控制网

1  引言

    随着社会的发展，各种管网（热、水、电、油、煤气等）越来越多，管网测点数据的采集和及时传输是管网稳定、可靠运行的保证，要求计算机管网监测系统必须能够在节省费用的前提下提供及时、准确的信息。然而，在使用的过程中，传统有线、无线的管网监测系统的不足之处逐渐凸现出来。采用电话线传输数据，不能保证实时性；采用无线电台，解决误码率和波特率的矛盾（尤其是抗干扰）是一个令人头疼的问题；采用专线电路，不可能对所有大面积分散的数据采集子站进行专线铺设，而且需承担高昂的运行费用。

    针对这些问题，河北久信电子科技有限公司开发出了JX2003(GPRS)管网数据远程监测系统。该系统采用先进成熟的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，系统运行可靠，数据采集实时性强。该系统是原JX2000（有线）管网数据远程监测系统、JX2001（无线）管网数据远程监测系统的升级版本。它有效解决了其他通信方式存在的各种问题，在保证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用降低到了最低。同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题。该系统节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。

2  系统简介

    JX2003管网数据远程监测系统采用GPRS作为通信手段，利用GPRS移动数据通信网络组成数字数据传输网络，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，为客户建立自己的专用数据网。具有以下特点：

    (1)  永远在线：GPRS DTU一开机就能自动附着到GPRS网络上，并与客户的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性；

    (2)  按流量计费：GPRS DTU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；

    (3)  高速传输：GPRS网络的传输速度最快将达到160Kbps，速率的高低取决于移动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供20~40Kbps的稳定数据传输；

    (4)  组网简单、迅速、灵活：GPRS无线DDN系统可以通过Internet网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为广大中小用户接入提供便利，节省接入投资；

    (5)  通信链路由专业运营商维护：由于采用中国移动的GPRS 数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧；

    (6)  防雷击：由于采用中国移动的GPRS 数据业务，所以在不影响上网的前提下，GPRS DTU的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击而损坏设备的缺点。

3  GPRS系统简介

    GPRS 是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统(BSS)从一开始就可提供全面的GPRS覆盖。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS 理论带宽可达171.2Kb/s，实际应用带宽大约在10Kbps~70Kbps，在此信道上提供TCP/IP 连接，可以用于Internet连接、数据传输等应用。
  
    GPRS是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP。GPRS采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。GPRS移动数据传输系统有很大的应用范围，几乎所有中低速率的数据传输业务都可以应用，如城市配电网络自动化、自来水、商业POS机、Internet接入、个人信息、股票信息、金融、交通、公安等，尤为适合管网远程监测系统。

4  系统构成

(1)  现场采集子站构成
 
    现场采集子站由二次仪表通过RS-232通讯口与GPRS DTU传输模块连接，每一个GPRS DTU传输模块装入一个中国移动的数据SIM卡即可。

(2)  主控室构成

    主控室构成分为两种方案：

    方案一：系统拓扑结构见图1。计算机直接与GPRS MODEM相连，申请固定IP地址，数据通过无线网卡接入。这种方式适合采集点较少（200个左右），每次数据传输量100 字节左右，每个子站数据采集间隔不小于1分钟；若系统实时性要求稍低，每个子站数据采集间隔可大于1分钟，采集子站的数目可以较多。

    方案二：系统拓扑结构见图2。计算机与中国移动提供的数据专线相连，数据发送到中国移动的服务器后由专线传送到主控室计算机。这种方式适合采集点很多（大于200），或采集点虽然较少，但实时性要求很高的情况。
子站上电后自动向主控室申请入网，主控室计算机接到请求后将子站列入网上设备表，开始进行数据通信。

5  GPRS DTU传输模块

5.1  基本特点：

  ◆  使用方便、灵活、可靠；
  ◆  支持双频GSM/GPRS；
  ◆  符合ETSI GSM Phase 2+标准；
  ◆  数据终端永远在线；
  ◆  实时时钟；
  ◆  支持A5/1&A5/5加密算法。
5.2  增强功能

  ◆  透明数据传输与协议转换；
  ◆  支持虚拟数据专用网；
  ◆  短消息数据备用通道（选项）；
  ◆  STK卡特殊功能配置；
  ◆  支持TTL/RS-232/485或以太网接口；
  ◆  支持音频接口，方便维护操作；
  ◆  系统配置和维护接口；
  ◆  通过Xmodem协议进行软件升级；
  ◆  支持空中软件升级和远程维护（选项）；
  ◆  自诊断与告警输出；
  ◆  抗干扰设计，适合电磁环境恶劣的应用需求；
  ◆  防潮设计，适合室外应用。

