基于GPRS的熱電遠程監控系統開發應用

GPRS是在GSM體制上發展起來的新型無線分組數據及如業務，具有實時在線，按量計費、快捷登陸、高速傳輸、自動切換、資源共享、豐富帶寬、等優點。本文針對供熱管網人工計量、電臺傳輸監控系統存在的問題，通過對比論證，利用中國移動通信GPRS技術數據傳輸網絡平臺，開發GPRS數據傳輸終端，設計編制了切實可行的通信協議和項目特點的硬、軟件，利用SIM卡綁定固定IP地址，建立了熱電虛擬專用網，成功地實現了供熱管網遠程數據采集監控系統，并分析了這種體制的可行性、經濟性和優越性。
熱電集團有限公司有N個熱電廠，幾百公里供熱管網擔負著各市等區域大面積的冬季民用采暖和幾百戶工商企事業單位的供熱任務，熱力銷售是企業的主要經濟效益來源，用戶的用熱計量數據是收費和系統控制的主要依據，因此計量信息工作是生產經營環節中重要的基礎工作，它的準確性、可靠性、及時性直接影響著企業的經濟效益。
一．目前供熱管網監控現狀
公司原有的供熱管網監控系統大多采用無線超短波電臺作為傳輸手段，主要存在著如下問題：
(1) 隨著城市的不斷規劃和建設，原來超短波臺站與中心臺站之間新建的高樓大廈阻擋了信號的傳輸，使得數據不能正常抄報；
(2) 目前，許多高層用戶的熱交換站（動力站）均設在地下負2-3層，超短波電臺無法安裝，也不能夠使用；
(3) 由于無線電超短波電臺的局限性，一般臺站的天線應遠離高大建筑物，但實際情況不能滿足無線電超短波電臺的要求，而且風、雨、雷等對數傳電臺有巨大影響，造成站臺的巡查、加固各、修復工作量大；
(4) 超短波電臺，只支持對用戶的循環數據召調，在各終端無故障的情況下，一個周期需要2個小時，即每個用戶2個小時傳送一次數據信息，實時性遠不能滿足現代企業信息化建設的需要；
(5) 無線電頻譜是一種資源，國家對頻譜進行嚴格的審批和限制，隨著國家對無線電頻譜資源的限制和對電磁污染的治理，無線超短波通信已不是企業數據采集傳輸的最佳方案；
(6) 現有傳輸系統不僅需要人工巡查維護、維修費用，由于體積大、發射功率大，對儀表運行造成干擾，計量信息不準確不及時為一些用戶鉆空子偷汽、漏氣等提供了可乘之機，嚴重影響企業的經濟效益；
不難看出，原有的無線電超短波電臺，存在穩定性差、日常維護工作繁雜、安裝條件苛刻、造價高等問題，遠不能滿足當前工業監控信息傳輸的需要，已成為企業信息化建設發展的瓶頸，為了有效解決供熱管網電臺傳輸存在的問題，我們選擇了“GPRS”。
二．選擇GPRS的優勢
選擇合適的傳輸系統是技術改造的基礎。GPRS是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是為GSM 用戶提供分組形式的數據業務而在現有系統上發展起來的，它允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，不需要利用電路交換模式的網絡資源，特別適用于供熱管網監控這種間斷的、突發的和頻繁的少量數據傳輸。
GPRS技術從實驗室研究、地區范圍內試用到正式商用，經過了長時間的完善，技術先進、可靠；GPRS設備數據監控終端傳輸設備一開機就能自動附著到GPRS網絡上，與數據中心實時在線進行實時數據通訊、高速傳輸、可靠性高；GPRS網絡覆蓋全球，不存在信號盲區，按照流量收費，沒有數據流量的傳遞時不收費用，計費合理、科學；企業運行投資小，效益高。
這些特點適合于提高企業計量信息的及時性、可靠性、準確性和實現企業生產管理的信息化。通過對技術先進性、系統兼容性、擴展性、網絡覆蓋范圍、企業的投資規模和效益等幾個方面對比分析，廣泛查詢技術資料，決定采用中國移動的GPRS網絡作為通訊傳輸媒介。
