GPRS工業(yè)應用典型案例

廈門銳格科技有限公司

GPRS電力遠程自動抄表系統(tǒng)解決方案

摘要：    本文提供了一種基于GPRS的電力無線數(shù)據(jù)傳輸遠程抄表系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方法，簡要介紹了GPRS的基本知識，描述了GPRS無線傳輸應用與電力抄表的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：  GPRS；INTERNET；居民小區(qū)抄表；大用戶抄表；變電站抄表；

第一部分 系統(tǒng)概述：

GPRS---General Packet Radio Service，通用無線分組業(yè)務，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦。香港作為第一個進行GPRS實地測試的地區(qū)，已經(jīng)取得了良好的收效。
使用了GPRS后，數(shù)據(jù)實現(xiàn)分組發(fā)送和接收，用戶就可以總是在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。GPRS的服務成本僅是CSD(電路交換數(shù)據(jù)，即通常說的撥號數(shù)據(jù)，歐亞WAP業(yè)務所采用的承載方式)服務成本的十分之一。
GPRS電力遠程抄表系統(tǒng)是寧波銳格科技有限公司和系統(tǒng)集成商合作開發(fā)的基于GPRS技術(shù)的用電管理自動抄表系統(tǒng)。它由電度表、帶GPRS通訊模塊的采集器和服務器組成。采集器實時采集用戶的用電數(shù)據(jù)，通過GPRS把數(shù)據(jù)匯集到服務器。具有采集數(shù)據(jù)快速準確，能快速生成用電統(tǒng)計分析,交費單據(jù)等特點，與傳統(tǒng)的人工抄表、電話線抄表相比，極大地提高了效率。
本系統(tǒng)除了準確、實時抄表外，還提供了設(shè)備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數(shù)據(jù)保護功能，在停電48--72小時內(nèi)仍可抄表和監(jiān)控。本系統(tǒng)結(jié)合移動公司的短信平臺，在告警時，可根據(jù)具體內(nèi)容發(fā)短信給相關(guān)的管理人員。
本系統(tǒng)提供豐富的接口，可與電業(yè)系統(tǒng)的MIS系統(tǒng)鏈接或進行二次開發(fā)。
抄表軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為ORACLE數(shù)據(jù)庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng)，易于使用。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制。

第二部分 系統(tǒng)組成：

本系統(tǒng)由帶系統(tǒng)軟件的主站、帶GPRS模塊的采集器、電度表組成。手持終端是本系統(tǒng)的補充，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外時進行人工抄表。
主站：運行集中抄表系統(tǒng)的計算機（服務器或PC機）稱為主站，主站通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與采集器相連。主站要配置一個固定的IP地址和互聯(lián)網(wǎng)出口。
帶GPRS模塊的采集器：收集電表數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心，它連接主站和電度表。
電度表：計量并顯示用戶的用電情況，將用電信息傳輸?shù)紾PRS采集器。
這三個主要的組成部份是相互關(guān)聯(lián)的主從關(guān)系。整個結(jié)構(gòu)如下圖所示：

 

根據(jù)抄表對向的不同我們設(shè)計以下三種抄表模式：
2.1居民用戶抄表系統(tǒng)
1、電表：1.0級單相靜止式（電子式）電度表，具有光耦脈沖輸出功能。
2、帶GPRS功能的采集器（GPRS+RTU）：
（1）24個I/O口，可帶24戶電度表
（2）停電數(shù)據(jù)保護
（3）帶后備電源，停電后仍可抄表
3、抄表內(nèi)容：
（1）電量
（2）其他
4、抄表形式：
（1）自動抄表
（2）定時上報
（3）實時查詢
5、告警內(nèi)容：
（1）開箱告警
（2）停電告警
1、 可增加遠程控制拉閘功能，電能表要增加內(nèi)置繼電器。
2、 技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接24塊電表；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定；
（2） 通信距離：
采集器與電表：采用雙芯多股線，對于機械表，距離≤500m；對于電子式電表，距離≤50m。
主站與采集器：采用移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，通信成功率為100%。

