证系统正常工作。

       可为一次仪表（两线制，三线制）提供24V 电源，具有一次表供电功能。

       F2103 GPRS模块：其核心使用SIMEMS MC39I无线模块，内嵌TCP/IP协议，支持900/1800 MHz系统，提供RS-232或RS-485自选接口，支持各种非TCP/IP终端设备数据的透明传输，可上电即自动拨号上网，一直在线，自检测假拨号现象，掉线可自动重拨。带自主开发的主控电路和硬件看门狗，保证电路的可靠工作，并可根据用户需要进行远程在线维护。

      （可选的备用冗余功能）调度中心可以设一主一备两个中心（即有一主一备两个IP地址），平时RTU端的GPRS模块只与调度中心主中心（主IP地址）联系，当主IP地址联系不上时，RTU端的GPRS模块能自动与备用IP地址联系，切换到备用系统进行工作，当主IP地址系统恢复正常，关闭备用IP地址系统时，能恢复到主IP地址系统进行工作（最多可以和5个中心同时通信）。

通信工作原理：

•         首先对DTU进行设置，设置要连接的中心IP和端口及其它必要性的设置，设置好之后PLC通过RS232或RS485接口和DTU相连，DTU上电之后根据事先设置好的中心IP和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向传输数据。
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•         终端流量传感器、水压传感器工作时所产生的数据通过串口往无线模块串口送， 无线模块检测到串口的数据后最终数据信息发送到中心去
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• 调度中心

        中心条件:首先用某台能上网的PC机，条件必须能让外网访问的到，如运行中心软件的PC机在局域网里面，那要在局域网路由器做端口映射到本机PC，等这些条件具备之后在本机运行一个中心DEMO，开放一个端口，运行软件等待DTU的连接。

        DTU连接中心后，就可按要求进行传输数据，中心收到数据后，通过系统进行解密、过滤、筛选，最终获得所需要的数据进行分析、统计等工作。

注：中心软件可使用组态软件、力控软件或自行开发软件（可提供源码）

组网方案如下：

A、公网方案：
        中心用一个服务器组作为中心接收，中心采用ADSL 等INTELNET 公网连接，采用公网固定IP 或者公网动态IP+DNS 解析服务。此种方案先向INTERNET 运营商申请ADSL等宽带业务。

        1) 中心公网固定IP：监控点直接向中心固定IP 发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。（当然固定IP 费用比较贵，视客户财力决定）

        2)  中心公网动态IP+DNS 解析服务：大部分IP 都是动态的，而且费用相对便宜。
客户先与DNS 服务商联系开通动态域名，动态域名解析软件网址如下：（可以先申请免费的二级域名） 88IP解析

         监控点先采用域名寻址方式连接DNS 服务器，再由DNS 服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP 的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS 服务商

B、专网方案：

         根据客户内部网对网络安全的特殊要求，决定采用中国移动GPRS网络的专用APN形式入网，每个SIM卡绑定固定内部IP，拥有独立上网APN名，其特点如下：网内分配专用的APN名，普通用户不得申请该APN 。用于GPRS 专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN，也限制网外SIM卡使用专网APN。专门由移动公司机房牵出专线联接中心服务器组。这种方案安全性和稳定性大大提高，但费用比较高。

中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP

•         客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。
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•         为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。
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•         用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。
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•         用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。
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•         移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。
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         双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。

        此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。
业务流程

GPRS专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：

        1）用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN；
        2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
        3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
        4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
        5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；
        6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。

• 调度中心功能
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        公司调度中心通过网络与公司内部网连接，调度中心PC 通过GPRS 网络向RTU 下发配置信息、控制信息，及接收下位机上报的数据及告警信息，同时对采集的数据进行管理，提供查询、统计、报表等功

能调度中心、监控分中心的具体功能如下：

        能够给RTU 下发组态信息、控制命令，能够校准RTU 的时钟
        RTU 发送来的数据自动进入数据库，数据库具备一定的安全措施
        处理RTU 的报警信息
        数据遥测功能：定时巡测、手动巡测、随机抽测、分组召测
        遥控功能：控制RTU 开关量输出点的开、关状态、遥信开关状态
        参数状态管理功能：设置修改各测量数据上、下限值，通讯参数
        在线组态功能：新增RTU 数据采集点等参数通过组态定义即可完成。
        数据库管理功能：对测得的数据建库，对数据进行处理，查询历史数据，报表打印
        具有数据显示功能： 能显示测量的各种数据、遥信开关状态、各种系统图形等
        具有图形功能,模拟显示管网图、水厂工艺流程图等
        抢修修理、停水、管网冲洗等数据录入及统计。

        数据共享功能：提供一个WEB 站点，该WEB 站点使公司宽带内部网的任意一台工作站只通过WEB 浏览器就可以登陆查看所有监控点的实时数据和存储的任何时间段的历史数据。WEB 站点通过用户身份认证授权方式控制该用户可访问那些监控点的实时监控数据和存储的任何时间段的历史数据。

       调度中心系统管理员能增加、删除可访问用户，并对用户进行不同权限的授权。该WEB 站点应能通过超链接方式联入公司统一平台。

       具备一开放的实时数据库，DLP 大屏控制器软件能够读取各监测点的实时数据。