三．選擇GPRS要解決的主要技術問題
GPRS是一種新的技術，中國移動通訊有限公司作為運營商，提供了滿足行業應用的數據傳輸網絡平臺，但由于實施GPRS數據采集、開發研制管網數據監控系統，在國內應用沒有先例，因此需要解決以下主要技術問題：
1)、數據中心接入方式的選擇
采用GPRS網絡，數據中心有如下幾種模式：采用光纖專線的方式、采用ADSL作為數據通訊中心、采用無線GPRS調制解調器的方式。
根據改造的技術要求，接入方式應支持所有采集終端群發機制和實時在線的特點，通過對以上幾種方式進行技術經濟比較，我們擬定了在規模較小的試用階段選用無線GPRS調制解調器的方式作為中心的接入方式，經過試運行成熟、所有改造完畢后階段選用專線接入的方式作為中心的接入方式。實踐證明，我們的決策是正確的。
2)、數據中心的IP地址的選擇
網絡通訊必須知道對方的IP地址，我們選用SIM卡綁定固定IP地址模式，在該種模式下，中心獲得一個固定的IP地址，數據采集終端將中心的地址配置后，一上電即可與中心建立雙向數據通道，不用進行域名解析，數據流量小，傳輸快速。這樣GPRS數據遠程監測系統采用GPRS作為通訊手段，利用無線分組交換技術，為用戶提供各種速率的高質量、透明數據傳輸的永久或半永久性專用電路。一個用戶可以使用多個無線信道，同時一個信道也可以讓多個用戶共享。
3)、建立集團的虛擬專網，保證數據的可靠性
系統的可靠性和安全性，是一個管網監控系統的生命。采用GPRS無線數據，中心綁定固定IP地址，為數據中心和采集終端建立了多條虛擬專線；移動公司專門為熱電集團開辟私有專網，組成企業獨立的GPRS 無線DDN網絡，所有現場數據都通過這條網絡通道進行傳輸，其他未經許可的用戶和網絡數據無法進入該網絡，充分保證了用戶數據的安全性和可靠性。
4)、選擇合適的傳輸模塊
現場儀表存在問題：第一、現場二次顯示儀表的通訊接口方式不同，有TTL電平接口、RS232接口、RS485接口等多種類型；第二、原有的儀表為多個廠家生產，通訊協議各不相同，在一個網內運行多個通訊協議也是一個技術難題；第三、原有的儀表均支持招測方式的數據傳輸，對GPRS網絡群收群發不能提供支持。
選擇穩定、成熟的GPRS模塊并與現場儀表配合連接，組成一個遠端采集終端是系統的關鍵技術。嘉復欣公司的GF-2008接近系統對產品的要求，按照現場設計要求，熱電集團公司提出詳細的設計要求，提供高技術的GPRS數傳模塊，實現了GPRS在流量測量領域實現遠程實時數據監控的應用，有效解決了GPRS供熱管網監控系統應用的難關。
嘉復欣GF-2008W GPRS數據傳輸終端DTU功能介紹：
A、功能：
1. 標準的AT 命令界面,方便程序設計；
2. TCP/IP Internet 內嵌的協議棧，輕松互連；
3. RS232接口方式，更加簡便的通訊方式；
4. 可通過串口升級程序。
B、性能：
1. 使用低功耗高性能的CPU 做處理器，16位內部數據總線，128KBSRAM，512KBFLASH，可高速處理協議和大量數據；
2. 支持全透明及幀格式數據傳輸；
3. 支持TCP、IP、PPP、ICMP、UDP、TELNET、HTTP 協議棧；
4. 一個符合ISO7816-3IC 卡標準的SIM 卡座，支持符合GSM11.11 和GSM11.10，規范SIM 卡；
5. 簡化的接口設計，使用通用的232 接口和簡單的AT 命令交互界面；
