工学]基于gprs的热网远程监控系统的设计

工学]基于gprs的热网远程监控系统的设计内容摘要：

GPRS 无线系统可以通过 Inter 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为广大中小用 户节省 了 接入投资； 5. 通信链路维护 方便 ： 由于采用中国移动的 GPRS 数据业务，因此链路维护也由中国移动负责，免除通信链路维护的后顾之忧； 6. 防雷击 ： 由于 GPRS DTU 的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备的缺点。 建立基于 GPRS的 热网无线远程 监控系统，来实现各 个 换热站现场参数的 实时 采集及供暖调度 部门与各个分散热源厂之间的高速 数据 通信 ， 有效地 提高 了城市 供热行业的自动化 管理水平。 供热工程中的自动控制 技术 对于保证供热系统优质供热、安全运行、经济节能、环境保护具有十 分重要的作用。 相 信这种远程监控方案将在城市管网、热网、石油、地震检测、电力等一些 工业 无线远程 监控中得到更大范围 的 应用。 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 5 页 2 热网 远程 监控系统概述及总体 结构 系统概述 热网远程 监控系统 应用 中心对多点的服务模式 来实现 监控 中心与各个热源厂 监控分站之间的无线 数据 通信 ，多个 监控分站 借助于中国移动 GPRS 网络把全厂热网数据传输到一个固定的数据处理中心。 系统主要由以下几部分构成： 1. 现场换热站控制器 现场 换热站 采用 PLC(可编程逻辑控制器 )或 DCS（集散控制系统） 完成 就地和远程控制 功 能：现场温度、压力、液位 、 流量 等 信号的采集；现场各调节阀的控制；现场电机、变频器的控制及运行监视。 2. 监控分站 上位机 监控分站 上位机 设在各个分站热源厂自控室，采用工控机 管理多个换热站。 借助于热源厂内部 工业 控制网络 ， 上位机 与各个换热站控制器之间 通信，完成 对 换热站 现场设备的 远程 监测 与 控制。 同时，上位机依靠运行的工控软件维护全厂热网数据库，并提供全厂 历史数据查询、实时数据曲线显示、报表打印等功能。 3. 监控分站 GPRS 数据传输单元 GPRS DTU 安装在各个监控分站，负责完成分站 上位机与 中心站 服务器之间的数据转 发 任务。 分站 工控机通过 RS232 接口与 GPRS DTU 之间进行串行通信， DTU 通信模块收到工控机发来的数据后，会借助于 GPRS 网络将数据转发到 中心 站 服务器上。 4. 监控 中心 站 GPRS 监控 中心 站 设在供暖调度部门， 由中心 服务器 和中心客户机组成。 中心服务器依照特定形式的中心组网方案接入 GPRS网络，利用网络编程技术发送和接受数据 包，并将提取的数据信息写入 中心 服务器 的 SQL Server 数据库中。 各 中心客户机则 从中心服务器 中 取得数据 ，并将供暖参数实时的显示在供暖办液晶大屏幕上。 系统总体 结构 基于 GPRS 的 热 网远程 监控系统 依据“分散控制、集中监控”的 思想进行设计， 结构示意图如图 21 所示： 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 6 页 图 21 热网远程 监控 系统结构示意图 „ „ „ „ „ 控制器 控制器 控制器 串行通信 监控分站上位机工控软件 VC++客户端程序 GPRS 数据传输单元 OPC/ DDE 换热站 换热站 换热站 „ „ 控制器 控制器 控制器 串行通信 监控分站上位机工控软件 VC++客户端程序 GPRS 数据传输单元 OPC/ DDE 换热站 换热站 换热站 GPRS 网络 Inter 网络 GGSN 移动网关支持节点 GPRS 监控中心站服务器 Ether WEB 发布 液晶显示 数据库操作中 心 客户机 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 7 页 系统 主要 工作过程如下： 1. 现场 换热站 控制器 实时采集 热网 运行数据，对数据进行 分析 处理 ，根据分析结果对换热站设备的运行状态进行 自动 调节 ； 2. 