5.3  传输效率

(1)  用户数据传输效率（用户数据占网络层总数据的比例）

    DTU 支持不同组网方式，不同的数据包长度，这时有不同的传输效率。下面假设在DTU当前最长所能支持的最大用户数据包长的情况下，即1 024字节包长。

  ◆  支持DTU主动发起到数据中心的数据传输：最大传输效率(w) = 97.3%；
  ◆  支持双向主动互传：最大传输效率(w) = 95.9%。

(2)  传输时延（从发送到接收数据之间的时间）

    不同的数据包长度，传输的时延不同。根据目前移动的网络状况，一般一个包长为100到200字节之间的数据包可以在1秒内互传完毕。大于200字节的数据包平均在1秒到3秒之间可以互传完毕。

(3)  稳定性

  ◆  有效率：发送成功数据占总发送数据比例。根据笔者的使用结果来看，在网络正常的情况下，一般数据包均无漏码错码；
  ◆  稳定性综合参数：有效率x 传输效率。网络有效带宽和最大传输单元(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；
  ◆  断线自动连接，自动检测网络连接状况，设备自诊断、自恢复。

5.4  配置方便性

  ◆  菜单式配置（超级终端，无需专用软件）；
  ◆  维护软件配置。

5.5  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：110mm×56mm×15mm；
  ◆  安装方便：外壳螺丝固定；
  ◆  防震：接插件少，具良好抗震性能。

5.6  环境参数
  ◆  温度：-20℃~55℃；
  ◆  相对湿度：95%（无凝结）。

6  JX2003监测软件

    JX2003主控室监测软件采用通用编程工具开发，具有灵活性好、针对性强的特点，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；界面友好、操作简单方便，真正实现了高效率和办公自动化；可同时兼容多个二次仪表厂家的通信协议，也可根据用户的要求增加用户自己的通信协议。系统的网络数据库使网络化管理变得简单易行。

  ◆  直观的用户地图

    用户管理界面采用数字地图，界面可放大缩小，在此界面上可观察到各个用户的运行情况，通过点击用户即可进入该用户实时曲线界面。

  ◆  强大的报表功能

    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。日报表统计一天24小时整点的运行参数和累计流量以及用汽量，累计停电时间等情况；月报表统计当月每天的运行数据，列出每天的用汽情况和停电时间等情况；年度报表统计一年12个月每月的用汽情况和停电情况。报表可按照用户要求定制，直接进行预览、打印。

  ◆  实用的图表曲线功能

    系统可以针对某一站点、某一用户或者整个系统自动做出日用汽量直方图、趋势曲线，月用汽量直方图、趋势曲线，年用汽量直方图、趋势曲线。直观的反映出各个用户的用汽情况。曲线可任意放大、缩小和拖动。

  ◆  故障处理和报警功能

    主控室对于出现的通信故障和数据超限产生报警，并将产生报警的时间和原因记录入数据库，报警方式为窗口提示、声音报警等。

  ◆  强大的数据库查询功能

    操作员可通过设置不同的查询条件（包括时间、用户、数据范围等）从数据库中获得各种历史数据，显示这一时刻的瞬时流量、累计流量等参数。也可查询报警记录，获得产生报警的时间和原因。数据库可方便的进行维护，数据库采用SQL SERVER网络数据库，可对各种数据进行分析，并可在权限范围内实现局域网或远程数据共享。

  ◆  完整的设备数据库

    软件中可录入每个站点现场所用设备、管径等，以及现场联系人的名字和电话，使用起来更方便。

  ◆  右键添加用户功能

    添加用户时，只需在界面图需要放置的地方单击右键，选择添加用户，即可将用户放置到所在位置，若位置不准确，可单击右键，选择移动用户，然后点击需要移动的用户，将其移动到合适的位置。

  ◆  兼容不同通信协议

    在监测网络中可有不同厂家的仪表，通过设备选择可设定仪表所用的通信协议，数据接受时自动辨别。并可根据用户要求增加通信协议。

  ◆  实时在线功能

    系统对所有监测子站能够进行群收群发；根据系统要求，对各采集子站设定不同的采集间隔（可以任意设置）。

  ◆  系统安全设置

    系统设置多级权限，不同权限的功能有所不同。系统管理员可以使用所有的功能，而对于一般用户来说，数据库维护，系统维护等一些涉及系统内部安全的设置功能被限制使用。