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關鍵字：GPRS DTU；GPRS網絡系統(tǒng)；無線網絡通信
一、項目背景
城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是解決自來水公司對供水各環(huán)節(jié)監(jiān)測點的數據采集和監(jiān)控。該系統(tǒng)由監(jiān)控中心和各個水源監(jiān)測點組成，各個水源監(jiān)測點的數據采集終端（RTU或PLC）可監(jiān)視和采集水位、壓力、流量、濁度、余氯、泵頻等各種數據，供控制中心及有關部門分析和決策取用，提高工作效率，保證供水質量，滿足日益增產的用水量的需求。
城市供水調度需要對各個自來水廠進行管理，包括自來水公司控制中心、水廠分控中心、管網加壓站和水源監(jiān)控站等。城市供水調度系統(tǒng)一般包括：水司控制中心、多個水廠分控中心、多個水廠監(jiān)控分站、多個水源井監(jiān)控站、多個管網加壓站和多個管網測壓站。
城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)可以對遠程現場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現管道壓力、水流量的數據傳送及閥門開關的自動控制，降低了故障率和提高了對系統(tǒng)的反應時間。便于及時迅速的了解及控制遠端管道及閥門，低故障率和檢修的時間，減少停水次數。各水源監(jiān)測點的數據采集終端可自動采集管道壓力、水流量的實時數據與開關狀態(tài)等數據，信息傳輸到自來水公司的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過對傳輸回的數據進行分析，可找到出故障的地點，從而當一個遠端出現故障時，能在最短的時間內解決問題，恢復供水，提高了整體的服務水平，從而實現了城市供水的信息化、現代化。
目前，自來水供水調度監(jiān)控系統(tǒng)中采用的數據通信可簡單分為有線和無線兩大類，其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、X.25、DDN、ADSL等，而無線則包括超短波通信、擴頻通信、衛(wèi)星通信、GSM 短信/GPRS通信等。
在城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)中，由于各管網監(jiān)控點分布范圍廣、數量多、距離遠，個別點還地處偏僻，因此架設光纜、鋪設電纜難度大、不切合實際，向電信部門租用專用電話線又要申請很多電話線，而且有些監(jiān)控點線路難以到達，況且采用電話線路時需要等待漫長的電話撥號過程，速度慢，運營成本較高，總之監(jiān)控系統(tǒng)采用有線通信方式建設周期長、工作難度大、運行費用高，不便于大規(guī)模使用；與之相比，無線通信方式則顯得非常靈活，它具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。
在監(jiān)控系統(tǒng)中，無線通信方式主要包括：超短波（230MHz）無線數傳、擴頻、衛(wèi)星通信、GSM數字蜂窩通信系統(tǒng)等，其中衛(wèi)星通信由于通信費用昂貴，只在一些特殊的領域下使用，未得以普及；而擴頻通信技術雖然速率高，但只能在視距范圍內傳輸，應用也受到限制。采用超短波數傳電臺作為傳輸信道具有組網靈活、擴展容易、維修方便、運行費用低等優(yōu)點，但由于系統(tǒng)工作于230MHz且多采用普通間接調制的數傳電臺，這就造成系統(tǒng)易受外界干擾、通信速率低、誤碼率高、數據傳送量不大、信號覆蓋范圍小等缺點。
二、方案選擇
經過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統(tǒng)作為城市供水調度監(jiān)控系統(tǒng)的數據通信平臺。目前，GSM網絡經過電信部門的多年建設，覆蓋范圍不斷擴大，已成為成熟、穩(wěn)定、可靠的通信網絡，特別是中國移動新推出的GPRS數據業(yè)務。GSM/GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務平臺上構建自來水供水調度監(jiān)控系統(tǒng)，實現管網監(jiān)控點的無線數據傳輸具有可充分利用現有網絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。
GPRS供水調度監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：
1、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數據包丟失的現象，保證數據可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數據傳輸，互不干擾。GPRS網絡本身具備完善的頻分復用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數傳電臺的多機頻段“碰撞”現象。
2、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數據傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監(jiān)測數據中心可以多個管網監(jiān)控點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數據采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數據傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數據傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
3、監(jiān)控范圍廣：
GPRS網絡已經實現全國范圍內覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于監(jiān)控點數量眾多，分布在全省范圍內，而且位置分散。因此采用GPRS網絡是其理想的選擇。
4、系統(tǒng)建設成本低：
由于采用GPRS公網平臺，無需建設網絡，只需安裝設備就即可，建設成本低；也免去了網絡維護費用。
5、系統(tǒng)運營成本低：
采用GPRS公網通信，全國范圍內均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網絡可按數據實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費，從而實現了系統(tǒng)的低成本通信。
6、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS雙向系統(tǒng)還可實現對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。
7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：
調度監(jiān)控中心要和每一個監(jiān)控點實現實時連接。由于監(jiān)控點數量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數據的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)測中心可輕松支持幾千個現場監(jiān)控點的通信接入。
8、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：
