GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

摘    要：本文提出了一種基于GPRS 的無線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)設(shè)計原理和實現(xiàn)方案，簡要介紹了GPRS 技術(shù)的基本知識，描述了GPRS 無線傳輸應(yīng)用于電力數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法。通過實際應(yīng)用，獲得了理想的效果。

關(guān)鍵詞：GPRS；DDN；電力；聯(lián)網(wǎng)；抄表系統(tǒng)；

一、背景介紹

上世紀(jì)80年代末90年代初，中國開始了自動化抄表系統(tǒng)的試點工作。全國各供電企業(yè)基本建立了無線電電力負(fù)荷控制系統(tǒng)，雖然其主要建設(shè)目的是控制負(fù)荷，但也逐漸用于大用戶的電能表抄表。1989年首套跨省網(wǎng)的電量計費系統(tǒng)在華北電網(wǎng)投入運行，北京供電局的電話抄表系統(tǒng)在90年代開始投入運行。1994年以色列居民集抄系統(tǒng)進(jìn)入中國，全國各地供電企業(yè)大多都開展了低壓電力載波技術(shù)試點。90年代中期，國內(nèi)已有研制成功一批自動抄表系統(tǒng)的報道，2000年經(jīng)全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會秘書處召集生產(chǎn)、用戶以及計量檢測等20個成員單位組成《自動抄表系統(tǒng)》國家標(biāo)準(zhǔn)起草工作組，通過標(biāo)準(zhǔn)的制定有效地規(guī)范了市場和引導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。2004年現(xiàn)場用電管理終端作為負(fù)控和抄表需求的融合產(chǎn)品產(chǎn)生，并陸續(xù)在浙江電網(wǎng)和廣東電網(wǎng)大量推廣使用。2005年國家電網(wǎng)公司頒布《關(guān)于加強(qiáng)電力營銷現(xiàn)代化的建設(shè)意見》的406號文后，中國迎來了遠(yuǎn)程抄表發(fā)展的黃金時期。從2005年N2007年各電力公司基本實現(xiàn)了發(fā)電側(cè)、供電側(cè)及終端側(cè)315kVA及以上大用戶的電能自動抄表，全國估計有幾十萬個采集終端投入應(yīng)用，成為目前世界發(fā)展很快的市場。2007年部分省市電力公司又重新啟動居民用戶集中抄表系統(tǒng)工程，中國將至少具有十年的發(fā)展黃金時期。

近年來，隨著我國住宅產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，能源消費計量和管理的需要，以及廣大居民生活水平的提高，對建筑智能化水平的要求越來越高，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展。這既是提高能源管理水平的需要，也是電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展的必然。

二、同類方案對比

1、電力線載波抄表

以電力線作為傳輸信道，將數(shù)據(jù)信號調(diào)制為高頻信號疊加在電力線上進(jìn)行通信。此方式無需另外布線、易施工、成本低、與電網(wǎng)建設(shè)同步。目前國內(nèi)10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術(shù)已較成熟，但低壓電力線載波還未能達(dá)到令人滿意的水平，制約了電力線載波抄表在我國的應(yīng)用。原因在于電力載波信號存在著脈沖干擾，傳輸距離越遠(yuǎn)，信號衰減越大。低壓電器電磁兼容性的控制尚不十分嚴(yán)格，低壓電力線上存在的電磁污染嚴(yán)重，干擾大，影響載波通信的質(zhì)量；另外，用戶負(fù)載千變?nèi)f化造成網(wǎng)絡(luò)傳輸特性復(fù)雜多變，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以表征。因此，抗干擾是低壓電力線載波技術(shù)必須克服的問題。

2、總線抄表

總線通信是目前國內(nèi)自動抄表系統(tǒng)采用較多的一種通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸速度較快，可靠，穩(wěn)定，通信質(zhì)量高。目前使用的總線通信方式有RS-232，RS-485，LonWorks等。但這種方式布線工作量大，通信信道易遭外界因素破壞，信道后續(xù)維護(hù)工作量大。

