【文章內(nèi)容簡介】 GPRS 無線系統(tǒng)可以通過 Inter 網(wǎng)絡(luò)隨時隨地的構(gòu)建覆蓋全中國的虛擬移動數(shù)據(jù)通信專用網(wǎng)絡(luò)，為廣大中小用 戶節(jié)省 了 接入投資； 5. 通信鏈路維護(hù) 方便 ： 由于采用中國移動的 GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此鏈路維護(hù)也由中國移動負(fù)責(zé)，免除通信鏈路維護(hù)的后顧之憂； 6. 防雷擊 ： 由于 GPRS DTU 的發(fā)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壞設(shè)備的缺點。 建立基于 GPRS的 熱網(wǎng)無線遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng)，來實現(xiàn)各 個 換熱站現(xiàn)場參數(shù)的 實時 采集及供暖調(diào)度 部門與各個分散熱源廠之間的高速 數(shù)據(jù) 通信 ， 有效地 提高 了城市 供熱行業(yè)的自動化 管理水平。供熱工程中的自動控制 技術(shù) 對于保證供熱系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)供熱、安全運行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)具有十 分重要的作用。 相 信這種遠(yuǎn)程監(jiān)控方案將在城市管網(wǎng)、熱網(wǎng)、石油、地震檢測、電力等一些 工業(yè) 無線遠(yuǎn)程 監(jiān)控中得到更大范圍 的 應(yīng)用。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 5 頁 2 熱網(wǎng) 遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng)概述及總體 結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)概述 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)用 中心對多點的服務(wù)模式 來實現(xiàn) 監(jiān)控 中心與各個熱源廠 監(jiān)控分站之間的無線 數(shù)據(jù) 通信 ，多個 監(jiān)控分站 借助于中國移動 GPRS 網(wǎng)絡(luò)把全廠熱網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€固定的數(shù)據(jù)處理中心。 系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成： 1. 現(xiàn)場換熱站控制器 現(xiàn)場 換熱站 采用 PLC(可編程邏輯控制器 )或 DCS（集散控制系統(tǒng)） 完成 就地和遠(yuǎn)程控制 功 能：現(xiàn)場溫度、壓力、液位 、 流量 等 信號的采集；現(xiàn)場各調(diào)節(jié)閥的控制；現(xiàn)場電機、變頻器的控制及運行監(jiān)視。 2. 監(jiān)控分站 上位機 監(jiān)控分站 上位機 設(shè)在各個分站熱源廠自控室，采用工控機 管理多個換熱站。借助于熱源廠內(nèi)部 工業(yè) 控制網(wǎng)絡(luò) ， 上位機 與各個換熱站控制器之間 通信，完成 對 換熱站 現(xiàn)場設(shè)備的 遠(yuǎn)程 監(jiān)測 與 控制 。同時，上位機依靠運行的工控軟件維護(hù)全廠熱網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，并提供全廠 歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)曲線顯示、報表打印等功能。 3. 監(jiān)控分站 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元 GPRS DTU 安裝在各個監(jiān)控分站，負(fù)責(zé)完成分站 上位機與 中心站 服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 發(fā) 任務(wù) 。 分站 工控機通過 RS232 接口與 GPRS DTU 之間進(jìn)行串行通信， DTU 通信模塊收到工控機發(fā)來的數(shù)據(jù)后，會借助于 GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 中心 站 服務(wù)器上。 4. 監(jiān)控 中心 站 GPRS 監(jiān)控 中心 站 設(shè)在供暖調(diào)度部門， 由中心 服務(wù)器 和中心客戶機組成。中心服務(wù)器依照特定形式的中心組網(wǎng)方案接入 GPRS網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)發(fā)送和接受數(shù)據(jù) 包，并將提取的數(shù)據(jù)信息寫入 中心 服務(wù)器 的 SQL Server 數(shù)據(jù)庫中 。 各 中心客戶機則 從中心服務(wù)器 中 取得數(shù)據(jù) ，并將供暖參數(shù)實時的顯示在供暖辦液晶大屏幕上。 系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu) 基于 GPRS 的 熱 網(wǎng)遠(yuǎn)程 監(jiān)控系統(tǒng) 依據(jù)“分散控制、集中監(jiān)控”的 思想進(jìn)行設(shè)計， 結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21 所示： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 6 頁 圖 21 熱網(wǎng)遠(yuǎn)程 監(jiān)控 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 ? ? ? ? ? 控制器 控制器 控制器 串行通信 監(jiān)控分站上位機工控軟件 VC++客戶端程序 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元 OPC/ DDE 換熱站 換熱站 換熱站 ? ? 控制器 控制器 控制器 串行通信 監(jiān)控分站上位機工控軟件 VC++客戶端程序 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元 OPC/ DDE 換熱站 換熱站 換熱站 GPRS 網(wǎng)絡(luò) Inter 網(wǎng)絡(luò) GGSN 移動網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點 GPRS 監(jiān)控中心站服務(wù)器 Ether WEB 發(fā)布 液晶顯示 數(shù)據(jù)庫操作中 心 客戶機 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 7 頁 系統(tǒng) 主要 工作過程如下： 1. 