基于GPRS的热电远程监控系统开发应用

GPRS是在GSM体制上发展起来的新型无线分组数据及如业务，具有实时在线，按量计费、快捷登陆、高速传输、自动切换、资源共享、丰富带宽、等优点。本文针对供热管网人工计量、电台传输监控系统存在的问题，通过对比论证，利用中国移动通信GPRS技术数据传输网络平台，开发GPRS数据传输终端，设计编制了切实可行的通信协议和项目特点的硬、软件，利用SIM卡绑定固定IP地址，建立了热电虚拟专用网，成功地实现了供热管网远程数据采集监控系统，并分析了这种体制的可行性、经济性和优越性。
热电集团有限公司有N个热电厂，几百公里供热管网担负着各市等区域大面积的冬季民用采暖和几百户工商企事业单位的供热任务，热力销售是企业的主要经济效益来源，用户的用热计量数据是收费和系统控制的主要依据，因此计量信息工作是生产经营环节中重要的基础工作，它的准确性、可靠性、及时性直接影响着企业的经济效益。
一．目前供热管网监控现状
公司原有的供热管网监控系统大多采用无线超短波电台作为传输手段，主要存在着如下问题：
(1) 随着城市的不断规划和建设，原来超短波台站与中心台站之间新建的高楼大厦阻挡了信号的传输，使得数据不能正常抄报；
(2) 目前，许多高层用户的热交换站（动力站）均设在地下负2-3层，超短波电台无法安装，也不能够使用；
(3) 由于无线电超短波电台的局限性，一般台站的天线应远离高大建筑物，但实际情况不能满足无线电超短波电台的要求，而且风、雨、雷等对数传电台有巨大影响，造成站台的巡查、加固各、修复工作量大；
(4) 超短波电台，只支持对用户的循环数据召调，在各终端无故障的情况下，一个周期需要2个小时，即每个用户2个小时传送一次数据信息，实时性远不能满足现代企业信息化建设的需要；
(5) 无线电频谱是一种资源，国家对频谱进行严格的审批和限制，随着国家对无线电频谱资源的限制和对电磁污染的治理，无线超短波通信已不是企业数据采集传输的最佳方案；
(6) 现有传输系统不仅需要人工巡查维护、维修费用，由于体积大、发射功率大，对仪表运行造成干扰，计量信息不准确不及时为一些用户钻空子偷汽、漏气等提供了可乘之机，严重影响企业的经济效益；
不难看出，原有的无线电超短波电台，存在稳定性差、日常维护工作繁杂、安装条件苛刻、造价高等问题，远不能满足当前工业监控信息传输的需要，已成为企业信息化建设发展的瓶颈，为了有效解决供热管网电台传输存在的问题，我们选择了“GPRS”。
二．选择GPRS的优势
选择合适的传输系统是技术改造的基础。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是为GSM 用户提供分组形式的数据业务而在现有系统上发展起来的，它允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，特别适用于供热管网监控这种间断的、突发的和频繁的少量数据传输。
GPRS技术从实验室研究、地区范围内试用到正式商用，经过了长时间的完善，技术先进、可靠；GPRS设备数据监控终端传输设备一开机就能自动附着到GPRS网络上，与数据中心实时在线进行实时数据通讯、高速传输、可靠性高；GPRS网络覆盖全球，不存在信号盲区，按照流量收费，没有数据流量的传递时不收费用，计费合理、科学；企业运行投资小，效益高。
这些特点适合于提高企业计量信息的及时性、可靠性、准确性和实现企业生产管理的信息化。通过对技术先进性、系统兼容性、扩展性、网络覆盖范围、企业的投资规模和效益等几个方面对比分析，广泛查询技术资料，决定采用中国移动的GPRS网络作为通讯传输媒介。
三．选择GPRS要解决的主要技术问题
GPRS是一种新的技术，中国移动通讯有限公司作为运营商，提供了满足行业应用的数据传输网络平台，但由于实施GPRS数据采集、开发研制管网数据监控系统，在国内应用没有先例，因此需要解决以下主要技术问题：
1)、数据中心接入方式的选择
采用GPRS网络，数据中心有如下几种模式：采用光纤专线的方式、采用ADSL作为数据通讯中心、采用无线GPRS调制解调器的方式。
根据改造的技术要求，接入方式应支持所有采集终端群发机制和实时在线的特点，通过对以上几种方式进行技术经济比较，我们拟定了在规模较小的试用阶段选用无线GPRS调制解调器的方式作为中心的接入方式，经过试运行成熟、所有改造完毕后阶段选用专线接入的方式作为中心的接入方式。实践证明，我们的决策是正确的。
2)、数据中心的IP地址的选择
网络通讯必须知道对方的IP地址，我们选用SIM卡绑定固定IP地址模式，在该种模式下，中心获得一个固定的IP地址，数据采集终端将中心的地址配置后，一上电即可与中心建立双向数据通道，不用进行域名解析，数据流量小，传输快速。这样GPRS数据远程监测系统采用GPRS作为通讯手段，利用无线分组交换技术，为用户提供各种速率的高质量、透明数据传输的永久或半永久性专用电路。一个用户可以使用多个无线信道，同时一个信道也可以让多个用户共享。
3)、建立集团的虚拟专网，保证数据的可靠性
系统的可靠性和安全性，是一个管网监控系统的生命。采用GPRS无线数据，中心绑定固定IP地址，为数据中心和采集终端建立了多条虚拟专线；移动公司专门为热电集团开辟私有专网，组成企业独立的GPRS 无线DDN网络，所有现场数据都通过这条网络通道进行传输，其他未经许可的用户和网络数据无法进入该网络，充分保证了用户数据的安全性和可靠性。