3、紅外抄表

抄表員將錄有用戶信息的紅外手持抄表器拿到居民區(qū)數(shù)據(jù)集中器附近，通過紅外通訊方式集中采集各耗能表的數(shù)據(jù)，然后返回主站將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。這種方式在紅外可視距離內(nèi)能非接觸的讀取儀表數(shù)據(jù)，但速率較低，易受外界環(huán)境的影響。

4、GSM短信息抄表

GSM短信息抄表系統(tǒng)在用戶端安裝集控器和無線發(fā)射終端，將用戶的耗能數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)以短信息(SMS)的形式上傳到GSM網(wǎng)的SMS中心，SMS中心將接收到的數(shù)據(jù)通過專線傳遞給能源管理部門。但每條短信息通信容量有限，系統(tǒng)實時性及可靠性較差，可能發(fā)生信息擁塞和丟失現(xiàn)象，不適合在業(yè)務(wù)量大的系統(tǒng)中應(yīng)用。

5、GPRS抄表
GPRS抄表系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)連接至Intemet網(wǎng)與主站計算機(jī)進(jìn)行通信。用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS模塊處理、協(xié)議封裝后發(fā)送出去，由GPRS接收模塊接收經(jīng)Intemet網(wǎng)絡(luò)傳送至主站，實現(xiàn)用戶耗能數(shù)據(jù)和主站的實時在線連接。GPRS以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用分組交換的傳輸方式，克服了GSM電路變換速率低、資源利用率差等缺點，較好地利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源。它的傳輸速率高，接入時間短，用戶保持在線且按流量計費，迅速降低了服務(wù)成本，特別適合突發(fā)性小流量數(shù)據(jù)傳輸。

三、方案優(yōu)點 

GPRS無線電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)具備如下特點：　　

1、建設(shè)周期短，成本低：

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)可為電力系統(tǒng)提供了簡單的通信傳輸手段。中國移動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(wù)平臺上構(gòu)建電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)簡單。 

2、實時性強(qiáng)： 

由于GPRS具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理所有數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)?？珊芎玫臐M足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。

3、可對電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制： 

通過GPRS雙向通訊方式還可實現(xiàn)對電表設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、開關(guān)等控制作用。

4、集抄范圍廣：

GPRS覆蓋范圍廣，在無線GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以完成對集抄的控制和管理。而且，擴(kuò)容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。 

5、系統(tǒng)的傳輸容量大： 

數(shù)據(jù)中心要和每一個電表數(shù)據(jù)采集點保持實時連接。由于電表數(shù)據(jù)采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，而GPRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。 

6、數(shù)據(jù)傳送速率高： 

每個電表數(shù)據(jù)采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內(nèi)。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)171.2kbit/s，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40Kbps左右，滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。 

7、通信費用低：采用包月計費方式，運營成本低。 

8、系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。

由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)測中心計算機(jī)需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個電表數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機(jī)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 　

四、系統(tǒng)組成 

電表數(shù)據(jù)采集點位于居民小區(qū)的信息中心，居民用戶的用電數(shù)據(jù)由復(fù)費率電表首先通過RS485接口通過雙絞線連接到位于小區(qū)信息中心的電表集中器，電表集中器再通過RS232接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連。通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至電力公司數(shù)據(jù)中心電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實現(xiàn)電表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在線連接。電表集中器通過RS485接口直接連接到電表上，既可支持單個電表，也可以同時支持多個電表，實現(xiàn)對電表參數(shù)的采集，存儲，預(yù)處理或并將采集到的電表數(shù)據(jù)實時傳送到配電中心；同時，電表集中器還可將配電中心發(fā)送的遙控指令傳給電表控制模塊，對電表進(jìn)行控制操作。 　　　　

1、公網(wǎng)接入方案 　　

服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號寬帶上網(wǎng)，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實現(xiàn)中小容量的電表數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。 　　

2、專網(wǎng)接入方案 　　

服務(wù)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(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)電表數(shù)據(jù)采集點數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求，可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。 　　