雖然與遠在千里的數據中心進行雙向通信，GPRS數傳設備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可,其整體功耗與一臺普通GSM手機相當, 平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。
三、解決方案介紹：
由于GPRS通信是基于IP地址的數據分組通信網絡，因此監(jiān)測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各管網監(jiān)控采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機，從而進行數據通信。
（一）系統(tǒng)組成
1、管網監(jiān)控點：
管網監(jiān)控點：各監(jiān)控點通過數據采集模塊采集如壓力、流量等數據，通過RS232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GSM網絡。
2、管網監(jiān)控調度中心：
公網接入方案：服務器采用公網方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網等，申請公網固定IP地址；可以實現中小容量的管網監(jiān)控應用。
專網接入方案： 服務器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址，與GPRS網絡相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當管網監(jiān)控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現大容量數據采集應用。
監(jiān)控中心RADIUS服務器接受到GPRS網絡傳來的數據后先進行AAA認證，后傳送到監(jiān)控中心計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數據進行還原顯示，并進行數據處理，這樣進一步增強了系統(tǒng)數據通信安全性能。
3、GPRS/GSM移動數據傳輸網絡：
管網監(jiān)控點采集的數據經GPRS/GSM網絡空中接口功能模塊同時對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數據網絡進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。
（二）系統(tǒng)方案
各監(jiān)控點使用成都眾山科技有限公司的ZSD3120 GPRS DTU透明數據傳輸終端，通過移動GPRS網絡與監(jiān)控中心相連。各監(jiān)控點使用移動通信公司的GPRS普通數據卡或APN專用數據卡，同時監(jiān)控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與監(jiān)控點信息進行關聯，以便識別和維護處理。信息采集中心運行監(jiān)控調度系統(tǒng)軟件，實時采集信息數據。
凡自來水公司授權的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)：
1、管網監(jiān)控點GPRS DTU設備使用移動統(tǒng)一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與監(jiān)控調度中心通信。
2、終端設備使用成都眾山科技有限公司提供的GPRS移動數據通信終端。
3、用戶登記：符合自來水公司的規(guī)定。
（三）產品特性
系統(tǒng)采用ZSD3120 GPRS DTU無線透明數據傳輸終端。產品基于中國移動的GPRS網絡，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標準RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數據集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調度或控制中心與眾多遠端站點之間的數據采集和控制。
1、內置TCP/IP協(xié)議棧，針對GPRS網絡優(yōu)化
2、提供GPRS無線數據雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSI GSM Phase 2+標準
5、支持自動心跳，保持永久在線
6、透明數據傳輸：為用戶的數據設備提供雙向100K大容量數據緩沖區(qū)，支持大數據包傳輸
7、自動撥號連接：DTU上電自動撥號上網、連接網絡，支持用戶端發(fā)起命令連接或遠程喚醒連接
8、提供短信通道，內置Unicode國際編碼轉換表
9、支持遠程短信/電話喚醒
10、實時監(jiān)測網絡連接情況，掉線自動重撥功能
11、支持中心為固定IP或動態(tài)域名
12、心跳報告時間間隔用戶可設定
13、支持點對點、點對多點、多點對多點對等 數據傳輸
14、支持APN數據專網業(yè)務
15、安裝靈活、使用方便、可靠
16、支持多數據中心，自動切換
17、適應低溫和高溫工作環(huán)境
18、EMC抗干擾設計，適合電磁惡劣環(huán)境應用
19、復合式看門狗技術，永不當機
20、整機低功耗技術，在線待機電流<20mA
（四）安全措施
由于供水調度監(jiān)控系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內外的有意和無意的破環(huán)，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。
數據中心可通過公網接入,或者到移動專網接入，采用公網接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數據專線接入時，GPRS數據傳輸設備要經過Radius服務器的認證, 整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。
1、APN數據專網模式：企業(yè)內部網絡中配置APN服務器，移動終端使用APN數據專網，由于采用數據專網,服務器與公網Internet隔離,可以有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、可以為每個GPRS數據傳設備單獨配置 DTU ID號和密碼，通過數據中心在其登陸時進行應用層認證，其他沒有數據中心分配的DTU ID號和密碼的GPRS的設備將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。
四、結論
數據中心采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用約800~1500元/月。采集點采用GPRS無線方式，流量費用目前有包月制和按數據量兩種收費方式，按流量計算0.01元-0.03元/KB，而包月制20元/月有1024KB流量，可滿足目前監(jiān)控系統(tǒng)的實際數據量，估計日后其費用會逐步降低。
對于用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當管網監(jiān)控點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護用戶原有投資，適合于供水調度監(jiān)控工作的特點。
因此,采用GPRS構建供水調度系統(tǒng)，能很好地滿足供水調監(jiān)控的需求，而且，做為網絡運營商的移動通信公司也將因此獲得業(yè)務穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數量的增加，移動通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網絡建設和網絡應用同步發(fā)展的要求。
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