2.2大集團用戶抄表系統(tǒng)
1、 電表：A）三相有功無功多功能表，有功0.5級、無功2級，具有RS-485通訊接口，電力部DL/T645通訊規(guī)約?；蛘呤褂茫築）三相有功復費率表，有功1級，具有RS-485通訊接口，電力部DL/T645通訊規(guī)約。
實現(xiàn)電能量（有功、無功）的計量和功率因數(shù)、電壓、電流、頻率等參數(shù)的測量。
2、帶GPRS功能的采集器（GPRS+RTU）：
（1）帶一個與電能表通訊的RS-485或RS-232接口，一個與主站系統(tǒng)通信的GPRS接口，三個用于報警監(jiān)測的開關(guān)量輸入口和三個用于遠程控制的模擬量輸出口。
（2）支持部標通信規(guī)約
（3）停電數(shù)據(jù)保護
（4）控制輸出（用于遠程控制拉閘或其他功能）
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表
3、系統(tǒng)功能
（1）設(shè)置電能表的參數(shù)，讀取各種計量和管理數(shù)據(jù)；
（2）抄表數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢、備份、報表、圖表生成；
（3）廠站管理；
（4）自動抄表、定時上報、實時查詢等；
（5）掉電數(shù)據(jù)保存；
（6）瞬時量數(shù)據(jù)的綜合處理；
（7）系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份、存檔和向外輸出數(shù)據(jù)；
（8）歷史數(shù)據(jù)事件記錄功能；
（9）實時報警；
（10）根據(jù)線路上的表計關(guān)系計算線路損耗；
（11）可提供多路模擬量、開關(guān)量輸入，實現(xiàn)開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過壓告警、過流告警、過載告警、傾斜或移動報警等其他功能；
（12）遠程控制斷電功能；
（13）采集的參數(shù)豐富，如：
◆ 當前、上月、正向有功、反向有功、無功四象限的總及尖、峰、平、谷四費率電量；
◆ 正向、反向、有功、無功的最大需量及最大需量發(fā)生時間；
◆ 有功功率、無功功率、三相電壓、三相電流、功率因數(shù)；
◆ 感想失壓累計次數(shù)、失壓累計時間、集抄器停電起止時間等；
◆ 單位時間負荷曲線、三相電流曲線、三相電壓曲線、有功功率曲線、無功功率曲線、功率因數(shù)曲線。
7、技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用雙芯多股線，對于機械表，距離≤500m；對于電子式電表，距離≤50m。
主站與采集器：采用移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，通信成功率為100%；
（4）完全符合IEC1107標準及國電公司DL/T645《多功能電能表通訊規(guī)約》；
（5）工作電源：交流220V±20%，50Hz；
（6）通信速率：1200bps～33.6kbps；
（7）采集器功耗：≤1.5W
（8）工作環(huán)境條件：溫度：-10℃～50℃，相對濕度：≤90%；
（9）耐壓強度：2KV；絕緣電阻：2M歐姆；
（10）電表數(shù)據(jù)抄收率、可靠性和讀數(shù)準確率達到100%。

2.3變電站抄表系統(tǒng)
1、電表：三相有功無功多功能表。
2、帶GPRS功能的采集器：
（1）帶一個485口，三個開關(guān)量和三個模擬量；
（2）支持部標通信規(guī)約；
（3）停電數(shù)據(jù)保護；
（4）控制輸出；
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表。

3、抄表內(nèi)容：
（1）電壓、電流；
（2）有功正、反向分時電量；無功四象限分時電量；
（3）有功正、反向分時最大需量及發(fā)生時間；
（4）無功正、反向分時最大需量及發(fā)生時間；
（5）斷相時間、次數(shù)及斷相期間用電量；
（6）負荷曲線。
4、抄表形式：
（1）自動抄表；
（2）定時上報；
（3）實時查詢。
5、告警內(nèi)容：
（1）開箱告警；
（2）停電告警；
（3）逆相告警；
（4）超溫告警；
（5）過壓告警；
（6）過流告警；
（7）過載告警；
（8）傾斜或移動報警等其他功能。
6、技術(shù)指標：
（1）系統(tǒng)容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統(tǒng)容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據(jù)需要和主站電腦的容量確定；
（2）通信距離：
采集器與電表：采用RS-485接口及屏蔽雙絞線，距離≤500m。主站與采集器：采用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，距離不受限制；
（3）通信成功率:
主站與采集器之間，采用基于可靠連接的TCP/IP協(xié)議，通信成功率為100%。