監(jiān)控中心服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進(jìn)行AAA認(rèn)證，后傳送到監(jiān)控中心計算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。 　　

配電中心計算機(jī)主機(jī)可進(jìn)行業(yè)務(wù)管理和計費管理，對電力數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗、計算、存儲、分析、管理等，可對異常情況進(jìn)行告警，同時對用戶使用情況實時監(jiān)控，保證電力局的合法收益。 　　、

GPRS移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)： 　　

電表集中器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，傳送到監(jiān)控中心IP地址。各電表使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)與配電中心相連。電表使用GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專用數(shù)據(jù)卡，同時監(jiān)控中心對各點GPRS終端編號進(jìn)行登記, 并與采集點信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便識別和維護(hù)處理。采集中心運行數(shù)據(jù)采集中心系統(tǒng)軟件，實時采集電表數(shù)據(jù)。 　　
 

（圖一）電力遠(yuǎn)程抄表示意圖

凡電力局授權(quán)的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)： 　　

電表數(shù)據(jù)采集點必須使用移動統(tǒng)一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與供電局?jǐn)?shù)據(jù)中心通信。 　　

終端設(shè)備使用北京東方訊科技公司提供的CG12 DTU無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機(jī)系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)集中器等連接，具有遠(yuǎn)程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)端站點之間的數(shù)據(jù)采集和控制。

高度集成GPRS和TCP/IP技術(shù)，可實現(xiàn)點對點，點對多點等靈活的無線組網(wǎng)方式內(nèi)置嵌入式CPU完成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持PPP，ICMP，TCP，UDP，DNS等協(xié)議，為用戶數(shù)據(jù)提供透明傳輸通道 ?！?　　

用戶登記：符合供電局的規(guī)定。 　　

推薦配電中心通過公網(wǎng)使用APN接入到移動GPRS網(wǎng)，這種方式成本比較低，安全性比較高，而且速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量都保障；也可以通過GPRS專線接入到移動GPRS網(wǎng)，這種方式成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。 　　

由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，配電中心計算機(jī)主機(jī)配置固定的IP地址，各個電表數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊和該主機(jī)進(jìn)行通信。

五、安全措施

在系統(tǒng)安全方面，本公司除了采用大型、多用戶的SQL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)可靠。

1、IP 過濾技術(shù)由于監(jiān)控中心服務(wù)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(wù)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(jìn)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(hù)之下，所有的非法用戶只有先穿過了CMNET的安全防護(hù)才有可能訪問到本系統(tǒng)，但對于安全措施非常強(qiáng)大的CMNET網(wǎng)絡(luò)來說，這將是非常的困難。

2、身份授權(quán)和密碼認(rèn)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(hù)，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(wù)系統(tǒng)，訪問客戶是預(yù)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，所以極大地增加了系統(tǒng)的安全性。

（圖二） 數(shù)據(jù)安全技術(shù)解決方案示意圖

3、數(shù)據(jù)安全加密通道系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的SSL數(shù)據(jù)安全通訊協(xié)議在客戶端和服務(wù)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?；系統(tǒng)在應(yīng)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。

4、訪問過程跟蹤系統(tǒng)對所有的訪問過程進(jìn)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(xì)、完整、有效的操作證明。

六、 總結(jié)

就電力部門來說，遠(yuǎn)程抄表一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財力。因為數(shù)量眾多，地理位置分散，給工作人員帶來極大的不便。如今電力公司可利用GPRS移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)對各重要電力節(jié)點、大用戶電表進(jìn)行監(jiān)控,自動讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并加以分析，還可進(jìn)一步進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或設(shè)備維護(hù)，可減少人力資源、縮短修護(hù)時間并節(jié)省專線建設(shè)成本。

采用GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)通訊方法解決了遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的通訊問題，比起其它有線通訊方式有著不可比擬的優(yōu)越性。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，GPRS的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣闊。本文介紹的GPRS無線傳輸系統(tǒng)可推廣至各種金融，水務(wù)，環(huán)保，煤氣，交通等行業(yè)應(yīng)用當(dāng)中去。