换热站控制器通过 工业 控制 网络 将 处理后的 热网 数据上传给 热源厂上位机。 上位机 依靠工控软件管理各个换热站，维护全厂热网数据库； 3. 各个热源厂上位机实时 响应 GPRS 监控 中心 的数 据 上传 请求 ，通过串口将本站 热网 数据传 至 GPRS 数据传输单元； 4. GPRS 数据传输单元 将数据打成 IP 包 ， 利用 模块内部 封装的 TCP/IP 协议栈将数据转发至 GPRS 无线 网络，再 由移动网关支持节点 路由到 Inter 网络； 5. 监控 中心服务器 依照特定形式的中心组网方案接入 GPRS 网络 ，服务器 负责侦听网络 ，定时发送子站轮询命令包，实时接受子站上传的 数据 包 ， 并将处理后的数据写入城市热网数据库中； 6. 中心客户机借助供暖办内部局域网，提取中心服务器热网数据，完成电子显示和 Inter 发布等工作。 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 8 页 3 GPRS 通信原理介绍 及系统网络搭建 GPRS 技术简介 GPRS 是通用分组无线业务 (General Packet Radio Service)的英文简称，是在现有GSM(Global System for Mobile Communications)系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为 GSM 用户提供分组形式的数据业务。 它允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，特别适用于供热管网监控这种间断的、突发的和频繁的少量数据传输 [3]。 GPRS 技术从实验室研究、地区范围内试用到 正式商用，经过了长时间的完善，技术先进、可靠。 GPRS 设备数据监控终端传输设备 具有 永远在线 的特点， 一开机就能自动附着到 GPRS 网络上 ； 与数据中心进行实时高速数据通讯 ，实时性好， 可靠性高； GPRS网络覆盖全球，不存在信号盲区， 且 组网简单、迅速、灵活 ； 按流量收费，没有数据流量的传递时不收费用，计费合理、科学；企业运行投资小，效益高 ，维护方便 [4]。 这些特点适合于提高企业计量信息的及时性、可靠性、准确性和实现企业生产管理的信息化。 通过对技术先进性、系统兼容性、扩展性、网络覆盖范围、企业的投资规模和效益等几个方面 对比分析，广泛查询技术资料， 本设计系统 决定采用中国移动的 GPRS网络作为通讯传输媒介。 GPRS 无线通信原理 基于 GPRS 的无线网络通信系统主要由三部分构成：位于数据采集现场的 GPRS 数据 传输单元 、网络运营商提供 GPRS 网络与远程 数据中心 服务器。 用户 数据通过移动基站实时发送到 GPRS 网络服务商所提供的 GGSN(Gateway GPRS Support Node)服务器， GGSN 分配给 GPRS 数据 传输单元 相应的 动态 IP 地址，从而实现了 GPRS DTU 与 Inter 的连接，再经过 Inter，最后在数据中心通过接入专线或宽带拨号网络的服务器接收 ，中心各客户端借助于企业内部的局域网完成数据 转发、Inter 发布等 操作。 基于 GPRS 无线通信原理 构建的应用系统数据传输过程如下图 31 所示 [5]： 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 9 页 图 31 基于 GPRS 无线通信原理 构建的应用系统数据传输过程 在 GPRS 无线网络通信系统 中， GPRS DTU 是终端设备与数据中心之间进行远程通信的桥梁。 GPRS DTU 是专门用于将串口数据通过 GPRS 网络进行传送的 GPRS 无线设备 ，主要具有以下 四个核心功能 [6]： 1. 内部集成 TCP/IP 协议栈 GPRS DTU内部封装了 PPP拨号协议以及 TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式 微处理器 与无线 GPRS 调制解调器 的结合 ， 具备 GPRS 拨号上网以及 TCP/IP 数据通信的功能。 2. 