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1  引言

    隨著社會的發展，各種管網（熱、水、電、油、煤氣等）越來越多，管網測點數據的采集和及時傳輸是管網穩定、可靠運行的保證，要求計算機管網監測系統必須能夠在節省費用的前提下提供及時、準確的信息。然而，在使用的過程中，傳統有線、無線的管網監測系統的不足之處逐漸凸現出來。采用電話線傳輸數據，不能保證實時性；采用無線電臺，解決誤碼率和波特率的矛盾（尤其是抗干擾）是一個令人頭疼的問題；采用專線電路，不可能對所有大面積分散的數據采集子站進行專線鋪設，而且需承擔高昂的運行費用。

    針對這些問題，河北久信電子科技有限公司開發出了JX2003(GPRS)管網數據遠程監測系統。該系統采用先進成熟的GPRS DTU模塊為遠程數傳模塊，依托穩定、可靠的中國移動GPRS網絡，系統運行可靠，數據采集實時性強。該系統是原JX2000（有線）管網數據遠程監測系統、JX2001（無線）管網數據遠程監測系統的升級版本。它有效解決了其他通信方式存在的各種問題，在保證數據傳輸及時、準確的前提下，將系統運行費用降低到了最低。同時，通信鏈路由專業的運營商來維護，避免了用戶在使用監測系統的同時，還需要耗費很大精力去維護通信線路等問題。該系統節約了用戶的初期建設投資和運行維護費用。

2  系統簡介

    JX2003管網數據遠程監測系統采用GPRS作為通信手段，利用GPRS移動數據通信網絡組成數字數據傳輸網絡，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，為客戶建立自己的專用數據網。具有以下特點：

    (1)  永遠在線：GPRS DTU一開機就能自動附著到GPRS網絡上，并與客戶的數據中心建立通信鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據，具有很高的實時性；

    (2)  按流量計費：GPRS DTU一直在線，按照接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用；

    (3)  高速傳輸：GPRS網絡的傳輸速度最快將達到160Kbps，速率的高低取決于移動運營商的網絡設置，根據中國移動的網絡情況，目前可提供20~40Kbps的穩定數據傳輸；

    (4)  組網簡單、迅速、靈活：GPRS無線DDN系統可以通過Internet網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡，為廣大中小用戶接入提供便利，節省接入投資；

    (5)  通信鏈路由專業運營商維護：由于采用中國移動的GPRS 數據業務，因此鏈路維護也由中國移動負責，免除通信鏈路維護的后顧之憂；

    (6)  防雷擊：由于采用中國移動的GPRS 數據業務，所以在不影響上網的前提下，GPRS DTU的發射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊而損壞設備的缺點。

3  GPRS系統簡介

    GPRS 是通用分組無線業務(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則以及TDMA幀結構，這種新的分組數據信道與當前的電路交換的話音業務信道極其相似。因此，現有的基站子系統(BSS)從一開始就可提供全面的GPRS覆蓋。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務，特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。GPRS 理論帶寬可達171.2Kb/s，實際應用帶寬大約在10Kbps~70Kbps，在此信道上提供TCP/IP 連接，可以用于Internet連接、數據傳輸等應用。
  
    GPRS是一種新的移動數據通信業務，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP。GPRS采用分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，資源被有效的利用，數據傳輸速率高達160Kbps。使用GPRS技術實現數據分組發送和接收，用戶永遠在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。GPRS移動數據傳輸系統有很大的應用范圍，幾乎所有中低速率的數據傳輸業務都可以應用，如城市配電網絡自動化、自來水、商業POS機、Internet接入、個人信息、股票信息、金融、交通、公安等，尤為適合管網遠程監測系統。

4  系統構成

(1)  現場采集子站構成
 
    現場采集子站由二次儀表通過RS-232通訊口與GPRS DTU傳輸模塊連接，每一個GPRS DTU傳輸模塊裝入一個中國移動的數據SIM卡即可。

(2)  主控室構成

    主控室構成分為兩種方案：

    方案一：系統拓撲結構見圖1。計算機直接與GPRS MODEM相連，申請固定IP地址，數據通過無線網卡接入。這種方式適合采集點較少（200個左右），每次數據傳輸量100 字節左右，每個子站數據采集間隔不小于1分鐘；若系統實時性要求稍低，每個子站數據采集間隔可大于1分鐘，采集子站的數目可以較多。

    方案二：系統拓撲結構見圖2。計算機與中國移動提供的數據專線相連，數據發送到中國移動的服務器后由專線傳送到主控室計算機。這種方式適合采集點很多（大于200），或采集點雖然較少，但實時性要求很高的情況。
子站上電后自動向主控室申請入網，主控室計算機接到請求后將子站列入網上設備表，開始進行數據通信。

5  GPRS DTU傳輸模塊

5.1  基本特點：

  ◆  使用方便、靈活、可靠；
  ◆  支持雙頻GSM/GPRS；
  ◆  符合ETSI GSM Phase 2+標準；
  ◆  數據終端永遠在線；
  ◆  實時時鐘；
  ◆  支持A5/1&A5/5加密算法。
5.2  增強功能