4)、选择合适的传输模块
现场仪表存在问题：第一、现场二次显示仪表的通讯接口方式不同，有TTL电平接口、RS232接口、RS485接口等多种类型；第二、原有的仪表为多个厂家生产，通讯协议各不相同，在一个网内运行多个通讯协议也是一个技术难题；第三、原有的仪表均支持招测方式的数据传输，对GPRS网络群收群发不能提供支持。
选择稳定、成熟的GPRS模块并与现场仪表配合连接，组成一个远端采集终端是系统的关键技术。嘉复欣公司的GF-2008接近系统对产品的要求，按照现场设计要求，热电集团公司提出详细的设计要求，提供高技术的GPRS数传模块，实现了GPRS在流量测量领域实现远程实时数据监控的应用，有效解决了GPRS供热管网监控系统应用的难关。
嘉复欣GF-2008W GPRS数据传输终端DTU功能介绍：
A、功能：
1. 标准的AT 命令界面,方便程序设计；
2. TCP/IP Internet 内嵌的协议栈，轻松互连；
3. RS232接口方式，更加简便的通讯方式；
4. 可通过串口升级程序。
B、性能：
1. 使用低功耗高性能的CPU 做处理器，16位内部数据总线，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速处理协议和大量数据；
2. 支持全透明及帧格式数据传输；
3. 支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 协议栈；
4. 一个符合ISO7816-3IC 卡标准的SIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，规范SIM 卡；
5. 简化的接口设计，使用通用的232 接口和简单的AT 命令交互界面；
6. 供了更方便的电源接口，即可使用外挂电源。又可从串口直接取电；
7. 整机功耗小于3W；
8. 完善了GPRS 网络中所出现的假拨号，掉线自动重启，远程唤醒等功能；
9. 支持远程控制及动态域名解析；
10. 同时更具嵌入式系统要求，可提供内置式模块（不带外壳，可通过插针与嵌入式直接系统相连）。
11、同时还有软硬件双重看门狗，在DTU不能正常工作时，能够自动断电复位。
5)、编制GPRS数据传输软件：
原有仪表只支持超短波电台的招测模式，而对基于TCP/IP协议的网络数据传输模式不支持，为了保证系统的兼容性和扩展性，经与各仪表生产厂家合作研究，开发应用软件，有效解决了GPRS供热管网监控系统应用的第二道难关。主要完成了如下技术创新成果：
第一、硬件接口由原来单一的电平接口，改造为具有适应多种仪表的通讯接口，根据仪表的类型，选用不同电平接口。
第二、与模块生产厂家合作，共同完成无协议的透明传输接口，适应多家仪表的通讯协议。
第三、将现有仪表程序统一升级更新，按照系统的设计要求，编制通讯协议；
第四、精简通讯过程，适应TCP/IP协议；
第五、将原有的招测模式改变为支持招测模式和主动上报两种模式，减少了数据流量，提高了系统的可靠性、实时性；
第六、仪表集中的测点，研制了一个通道共享模块，使得多个仪表可以共享一个GPRS模块，节省了投资，提高了效益；
四．系统构成
系统由用户数据监控终端、GPRS用户专网和数据中心三部分组成。网络拓扑结构图如下：

五．开发软件使用功能
主控室监控软件采用通用编程工具进行开发，灵活性好，针对性强，开发了以下功能：
第一、用户管理界面采用数字地图；
第二、报表功能系统可以针对某一用户、某一站点或者整个系统自动做出日报表、月报表、年度报表等汇总报表。
第三、图表曲线功能，直观的反映出各个用户的用汽情况；
第四、故障处理和报警功能；
第五、强大的数据库查询功能；
第六、完整设备数据库；
第七、独特的右键添加用户功能；
第八、兼容不同通讯协议；
第九、实时在线功能；
第十、系统安全设置。
这些功能可以对采集来的现场数据和实时数据进行分析、处理、保存、入库，制作输出报表，绘出各种曲线，从而实现整个系统的远程抄表、实时监测及自动化管理功能，真正实现了高效率和办公自动化，使网络化管理变得简单易行。
六．运行效果与经济效益
基于GPRS的供热管网监控系统按照上述方案进行改造，投运后，系统的运行稳定可靠，更能及时地、连续地记录、反映管网运行的实际工况，抗干扰性强，可靠性高，通讯速率高，组网简单，安装方便，不受传输距离限制，运行费用低，并且以其网络的安全防范性好，充分体现了其强大的优势。一些不甚完善的地方，我们正在不断补充、更新、完善。项目达到了预期效果。
基于GPRS的供热管网监控系统与超短波无线传输系统相比较，主站减少投资20万元，每个分站减少投资0.6万元，减少运行费用0.13万元，减少检修费用0.1万元，目前公司投运200个分站，年节约资金186万元，随着投运分站的增加节约资金会增大。基于GPRS的供热管网监控系统投运后，提高了汽量回收率，合理调度热力输配，节约了大量的能源等增加的经济效益非常显著。
七．结束语
基于GPRS的供热管网监测系统完全适用于所有低数据量的传输业务，包括城市配电网络自动化，自来水输配调度、燃气输配调度、金融、交通、水利、环保、公安、商业POS机、INTERNET接入、个人信息、股票信息等行业，推广应用后，可提高社会服务质量，保证社会各行业的公平公正合理费用结算，杜绝贸易纠纷，为推动社会公共服务行业文明与进步做出重要贡献。