現(xiàn)場 換熱站 控制器 實時采集 熱網(wǎng) 運行數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析 處理 ，根據(jù)分析結(jié)果對換熱站設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行 自動 調(diào)節(jié) ； 2. 換熱站控制器通過 工業(yè) 控制 網(wǎng)絡(luò) 將 處理后的 熱網(wǎng) 數(shù)據(jù)上傳給 熱源廠上位機。上位機 依靠工控軟件管理各個換熱站，維護(hù)全廠熱網(wǎng)數(shù)據(jù)庫； 3. 各個熱源廠上位機實時 響應(yīng) GPRS 監(jiān)控 中心 的數(shù) 據(jù) 上傳 請求 ，通過串口將本站 熱網(wǎng) 數(shù)據(jù)傳 至 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元； 4. GPRS 數(shù)據(jù)傳輸單元 將數(shù)據(jù)打成 IP 包 ， 利用 模塊內(nèi)部 封裝的 TCP/IP 協(xié)議棧將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至 GPRS 無線 網(wǎng)絡(luò)，再 由移動網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點 路由到 Inter 網(wǎng)絡(luò)； 5. 監(jiān)控 中心服務(wù)器 依照特定形式的中心組網(wǎng)方案接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò) ，服務(wù)器 負(fù)責(zé)偵聽網(wǎng)絡(luò) ，定時發(fā)送子站輪詢命令包，實時接受子站上傳的 數(shù)據(jù) 包 ， 并將處理后的數(shù)據(jù)寫入城市熱網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中； 6. 中心客戶機借助供暖辦內(nèi)部局域網(wǎng)，提取中心服務(wù)器熱網(wǎng)數(shù)據(jù)，完成電子顯示和 Inter 發(fā)布等工作 。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 8 頁 3 GPRS 通信原理介紹 及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建 GPRS 技術(shù)簡介 GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為 GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。它允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，特別適用于供熱管網(wǎng)監(jiān)控這種間斷的、突發(fā)的和頻繁的少量數(shù)據(jù)傳輸 [3]。 GPRS 技術(shù)從實驗室研究、地區(qū)范圍內(nèi)試用到 正式商用，經(jīng)過了長時間的完善，技術(shù)先進(jìn)、可靠 。 GPRS 設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控終端傳輸設(shè)備 具有 永遠(yuǎn)在線 的特點， 一開機就能自動附著到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上 ； 與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實時高速數(shù)據(jù)通訊 ，實時性好， 可靠性高； GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，不存在信號盲區(qū)， 且 組網(wǎng)簡單、迅速、靈活 ； 按流量收費，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時不收費用，計費合理、科學(xué)；企業(yè)運行投資小，效益高 ，維護(hù)方便 [4]。 這些特點適合于提高企業(yè)計量信息的及時性、可靠性、準(zhǔn)確性和實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)管理的信息化。通過對技術(shù)先進(jìn)性、系統(tǒng)兼容性、擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、企業(yè)的投資規(guī)模和效益等幾個方面 對比分析，廣泛查詢技術(shù)資料， 本設(shè)計系統(tǒng) 決定采用中國移動的 GPRS網(wǎng)絡(luò)作為通訊傳輸媒介。 GPRS 無線通信原理 基于 GPRS 的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的 GPRS 數(shù)據(jù) 傳輸單元 、網(wǎng)絡(luò)運營商提供 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程 數(shù)據(jù)中心 服務(wù)器。 用戶 數(shù)據(jù)通過移動基站實時發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的 GGSN(Gateway GPRS Support Node)服務(wù)器， GGSN 分配給 GPRS 數(shù)據(jù) 傳輸單元 相應(yīng)的 動態(tài) IP 地址，從而實現(xiàn)了 GPRS DTU 與 Inter 的連接，再經(jīng)過 Inter，最后在數(shù)據(jù)中心通過接入專線或?qū)拵芴柧W(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器接收 ，中心各客戶端借助于企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)完成數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)、Inter 發(fā)布等 操作。 基于 GPRS 無線通信原理 構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程如下圖 31 所示 [5]： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 9 頁 圖 31 基于 GPRS 無線通信原理 構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程 在 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng) 中， GPRS DTU 是終端設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行遠(yuǎn)程通信的橋梁。 GPRS DTU 是專門用于將串口數(shù)據(jù)通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的 GPRS 無線設(shè)備 ，主要具有以下 四個核心功能 [6]： 1. 