2.4系統(tǒng)軟件
GPRS自動抄表系統(tǒng)的核心部分是系統(tǒng)軟件，它遵循DL/T645部標通訊規(guī)約，并有擴展性。
抄表軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為ORACLE數(shù)據(jù)庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統(tǒng)，易于使用。軟件所能管理的用戶數(shù)量沒有限制。
系統(tǒng)的功能與特點有：
(一)安全可靠：安全性由三方面構(gòu)成：第一，ORACLE數(shù)據(jù)庫是大型的、多用戶的數(shù)據(jù)庫，它的安全性高，允許多用戶同時使用同一數(shù)據(jù)庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)引擎可以保證數(shù)據(jù)的安全；第二，系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理功能，通過檢查使用者的名字和授權(quán)密碼，賦予使用者相應的操作權(quán)，借鑒銀行系統(tǒng)的密碼管理模式限制無關(guān)人員改變數(shù)據(jù)庫和硬件設(shè)置。第三，防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能，防備系統(tǒng)受到人為的惡意攻擊，數(shù)據(jù)備份功能確保在硬件系統(tǒng)故障時，也能隨時在新的硬件設(shè)備上數(shù)據(jù)無丟失地啟動抄表系統(tǒng)。
(二)完善的系統(tǒng)日志：系統(tǒng)日志記錄了進入系統(tǒng)，離開系統(tǒng)，收費，設(shè)置硬件，改變運行參數(shù)操作等及操作者，操作時間，凡是改變數(shù)據(jù)庫的操作都被記錄下來。
(三)抄表速度快：抄表快、數(shù)據(jù)準確，抄表時PC機只讀采集器的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸采用1200波特率，傳輸速度快，并對每個數(shù)據(jù)塊都有效驗碼，保證了傳輸?shù)臏蚀_性。
(四)廣播對時功能：該功能使得系統(tǒng)中的所有電能表的時間基準與PC機保持一致，對時成功后，由電池供電的電能表內(nèi)部時鐘，不再需要PC機的干預。因此，只要保證在對時時刻，PC機的時間是正確的，以后在運行的過程中，改變PC機的時鐘并不會影響電能表的時間。
(五)自動抄表功能：按照設(shè)置的抄表開始時間和抄表間隔，到預定的抄表時刻，系統(tǒng)便會依次撥號去抄采集器或電表內(nèi)的數(shù)據(jù)。對于抄不上數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動補抄或人工發(fā)命令補抄。
(六)電量凍結(jié)功能：可以方便地定義總表，安裝和刪除總表，給總表分配分表。通過安裝適當?shù)目偙?，結(jié)合抄凍結(jié)數(shù)據(jù)功能，就可得某一特定的時刻的總表讀數(shù)，各分表的讀數(shù)（由此得到讀數(shù)和），就可以計算出某部分電路的電能損耗，為確定電費提供依據(jù)。
(七)電費管理功能：收電費前，統(tǒng)一抄錄一次電費數(shù)據(jù)。當確保數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)反映最近的電表讀數(shù)后，利用程序中的功能自動計算出當月用電量和電費。交納電費時，只需輸入用戶號，當月用電量和電費由程序填寫。每筆電費都有詳細記錄，便于對帳。
(八)設(shè)備管理功能，如告警：開箱告警、停電告警、逆相告警、超溫告警、過載告警、傾斜或移動報警等；控制：對欠費用戶進行拉閘等。并提供停電數(shù)據(jù)保護功能，在停電48--72小時內(nèi)仍可抄表和監(jiān)控。本系統(tǒng)結(jié)合移動公司的短信平臺，在告警時，可根據(jù)具體內(nèi)容發(fā)短信給相關(guān)的管理人員。
本系統(tǒng)適應范圍廣泛，單相版的軟件可用于小區(qū)管理，網(wǎng)絡(luò)版的軟件可用于供電公司實現(xiàn)一座城市或地區(qū)的用電管理。
以下是系統(tǒng)軟件的主要功能模塊：

第三部分 系統(tǒng)安全：

在系統(tǒng)安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的ORACLE數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)對用戶實現(xiàn)分級授權(quán)管理和提供防火墻功能及完善的數(shù)據(jù)備份功能外，對GPRS網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)監(jiān)控中心還提供了安全技術(shù)解決方案，以確保數(shù)據(jù)安全可靠。
3.1 GPRS協(xié)議簡介
 GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?
GPRS網(wǎng)是在GSM網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加以下功能實體構(gòu)成的：服務GPRS支持節(jié)點（SGSN）、網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(GGSN)和點對多點服務中心(PTMSC)。系統(tǒng)共用GSM基站，但基站要進行軟件更新，并采用新的GPRS移動臺；GPRS要增加新的移動性管理程序；通過路由器實現(xiàn)GPRS骨干網(wǎng)互聯(lián)；GSM網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要進行軟件更新和增加新的MAP信令和GPRS信令等。
SGSN的主要作用是記錄移動臺的當前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要是起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN、PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網(wǎng)絡(luò)。
GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。


圖1. GPRS骨干網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)
 GPRS協(xié)議模型?
移動臺（MS）和SGSN之間的GPRS分層協(xié)議模型如圖2所示。Um接口是GSM的空中接口。Um接口上的通信協(xié)議有5層，自下而上依次為物理層、MAC( Medium Access Control)層、LLC（Logical Link Control）層、SNDC（Sub-network Dependant Convergence）層和網(wǎng)絡(luò)層。