提供串口数据双向转换功能 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 在设计上大都将串口数据设计成 “ 透明转换 ” 的方式，也就是说 GPRS DTU 可以将串口上的原始数据转换成 TCP/IP 数据包进行传送。 3. 支持自动心跳，保持永久在线 GPRS 通信网络的优点之一就是支持 GPRS 终端设备永久在线，因此典型的 GPRS DTU 在设计上都支持永久在线功能，这就要求 DTU 包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。 4. 支持参数配置，永久保存 在不同的应用 场合 ，数据中心的 IP 地址及端口号，串口的波特率等都是不同的。 因此， GPRS DTU 都应支持参数配置。 一旦上电，就自动按照设置好的参数进行工作 ，工作过程中 GPRS DTU 也允许用户通过网路进行参数的远程配置与查询。 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 10 页 具备以上基本功能的 GPRS DTU 结构原理图如图 32 所示 ： 图 32 GPRS DTU 结构原理图 系统网络的构 建 GPRS 是一种新的技术，中国移动 作为运营商，提供了满足行业应用的数据传输网络平台。 实施 GPRS 远程 数据采集 传输， 构 建系统网络 着重解决 以下 两个 问题： 监控分站 GPRS 网络 的 接入 本文监控分站是依靠与分站上位机串口连接的 GPRS DTU 接入 GPRS 网络。 GPRS DTU 可以利用嵌入式技术进行自行研发，但由于开发过程繁琐，考虑 到实际情况及系统可靠性的要求，本系统最终选用了深 圳市宏电 公司研发的 H7118 GPRS DTU 集成模块。 H7118 是 H7000 系列产品之一，产品具备 RS232/485 电平接口，高性能、工业级，外置式，适用于各种恶劣环境中的工业监控应用场合。 图 33 宏电 H7118 GPRS DTU 产品外观 实际使用过程中，依照用户安装手册完成 DTU 天线及 SIM 卡的安装之后，需要参照 H7118 不同型号产品用户数据接口电缆的接口类型及电缆接线示意图完成通信电缆的正确联接，一定要注意 DTU 的供电电源及接地电路的设计。 串行 数据 应用层协议栈 TCP/ IP 协议栈 PPP协议栈 GPRS通讯模块 电源 RS232/485 A/D 转换 I/O 控制 模拟量 开关量 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 11 页 监控中心站 GPRS 网络的接入 监控 中 心 有多种组网形式 ， 需要用户 结合 GPRS 承载网络的特点和 GPRS 应用领域的具体要求进行 选择。 组网形式的选择主要由业务数据量、时延、可行性要求、数据保密性、网络状况决定。 常见的监控 中心 组网方案如下 图 34 所示 [7]： 图 34 GPRS 数据中心常见组网方案 1. 方案一：中心采用 ADSL 与 Inter 公网连接，采用公网固定 IP 服务。 此种方案客户需要 先向 Inter 运营商申请 ADSL 等宽带业务，中心 拥 有公网固定IP， DTU 直接向中心发起连接。 或者公司有一台连接 Inter 的服务器，并有固定公网IP 地址 ，但是考虑到服务器的稳定运行问题，通常不允许在服务器上安装其他应用软件。 所以数据中心系统也不允许安装在该服务器上，可以采用 NAT 端口映射的方法解决。 2. 方案二：中心采用主副 GPRSDTU，采用移动内网动态 IP+移动 DNS 解析服务。 用该方案的时候，客户先与移动 DNS 服务商联系开通移动动态域名，监控点先采用域名寻址方式连接移动 DNS 服务器，再由移动 DNS 服务器找到中心移动动态 IP，建立连接。 中心也用 GPRSDTU 做接收端， 且为了提高系统工作的可靠性， 采用主副两个 GPRSDTU 作冗余备份。 此种方式 可以大大节 约固定 IP 的费用。 东北大学秦皇岛分校毕业设 计（论文） 第 12 页 3. 方案三：中心采用主副 GPRSDTU，采用移动 APN 专网固定 IP。 此种方案客户先与移动申请 APN 专网业务。 移动为客户分配专用的 APN，普通用户不得申请该。