GPRS工業應用典型案例

廈門銳格科技有限公司

GPRS電力遠程自動抄表系統解決方案

摘要：    本文提供了一種基于GPRS的電力無線數據傳輸遠程抄表系統設計原理和實現方法，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方法。

關鍵詞：  GPRS；INTERNET；居民小區抄表；大用戶抄表；變電站抄表；

第一部分 系統概述：

GPRS---General Packet Radio Service，通用無線分組業務，是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術，方法是以“分組”的形式傳送資料到用戶手上。用戶上網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，已經取得了良好的收效。
使用了GPRS后，數據實現分組發送和接收，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(電路交換數據，即通常說的撥號數據，歐亞WAP業務所采用的承載方式)服務成本的十分之一。
GPRS電力遠程抄表系統是寧波銳格科技有限公司和系統集成商合作開發的基于GPRS技術的用電管理自動抄表系統。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據，通過GPRS把數據匯集到服務器。具有采集數據快速準確，能快速生成用電統計分析,交費單據等特點，與傳統的人工抄表、電話線抄表相比，極大地提高了效率。
本系統除了準確、實時抄表外，還提供了設備管理功能，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。并提供停電數據保護功能，在停電48--72小時內仍可抄表和監控。本系統結合移動公司的短信平臺，在告警時，可根據具體內容發短信給相關的管理人員。
本系統提供豐富的接口，可與電業系統的MIS系統鏈接或進行二次開發。
抄表軟件系統數據庫為ORACLE數據庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統，易于使用。軟件所能管理的用戶數量沒有限制。

第二部分 系統組成：

本系統由帶系統軟件的主站、帶GPRS模塊的采集器、電度表組成。手持終端是本系統的補充，在系統出現意外時進行人工抄表。
主站：運行集中抄表系統的計算機（服務器或PC機）稱為主站，主站通過GPRS網絡與采集器相連。主站要配置一個固定的IP地址和互聯網出口。
帶GPRS模塊的采集器：收集電表數據傳送到數據中心，它連接主站和電度表。
電度表：計量并顯示用戶的用電情況，將用電信息傳輸到GPRS采集器。
這三個主要的組成部份是相互關聯的主從關系。整個結構如下圖所示：

 

根據抄表對向的不同我們設計以下三種抄表模式：
2.1居民用戶抄表系統
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）停電數據保護
（3）帶后備電源，停電后仍可抄表
3、抄表內容：
（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，電能表要增加內置繼電器。
2、 技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接24塊電表；
系統容量：原則上不受限制，實際可根據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網絡作為通信介質，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協議，通信成功率為100%。

2.2大集團用戶抄表系統
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通訊規約。或者使用：B）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通訊規約。
實現電能量（有功、無功）的計量和功率因數、電壓、電流、頻率等參數的測量。
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，一個與主站系統通信的GPRS接口，三個用于報警監測的開關量輸入口和三個用于遠程控制的模擬量輸出口。
（2）支持部標通信規約
（3）停電數據保護
（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、系統功能
（1）設置電能表的參數，讀取各種計量和管理數據；
（2）抄表數據的統計、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）掉電數據保存；
（6）瞬時量數據的綜合處理；
（7）系統數據備份、存檔和向外輸出數據；
（8）歷史數據事件記錄功能；
（9）實時報警；
（10）根據線路上的表計關系計算線路損耗；
（11）可提供多路模擬量、開關量輸入，實現開箱告警、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生時間；
◆ 有功功率、無功功率、三相電壓、三相電流、功率因數；
◆ 感想失壓累計次數、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、功率因數曲線。
7、技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據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網絡作為通信介質，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）電表數據抄收率、可靠性和讀數準確率達到100%。

2.3變電站抄表系統
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，三個開關量和三個模擬量；
（2）支持部標通信規約；
（3）停電數據保護；
（4）控制輸出；
（5）帶后備電源，停電后仍可抄表。

3、抄表內容：
（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生時間；
（4）無功正、反向分時最大需量及發生時間；
（5）斷相時間、次數及斷相期間用電量；
（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、技術指標：
（1）系統容量：
采集器容量：最多接255塊電表；
系統容量：原則上不受限制每表一號，實際可根據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網絡作為通信介質，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協議，通信成功率為100%。

2.4系統軟件
GPRS自動抄表系統的核心部分是系統軟件，它遵循DL/T645部標通訊規約，并有擴展性。
抄表軟件系統數據庫為ORACLE數據庫，運行于WIN98/2000/XP、NT的操作系統，易于使用。軟件所能管理的用戶數量沒有限制。
系統的功能與特點有：
(一)安全可靠：安全性由三方面構成：第一，ORACLE數據庫是大型的、多用戶的數據庫，它的安全性高，允許多用戶同時使用同一數據庫而不會破壞完整性，用它來做抄表系統的數據引擎可以保證數據的安全；第二，系統對用戶實現分級授權管理功能，通過檢查使用者的名字和授權密碼，賦予使用者相應的操作權，借鑒銀行系統的密碼管理模式限制無關人員改變數據庫和硬件設置。第三，防火墻功能及完善的數據備份功能，防備系統受到人為的惡意攻擊，數據備份功能確保在硬件系統故障時，也能隨時在新的硬件設備上數據無丟失地啟動抄表系統。
(二)完善的系統日志：系統日志記錄了進入系統，離開系統，收費，設置硬件，改變運行參數操作等及操作者，操作時間，凡是改變數據庫的操作都被記錄下來。
(三)抄表速度快：抄表快、數據準確，抄表時PC機只讀采集器的數據，數據傳輸采用1200波特率，傳輸速度快，并對每個數據塊都有效驗碼，保證了傳輸的準確性。
(四)廣播對時功能：該功能使得系統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：按照設置的抄表開始時間和抄表間隔，到預定的抄表時刻，系統便會依次撥號去抄采集器或電表內的數據。對于抄不上數據，系統會自動補抄或人工發命令補抄。
(六)電量凍結功能：可以方便地定義總表，安裝和刪除總表，給總表分配分表。通過安裝適當的總表，結合抄凍結數據功能，就可得某一特定的時刻的總表讀數，各分表的讀數（由此得到讀數和），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。
(七)電費管理功能：收電費前，統一抄錄一次電費數據。當確保數據庫內的數據反映最近的電表讀數后，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。并提供停電數據保護功能，在停電48--72小時內仍可抄表和監控。本系統結合移動公司的短信平臺，在告警時，可根據具體內容發短信給相關的管理人員。
本系統適應范圍廣泛，單相版的軟件可用于小區管理，網絡版的軟件可用于供電公司實現一座城市或地區的用電管理。
以下是系統軟件的主要功能模塊：