圖2. GPRS網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧示意圖
Um接口的物理層為射頻接口部分，而物理鏈路層則負責提供空中接口的各種邏輯信道。
MAC為媒質(zhì)接入控制層。MAC的主要作用是定義和分配空中接口的GPRS邏輯信道，使得這些信道能被不同的移動臺共享。
LLC層為邏輯鏈路控制層。它是一種基于高速數(shù)據(jù)鏈路規(guī)程HDLC的無線鏈路協(xié)議。LLC層負責在高層SNDC層的SNDC數(shù)據(jù)單元上形成LLC地址、幀字段，從而生成完整的LLC幀。
BSS中的LLR層是邏輯鏈路傳遞層。這一層負責轉(zhuǎn)送MS和SGSN之間的LLC幀。
SNDC被稱為子網(wǎng)依賴結(jié)合層。它的主要作用是完成傳送數(shù)據(jù)的分組、打包，確定TCP／IP地址和加密方式。
網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議目前主要是Phase 2+ 階段提供的TCP／IP和L25協(xié)議。TCP／IP和X.25協(xié)議對于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如BSS和NSS等設(shè)備）是透明的。

3.2 GPRS與Internet連接
從GPRS結(jié)構(gòu)可以看出，基站與SGSN設(shè)備之間的連接一般通過幀中繼連接，SGSN與GGSN設(shè)備之間通過IP網(wǎng)絡(luò)連接。
SGSN可以由具有NAT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯）功能的路由器承擔內(nèi)部IP地址與外部網(wǎng)絡(luò)IP地址的轉(zhuǎn)換，MS可以訪問GPRS內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)，也可以通過APN（外部網(wǎng)絡(luò)接入點名）訪問外部的PDN/Internet網(wǎng)絡(luò)。
下圖簡單表示了一個移動主機訪問Internet時的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：移動主機與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的通訊發(fā)生在LLC層，移動主機與內(nèi)容服務器之間的通信控制協(xié)議采用TCP。


圖3. 模擬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
3.3 以GPRS為基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)


圖4 GPRS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖
如圖4所示，圖中的“中心服務器”即為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，位于GPRS子網(wǎng)之外，Internet網(wǎng)絡(luò)之中，具有公網(wǎng)IP，它的功能相當于普通的網(wǎng)絡(luò)服務器，但和一般的商業(yè)服務器相比有兩大特點，第一，它是服務于GPRS子網(wǎng)用戶的服務器。第二，它的服務客戶對象是事先預知的。結(jié)合這兩個最為顯著的特點，本系統(tǒng)中提供了以下兩種安全技術(shù)解決方案。
3.3.1 IP 過濾技術(shù)
由于監(jiān)控中心服務于GPRS子網(wǎng)用戶，所有訪問客戶的IP必為GPRS子網(wǎng)內(nèi)的IP ，即所有的用戶必須通過CMNET才可能訪問該服務器。因此，我們在系統(tǒng)中采用了IP過濾技術(shù)，對所有接受的數(shù)據(jù)包進行過濾，拋棄掉所有的非法IP數(shù)據(jù)報。這一過程就好像將系統(tǒng)置身于CMNET的防火墻保護之下，所有的非法用戶只有先穿過了CMNET的安全防護才有可能訪問到本系統(tǒng)，但對于安全措施非常強大的CMNET網(wǎng)絡(luò)來說，這將是非常的困難。
3.3.2 身分授權(quán)和密碼認證體系
采用IP過濾技術(shù)盡管可以防止一些非CMNET網(wǎng)段用戶的侵襲，但由于系統(tǒng)處于GPRS子網(wǎng)以外，IP過濾只能起到簡單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術(shù)的非法用戶則無法識別。
由于該系統(tǒng)是專業(yè)化的服務系統(tǒng)，訪問客戶是預先確定的，利用這一特點，我們在系統(tǒng)中采用了用戶ID和密碼驗證技術(shù)，系統(tǒng)中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼，對通過了IP過濾的數(shù)據(jù)包，再驗證其ID號和密碼。對于該系統(tǒng)以外的非法用戶，獲取合法的MAC地址和密碼將十分困難，所以這一步極大可能地增加了系統(tǒng)的安全性。

圖5 數(shù)據(jù)安全技術(shù)解決方案示意圖
3.3.3 數(shù)據(jù)安全加密通道
系統(tǒng)采用標準的SSL數(shù)據(jù)安全通訊協(xié)議在客戶端和服務器端建立加密數(shù)據(jù)通道，保證私有數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕幌到y(tǒng)在應用層植入高可靠性的加密算法，使得數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)出錯時都可以得到保證的高可靠性；采用MD5算法產(chǎn)生“報文摘要”已實現(xiàn)對所有發(fā)送報文的數(shù)字簽名，保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的完整性，防止數(shù)據(jù)被篡改。
3.3.4 訪問過程跟蹤
系統(tǒng)對所有的訪問過程進行日志記錄，包括用戶身份、IP、時間、數(shù)字簽名、操作事項等信息，向系統(tǒng)管理人員提供了詳細、完整、有效的操作證明。