  ◆  透明數據傳輸與協議轉換；
  ◆  支持虛擬數據專用網；
  ◆  短消息數據備用通道（選項）；
  ◆  STK卡特殊功能配置；
  ◆  支持TTL/RS-232/485或以太網接口；
  ◆  支持音頻接口，方便維護操作；
  ◆  系統配置和維護接口；
  ◆  通過Xmodem協議進行軟件升級；
  ◆  支持空中軟件升級和遠程維護（選項）；
  ◆  自診斷與告警輸出；
  ◆  抗干擾設計，適合電磁環境惡劣的應用需求；
  ◆  防潮設計，適合室外應用。

5.3  傳輸效率

(1)  用戶數據傳輸效率（用戶數據占網絡層總數據的比例）

    DTU 支持不同組網方式，不同的數據包長度，這時有不同的傳輸效率。下面假設在DTU當前最長所能支持的最大用戶數據包長的情況下，即1 024字節包長。

  ◆  支持DTU主動發起到數據中心的數據傳輸：最大傳輸效率(w) = 97.3%；
  ◆  支持雙向主動互傳：最大傳輸效率(w) = 95.9%。

(2)  傳輸時延（從發送到接收數據之間的時間）

    不同的數據包長度，傳輸的時延不同。根據目前移動的網絡狀況，一般一個包長為100到200字節之間的數據包可以在1秒內互傳完畢。大于200字節的數據包平均在1秒到3秒之間可以互傳完畢。

(3)  穩定性

  ◆  有效率：發送成功數據占總發送數據比例。根據筆者的使用結果來看，在網絡正常的情況下，一般數據包均無漏碼錯碼；
  ◆  穩定性綜合參數：有效率x 傳輸效率。網絡有效帶寬和最大傳輸單元(MTU)之間存在著極其重要的關系，一般MTU增大到200字節以上不會明顯增加帶寬，但會增大平均延遲，測試結果表明MTU的最優大小是200字節左右；
  ◆  斷線自動連接，自動檢測網絡連接狀況，設備自診斷、自恢復。

5.4  配置方便性

  ◆  菜單式配置（超級終端，無需專用軟件）；
  ◆  維護軟件配置。

5.5  結構

  ◆  內部連接可靠性：GPRS模塊與PCB、SIM卡之間均為固定連接；
  ◆  產品尺寸：110mm×56mm×15mm；
  ◆  安裝方便：外殼螺絲固定；
  ◆  防震：接插件少，具良好抗震性能。

5.6  環境參數
  ◆  溫度：-20℃~55℃；
  ◆  相對濕度：95%（無凝結）。

6  JX2003監測軟件

    JX2003主控室監測軟件采用通用編程工具開發，具有靈活性好、針對性強的特點，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；界面友好、操作簡單方便，真正實現了高效率和辦公自動化；可同時兼容多個二次儀表廠家的通信協議，也可根據用戶的要求增加用戶自己的通信協議。系統的網絡數據庫使網絡化管理變得簡單易行。

  ◆  直觀的用戶地圖

    用戶管理界面采用數字地圖，界面可放大縮小，在此界面上可觀察到各個用戶的運行情況，通過點擊用戶即可進入該用戶實時曲線界面。

  ◆  強大的報表功能

    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。日報表統計一天24小時整點的運行參數和累計流量以及用汽量，累計停電時間等情況；月報表統計當月每天的運行數據，列出每天的用汽情況和停電時間等情況；年度報表統計一年12個月每月的用汽情況和停電情況。報表可按照用戶要求定制，直接進行預覽、打印。

  ◆  實用的圖表曲線功能

    系統可以針對某一站點、某一用戶或者整個系統自動做出日用汽量直方圖、趨勢曲線，月用汽量直方圖、趨勢曲線，年用汽量直方圖、趨勢曲線。直觀的反映出各個用戶的用汽情況。曲線可任意放大、縮小和拖動。

  ◆  故障處理和報警功能

    主控室對于出現的通信故障和數據超限產生報警，并將產生報警的時間和原因記錄入數據庫，報警方式為窗口提示、聲音報警等。

  ◆  強大的數據庫查詢功能

    操作員可通過設置不同的查詢條件（包括時間、用戶、數據范圍等）從數據庫中獲得各種歷史數據，顯示這一時刻的瞬時流量、累計流量等參數。也可查詢報警記錄，獲得產生報警的時間和原因。數據庫可方便的進行維護，數據庫采用SQL SERVER網絡數據庫，可對各種數據進行分析，并可在權限范圍內實現局域網或遠程數據共享。

  ◆  完整的設備數據庫

    軟件中可錄入每個站點現場所用設備、管徑等，以及現場聯系人的名字和電話，使用起來更方便。

  ◆  右鍵添加用戶功能

    添加用戶時，只需在界面圖需要放置的地方單擊右鍵，選擇添加用戶，即可將用戶放置到所在位置，若位置不準確，可單擊右鍵，選擇移動用戶，然后點擊需要移動的用戶，將其移動到合適的位置。

  ◆  兼容不同通信協議

    在監測網絡中可有不同廠家的儀表，通過設備選擇可設定儀表所用的通信協議，數據接受時自動辨別。并可根據用戶要求增加通信協議。

  ◆  實時在線功能

    系統對所有監測子站能夠進行群收群發；根據系統要求，對各采集子站設定不同的采集間隔（可以任意設置）。

  ◆  系統安全設置

    系統設置多級權限，不同權限的功能有所不同。系統管理員可以使用所有的功能，而對于一般用戶來說，數據庫維護，系統維護等一些涉及系統內部安全的設置功能被限制使用。