基于GPRS技術(shù)的城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

摘要：針對(duì)目前城市市政管網(wǎng)控系統(tǒng)存在的設(shè)備落后、功能單一、監(jiān)測(cè)方法不完善的狀況，根據(jù)管網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和功能，基于GPRS的城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，建立一種基于GPRS技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹了GPRS技術(shù)在管網(wǎng)中的開發(fā)和應(yīng)用。通過GPRS模塊，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接，達(dá)到了有效監(jiān)控的目的。
關(guān)鍵詞：GPRS；監(jiān)測(cè)；數(shù)據(jù)傳輸

0 引言
    城市市政管網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)著供水、供電、供燃?xì)?、供熱、排水等任?wù)，維持和保障城市生產(chǎn)和生活的正常運(yùn)行。然而，許多城市市政管線存在著管線不配套、不規(guī)范、運(yùn)行可靠性和安全性差、運(yùn)行費(fèi)用高等諸多問題，城市管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)等工作還處于定期或定點(diǎn)人工巡視和現(xiàn)場(chǎng)檢查的階段，缺乏有效監(jiān)控、預(yù)警以及科學(xué)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。
    因此，開發(fā)針對(duì)城市市政管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析，為管網(wǎng)突發(fā)事件處理、災(zāi)害預(yù)警綜合防御、相關(guān)信息分析、管網(wǎng)合理規(guī)劃設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)對(duì)管網(wǎng)圖籍資料等信息進(jìn)行科學(xué)有效的管理，為精確判斷管網(wǎng)中出現(xiàn)的災(zāi)情及損壞提供準(zhǔn)確信息和決策支持，解決我國長期以來市政管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行安全保證率和信息化管理程度低等存在的諸多問題?；贕PRS城市市政管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改變了設(shè)備落后、功能單一、監(jiān)測(cè)方法不完善的現(xiàn)狀，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，提升了系統(tǒng)的安全性，加強(qiáng)了系統(tǒng)的信息化管理程度，并能夠?qū)?zāi)害防患于未然。

1 GPRS技術(shù)
    GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service)的簡(jiǎn)稱，是在原有的基于電路交換方式的GSM網(wǎng)絡(luò)上增加了SGSN和GGSN等功能實(shí)體，為GSM用戶提供分組交換的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS充分利用了原有GSM網(wǎng)絡(luò)的資源，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)，提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
1．1 GPRS技術(shù)的主要特點(diǎn)
    1)GPRS采用分組交換技術(shù)，高效傳輸高速或低速數(shù)據(jù)和信令，優(yōu)化了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和無線資源的利用。2)支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸，可提供9．05～17l．2kbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率。3)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接，并且時(shí)時(shí)在線，用戶始終處于連線或在線狀態(tài)。4)GPRS支持TCP、UDP等通信協(xié)議，可以和IP網(wǎng)、X．25網(wǎng)互聯(lián)互通。5)GPRS的設(shè)計(jì)使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。6)GPRS可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)流量的有效采集，并基于數(shù)據(jù)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)監(jiān)測(cè)。
    管網(wǎng)終端需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并要快速、高效的傳送給監(jiān)控中心，如果傳輸延遲監(jiān)控中心就不能高效利用采集到的數(shù)據(jù)對(duì)換熱站進(jìn)行監(jiān)控，所以要求傳輸網(wǎng)絡(luò)必須快速。GPRS通信技術(shù)剛好適合這種傳輸要求，能為管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集提供一種高性價(jià)比的通信手段。
1．2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成部分
    GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為三個(gè)部分：監(jiān)控終端設(shè)備、GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控中心主站。
    1)監(jiān)控終端設(shè)備。主要完成數(shù)字量與模擬量的采集。監(jiān)測(cè)點(diǎn)DTU采用固定IP地址的SIM卡。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址主動(dòng)訪問中心GPRS DTU服務(wù)器，和監(jiān)控中心建立TCP／IP鏈路。監(jiān)控中心服務(wù)器建立PPP(Point to Point Protocol)撥號(hào)，進(jìn)入GPRS APN內(nèi)網(wǎng)，獲取固定IP地址。當(dāng)主站要向某個(gè)監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，它會(huì)根據(jù)IP地址和ID號(hào)來找到對(duì)應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個(gè)應(yīng)答式的通信流程。
    2)GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端。GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心主站與監(jiān)控終端的通信?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊以RS232接口方式輸出，直接與DTU的RS232接口鏈接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成信息的上傳與下發(fā)。
    3)監(jiān)控中心主站。主要完成人機(jī)交互工作。中心服務(wù)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路建立和數(shù)據(jù)收發(fā)的透明中轉(zhuǎn)，系統(tǒng)最里面層為操作系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件；第二層為系統(tǒng)支持軟件層，主要是數(shù)據(jù)采集和傳輸，就是將各種數(shù)據(jù)從不同的終端根據(jù)各種通信協(xié)議采集過來，再通過網(wǎng)絡(luò)分發(fā)給需要這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)；第三層為基礎(chǔ)應(yīng)用層，將采集過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種處理，通過GUI(Graphieal User Interface)界面顯示給監(jiān)控人員；第四層為高級(jí)應(yīng)用層，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)供管網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)一步管理和決策用。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    基于GPRS的管網(wǎng)數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)主要有監(jiān)控主機(jī)、GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元(GPRS DTU)組成。宏觀上看，系統(tǒng)分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩個(gè)部分。
2．1 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)
    硬件平臺(tái)分為監(jiān)測(cè)中心和檢測(cè)終端兩個(gè)部分。檢測(cè)終端采集傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打成IP包，通過GPRS模塊的SM卡接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到外部Internet網(wǎng)絡(luò)，再通過GPRS服務(wù)器，將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，由監(jiān)測(cè)中心的PC機(jī)接收和處理數(shù)據(jù)。管網(wǎng)硬件數(shù)據(jù)測(cè)控系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示：