內(nèi)部集成 TCP/IP 協(xié)議棧 GPRS DTU內(nèi)部封裝了 PPP撥號協(xié)議以及 TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，從硬件上，它可看作是嵌入式 微處理器 與無線 GPRS 調(diào)制解調(diào)器 的結(jié)合 ， 具備 GPRS 撥號上網(wǎng)以及 TCP/IP 數(shù)據(jù)通信的功能。 2. 提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能 GPRS DTU 提供了串行通信接口，包括 RS232,RS485,RS422 等常用 串行通信方式，而且 GPRS DTU 在設(shè)計上大都將串口數(shù)據(jù)設(shè)計成 “ 透明轉(zhuǎn)換 ” 的方式，也就是說 GPRS DTU 可以將串口上的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 TCP/IP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送。 3. 支持自動心跳，保持永久在線 GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點之一就是支持 GPRS 終端設(shè)備永久在線，因此典型的 GPRS DTU 在設(shè)計上都支持永久在線功能，這就要求 DTU 包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線、支持?jǐn)嗑€自動重連、自動重?fù)芴柕忍攸c。 4. 支持參數(shù)配置，永久保存 在不同的應(yīng)用 場合 ，數(shù)據(jù)中心的 IP 地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此， GPRS DTU 都應(yīng)支持參數(shù)配置。一旦上電，就自動按照設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行工作 ，工作過程中 GPRS DTU 也允許用戶通過網(wǎng)路進(jìn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程配置與查詢。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 10 頁 具備以上基本功能的 GPRS DTU 結(jié)構(gòu)原理圖如圖 32 所示 ： 圖 32 GPRS DTU 結(jié)構(gòu)原理圖 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu) 建 GPRS 是一種新的技術(shù)，中國移動 作為運營商，提供了滿足行業(yè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺 。 實施 GPRS 遠(yuǎn)程 數(shù)據(jù)采集 傳輸， 構(gòu) 建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 著重解決 以下 兩個 問題： 監(jiān)控分站 GPRS 網(wǎng)絡(luò) 的 接入 本文監(jiān)控分站是依靠與分站上位機串口連接的 GPRS DTU 接入 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。 GPRS DTU 可以利用嵌入式技術(shù)進(jìn)行自行研發(fā)，但由于開發(fā)過程繁瑣，考慮 到實際情況及系統(tǒng)可靠性的要求，本系統(tǒng)最終選用了深 圳市宏電 公司研發(fā)的 H7118 GPRS DTU 集成模塊。 H7118 是 H7000 系列產(chǎn)品之一，產(chǎn)品具備 RS232/485 電平接口，高性能、工業(yè)級，外置式，適用于各種惡劣環(huán)境中的工業(yè)監(jiān)控應(yīng)用場合。 圖 33 宏電 H7118 GPRS DTU 產(chǎn)品外觀 實際使用過程中，依照用戶安裝手冊完成 DTU 天線及 SIM 卡的安裝之后，需要參照 H7118 不同型號產(chǎn)品用戶數(shù)據(jù)接口電纜的接口類型及電纜接線示意圖完成通信電纜的正確聯(lián)接，一定要注意 DTU 的供電電源及接地電路的設(shè)計。 串行 數(shù)據(jù) 應(yīng)用層協(xié)議棧 TCP/ IP 協(xié)議棧 PPP協(xié)議棧 GPRS通訊模塊 電源 RS232/485 A/D 轉(zhuǎn)換 I/O 控制 模擬量 開關(guān)量 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 11 頁 監(jiān)控中心站 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的接入 監(jiān)控 中 心 有多種組網(wǎng)形式 ， 需要用戶 結(jié)合 GPRS 承載網(wǎng)絡(luò)的特點和 GPRS 應(yīng)用領(lǐng)域的具體要求進(jìn)行 選擇 。組網(wǎng)形式的選擇主要由業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量、時延、可行性要求、數(shù)據(jù)保密性、網(wǎng)絡(luò)狀況決定。 常見的監(jiān)控 中心 組網(wǎng)方案如下 圖 34 所示 [7]： 圖 34 GPRS 數(shù)據(jù)中心常見組網(wǎng)方案 1. 方案一：中心采用 ADSL 與 Inter 公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定 IP 服務(wù)。 此種方案客戶需要 先向 Inter 運營商申請 ADSL 等寬帶業(yè)務(wù)，中心 擁 有公網(wǎng)固定IP， DTU 直接向中心發(fā)起連接。 或者公司有一臺連接 Inter 的服務(wù)器，并有固定公網(wǎng)IP 地址 ，但是考慮到服務(wù)器的穩(wěn)定運行問題，通常不允許在服務(wù)器上安裝其他應(yīng)用軟件。所以數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)也不允許安裝在該服務(wù)器上，可以采用 NAT 端口映射的方法解決。 2. 方案二：中心采用主副 GPRSDTU，采用移動內(nèi)網(wǎng)動態(tài) IP+移動 DNS 解析服務(wù)。 用該方案的時候，客戶先與移動 DNS 服務(wù)商聯(lián)系開通移動動態(tài)域名，監(jiān)控點先采用域名尋址方式連接移動 DNS 服務(wù)器，再由移動 DNS 服務(wù)器找到中心移動動態(tài) IP，建立連接。中心也用 GPRSDTU 做接收端， 且為了提高系統(tǒng)工作的可靠性， 采用主副兩個 GPRSDTU 作冗余備份。 此種方式 可以大大節(jié) 約固定 IP 的費用。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè) 計（論文） 第 12 頁 3. 方案三：中心采用主副 GPRSDTU，采用移動 APN 專網(wǎng)固定 IP。 此種方案客戶先與移動申請 APN 專網(wǎng)業(yè)務(wù)。移動為客戶分配專用的 APN，普通用戶不得申請該