第三部分 系統安全：

在系統安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的ORACLE數據庫、系統對用戶實現分級授權管理和提供防火墻功能及完善的數據備份功能外，對GPRS網絡無線數據監控中心還提供了安全技術解決方案，以確保數據安全可靠。
3.1 GPRS協議簡介
 GPRS網絡結構?
GPRS網是在GSM網的基礎上增加以下功能實體構成的：服務GPRS支持節點（SGSN）、網關GPRS支持節點(GGSN)和點對多點服務中心(PTMSC)。系統共用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GPRS骨干網互聯；GSM網絡系統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據的發送和接收。GGSN主要是起網關作用，它可以和多種不同的數據網絡連接，如ISDN、PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM網中的GPRS分組數據包進行協議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的TCP／IP或X.25網絡。
GPRS骨干網的邏輯結構如圖1所示。


圖1. GPRS骨干網的邏輯結構
 GPRS協議模型?
移動臺（MS）和SGSN之間的GPRS分層協議模型如圖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）層和網絡層。


圖2. GPRS網絡的協議棧示意圖
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據鏈路規程HDLC的無線鏈路協議。LLC層負責在高層SNDC層的SNDC數據單元上形成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。這一層負責轉送MS和SGSN之間的LLC幀。
SNDC被稱為子網依賴結合層。它的主要作用是完成傳送數據的分組、打包，確定TCP／IP地址和加密方式。
網絡層的協議目前主要是Phase 2+ 階段提供的TCP／IP和L25協議。TCP／IP和X.25協議對于傳統的GSM網絡設備（如BSS和NSS等設備）是透明的。

3.2 GPRS與Internet連接
從GPRS結構可以看出，基站與SGSN設備之間的連接一般通過幀中繼連接，SGSN與GGSN設備之間通過IP網絡連接。
SGSN可以由具有NAT（網絡地址翻譯）功能的路由器承擔內部IP地址與外部網絡IP地址的轉換，MS可以訪問GPRS內部的網絡，也可以通過APN（外部網絡接入點名）訪問外部的PDN/Internet網絡。
下圖簡單表示了一個移動主機訪問Internet時的網絡結構：移動主機與GPRS網絡之間的通訊發生在LLC層，移動主機與內容服務器之間的通信控制協議采用TCP。


圖3. 模擬網絡結構示意圖
3.3 以GPRS為基礎的無線數據傳輸系統


圖4 GPRS系統網絡拓撲圖
如圖4所示，圖中的“中心服務器”即為本系統的數據監控中心，位于GPRS子網之外，Internet網絡之中，具有公網IP，它的功能相當于普通的網絡服務器，但和一般的商業服務器相比有兩大特點，第一，它是服務于GPRS子網用戶的服務器。第二，它的服務客戶對象是事先預知的。結合這兩個最為顯著的特點，本系統中提供了以下兩種安全技術解決方案。
3.3.1 IP 過濾技術
由于監控中心服務于GPRS子網用戶，所有訪問客戶的IP必為GPRS子網內的IP ，即所有的用戶必須通過CMNET才可能訪問該服務器。因此，我們在系統中采用了IP過濾技術，對所有接受的數據包進行過濾，拋棄掉所有的非法IP數據報。這一過程就好像將系統置身于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，但對于安全措施非常強大的CMNET網絡來說，這將是非常的困難。
3.3.2 身分授權和密碼認證體系
采用IP過濾技術盡管可以防止一些非CMNET網段用戶的侵襲，但由于系統處于GPRS子網以外，IP過濾只能起到簡單的安全防護，對于那些利用IP偽裝技術的非法用戶則無法識別。
由于該系統是專業化的服務系統，訪問客戶是預先確定的，利用這一特點，我們在系統中采用了用戶ID和密碼驗證技術，系統中存儲了有所客戶端的MAC地址以及密碼，對通過了IP過濾的數據包，再驗證其ID號和密碼。對于該系統以外的非法用戶，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的安全性。

圖5 數據安全技術解決方案示意圖
3.3.3 數據安全加密通道
系統采用標準的SSL數據安全通訊協議在客戶端和服務器端建立加密數據通道，保證私有數據傳輸的安全性；系統在應用層植入高可靠性的加密算法，使得數據在任何網絡出錯時都可以得到保證的高可靠性；采用MD5算法產生“報文摘要”已實現對所有發送報文的數字簽名，保證了數據傳輸過程中的完整性，防止數據被篡改。
3.3.4 訪問過程跟蹤
系統對所有的訪問過程進行日志記錄，包括用戶身份、IP、時間、數字簽名、操作事項等信息，向系統管理人員提供了詳細、完整、有效的操作證明。