    監(jiān)測(cè)終端設(shè)備采用基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過RS232接入GPRS通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)經(jīng)過UDP／IP、PPP協(xié)議封裝后發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
2．2 軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)
    軟件平臺(tái)分為終端軟件和監(jiān)測(cè)中心軟件兩個(gè)部分。
    終端軟件負(fù)責(zé)監(jiān)視終端硬件的運(yùn)行狀態(tài)和上傳數(shù)據(jù)。終端軟件的主要任務(wù)是定時(shí)讀取采集數(shù)據(jù)、通過GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)、接收和執(zhí)行來自遠(yuǎn)端PC的命令。其中的讀取采集數(shù)據(jù)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不是很高，把它用分時(shí)操作來實(shí)現(xiàn)，而其他的兩個(gè)任務(wù)則通過用戶進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)。
監(jiān)測(cè)中心軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、儲(chǔ)存、查詢和呈現(xiàn)等功能。監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮睦砟睿K化的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)需求將各種不同的功能封裝成相互獨(dú)立的幾大功能模塊，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、管網(wǎng)信息查詢、報(bào)警處理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。
    系統(tǒng)充分利用計(jì)算機(jī)、虛擬儀器、單片機(jī)、以及GIS等先進(jìn)技術(shù)，并建立相應(yīng)的GIS空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，將運(yùn)行控制、計(jì)費(fèi)管理、管網(wǎng)維修、用戶管理等城市市政管網(wǎng)管理有機(jī)整合，從而實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)管理與運(yùn)行控制一體化。
2．3 監(jiān)控系統(tǒng)的工作過程
    1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)；2)響應(yīng)GPRS通訊終端的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，將采集處理后的數(shù)據(jù)上傳給通訊終端。通訊終端將數(shù)據(jù)打成IP包，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)Internet發(fā)送至調(diào)度中心；3)調(diào)度中心軟件將IP包解包，還原數(shù)據(jù)，并根據(jù)管網(wǎng)總體運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
3．1 現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集
    現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過A／D轉(zhuǎn)換模塊傳送至單片機(jī)，并經(jīng)過MAX232處理傳輸給無線通信模塊，以RS232接口的模式與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

3．2 數(shù)據(jù)中心
    1)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器申請(qǐng)配置固定IP地址，采用移動(dòng)通信公司提供的DDN專線，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求。
    2)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后，傳送到數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)主機(jī)，通過系統(tǒng)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原顯示，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
    3)數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)主機(jī)可進(jìn)行業(yè)務(wù)管理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、計(jì)算、存儲(chǔ)、分析、管理等，可對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)對(duì)管網(wǎng)的使用情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。
3．3 GPRS／GSM移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
    現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的數(shù)據(jù)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時(shí)對(duì)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GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終傳送到數(shù)據(jù)中心IP地址。由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)主機(jī)配置固定的IP地址，各現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采用GPRS模塊和該主機(jī)進(jìn)行通信。
    通過GPRS無線通信，可以建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)設(shè)備和本地?cái)?shù)據(jù)設(shè)備兩兩之間的串口通信連接，將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)設(shè)備通過GPRS DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)至連接在指定串口上的本地?cái)?shù)據(jù)設(shè)備；或?qū)⑦B接在指定串口上的本地?cái)?shù)據(jù)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過GPRS RTU轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)設(shè)備。
    GPRS無線數(shù)據(jù)服務(wù)程序功能為：建立DTU與串口之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；接收DTU發(fā)送的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的串口上；接收指定串口的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的DTU上；對(duì)DTU、串口及數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行管理和監(jiān)控。

4 結(jié)束語
    基于GPRS的城市市政管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)可靠性高、實(shí)時(shí)在線、時(shí)延小、能夠同時(shí)實(shí)時(shí)收取和處理多個(gè)／所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)的特性，很好的滿足了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時(shí)性的要求，在建設(shè)成本和維護(hù)成本上都有很大的優(yōu)勢(shì)，可以提高工作效率和管理水平，保證管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善，并融合虛擬儀器以及GIS等先進(jìn)技術(shù)，建立完善的GIS空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對(duì)于提升我國城市市政管網(wǎng)的管理水平，加快城市市政管網(wǎng)信息化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管理的建設(shè)步伐，實(shí)現(xiàn)城市管網(wǎng)管理與運(yùn)行控制一體化有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。