6. 供了更方便的電源接口，即可使用外掛電源。又可從串口直接取電；
7. 整機功耗小于3W；
8. 完善了GPRS 網絡中所出現的假撥號，掉線自動重啟，遠程喚醒等功能；
9. 支持遠程控制及動態域名解析；
10. 同時更具嵌入式系統要求，可提供內置式模塊（不帶外殼，可通過插針與嵌入式直接系統相連）。
11、同時還有軟硬件雙重看門狗，在DTU不能正常工作時，能夠自動斷電復位。
5)、編制GPRS數據傳輸軟件：
原有儀表只支持超短波電臺的招測模式，而對基于TCP/IP協議的網絡數據傳輸模式不支持，為了保證系統的兼容性和擴展性，經與各儀表生產廠家合作研究，開發應用軟件，有效解決了GPRS供熱管網監控系統應用的第二道難關。主要完成了如下技術創新成果：
第一、硬件接口由原來單一的電平接口，改造為具有適應多種儀表的通訊接口，根據儀表的類型，選用不同電平接口。
第二、與模塊生產廠家合作，共同完成無協議的透明傳輸接口，適應多家儀表的通訊協議。
第三、將現有儀表程序統一升級更新，按照系統的設計要求，編制通訊協議；
第四、精簡通訊過程，適應TCP/IP協議；
第五、將原有的招測模式改變為支持招測模式和主動上報兩種模式，減少了數據流量，提高了系統的可靠性、實時性；
第六、儀表集中的測點，研制了一個通道共享模塊，使得多個儀表可以共享一個GPRS模塊，節省了投資，提高了效益；
四．系統構成
系統由用戶數據監控終端、GPRS用戶專網和數據中心三部分組成。網絡拓撲結構圖如下：

五．開發軟件使用功能
主控室監控軟件采用通用編程工具進行開發，靈活性好，針對性強，開發了以下功能：
第一、用戶管理界面采用數字地圖；
第二、報表功能系統可以針對某一用戶、某一站點或者整個系統自動做出日報表、月報表、年度報表等匯總報表。
第三、圖表曲線功能，直觀的反映出各個用戶的用汽情況；
第四、故障處理和報警功能；
第五、強大的數據庫查詢功能；
第六、完整設備數據庫；
第七、獨特的右鍵添加用戶功能；
第八、兼容不同通訊協議；
第九、實時在線功能；
第十、系統安全設置。
這些功能可以對采集來的現場數據和實時數據進行分析、處理、保存、入庫，制作輸出報表，繪出各種曲線，從而實現整個系統的遠程抄表、實時監測及自動化管理功能，真正實現了高效率和辦公自動化，使網絡化管理變得簡單易行。
六．運行效果與經濟效益
基于GPRS的供熱管網監控系統按照上述方案進行改造，投運后，系統的運行穩定可靠，更能及時地、連續地記錄、反映管網運行的實際工況，抗干擾性強，可靠性高，通訊速率高，組網簡單，安裝方便，不受傳輸距離限制，運行費用低，并且以其網絡的安全防范性好，充分體現了其強大的優勢。一些不甚完善的地方，我們正在不斷補充、更新、完善。項目達到了預期效果。
基于GPRS的供熱管網監控系統與超短波無線傳輸系統相比較，主站減少投資20萬元，每個分站減少投資0.6萬元，減少運行費用0.13萬元，減少檢修費用0.1萬元，目前公司投運200個分站，年節約資金186萬元，隨著投運分站的增加節約資金會增大。基于GPRS的供熱管網監控系統投運后，提高了汽量回收率，合理調度熱力輸配，節約了大量的能源等增加的經濟效益非常顯著。
七．結束語
基于GPRS的供熱管網監測系統完全適用于所有低數據量的傳輸業務，包括城市配電網絡自動化，自來水輸配調度、燃氣輸配調度、金融、交通、水利、環保、公安、商業POS機、INTERNET接入、個人信息、股票信息等行業，推廣應用后，可提高社會服務質量，保證社會各行業的公平公正合理費用結算，杜絕貿易糾紛，為推動社會公共服務行業文明與進步做出重要貢獻。