基于GPRS技术的城市管网监测系统的研究

摘要：针对目前城市市政管网控系统存在的设备落后、功能单一、监测方法不完善的状况，根据管网系统的特点和功能，基于GPRS的城市管网监测管理系统的设计思想，建立一种基于GPRS技术的监测系统，介绍了GPRS技术在管网中的开发和应用。通过GPRS模块，将监测数据实时发送至监控中心，实现了现场仪表数据和数据中心系统的实时在线连接，达到了有效监控的目的。
关键词：GPRS；监测；数据传输

0 引言
    城市市政管网系统承担着供水、供电、供燃气、供热、排水等任务，维持和保障城市生产和生活的正常运行。然而，许多城市市政管线存在着管线不配套、不规范、运行可靠性和安全性差、运行费用高等诸多问题，城市管网的监测和维护等工作还处于定期或定点人工巡视和现场检查的阶段，缺乏有效监控、预警以及科学的监测和维护。
    因此，开发针对城市市政管网的监测系统，实现对管网运行状态的实时监控，并在此基础上实施动态监测分析，为管网突发事件处理、灾害预警综合防御、相关信息分析、管网合理规划设计提供依据；同时对管网图籍资料等信息进行科学有效的管理，为精确判断管网中出现的灾情及损坏提供准确信息和决策支持，解决我国长期以来市政管网系统运行安全保证率和信息化管理程度低等存在的诸多问题。基于GPRS城市市政管网监测系统改变了设备落后、功能单一、监测方法不完善的现状，将监测系统与预警系统联动，提升了系统的安全性，加强了系统的信息化管理程度，并能够对灾害防患于未然。

1 GPRS技术
    GPRS是通用分组无线业务(general packet radio service)的简称，是在原有的基于电路交换方式的GSM网络上增加了SGSN和GGSN等功能实体，为GSM用户提供分组交换的数据业务。GPRS充分利用了原有GSM网络的资源，允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。
1．1 GPRS技术的主要特点
    1)GPRS采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用。2)支持中、高速率数据传输，可提供9．05～17l．2kbit／s的数据传输速率。3)GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接，并且时时在线，用户始终处于连线或在线状态。4)GPRS支持TCP、UDP等通信协议，可以和IP网、X．25网互联互通。5)GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。6)GPRS可以实现数据的实时传输，数据流量的有效采集，并基于数据信息实现对管网监测。
    管网终端需要对现场数据进行实时采集并要快速、高效的传送给监控中心，如果传输延迟监控中心就不能高效利用采集到的数据对换热站进行监控，所以要求传输网络必须快速。GPRS通信技术刚好适合这种传输要求，能为管网监测系统数据采集提供一种高性价比的通信手段。
1．2 GPRS无线数据传输系统组成部分
    GPRS无线数据传输系统分为三个部分：监控终端设备、GPRS数据传输终端、监控中心主站。
    1)监控终端设备。主要完成数字量与模拟量的采集。监测点DTU采用固定IP地址的SIM卡。GPRS数据传输终端上电后，它会根据预先设定在其内部的IP地址主动访问中心GPRS DTU服务器，和监控中心建立TCP／IP链路。监控中心服务器建立PPP(Point to Point Protocol)拨号，进入GPRS APN内网，获取固定IP地址。当主站要向某个监控终端提出数据请求时，它会根据IP地址和ID号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过GRPS数据传输终端把数据发到网络代理服务器端口，通过端口影射转发到监控中心主站，即完成了一个应答式的通信流程。
    2)GPRS数据传输终端。GPRS数据传输终端实现监控中心主站与监控终端的通信。现场数据通过数据采集模块以RS232接口方式输出，直接与DTU的RS232接口链接，进行数据传输，完成信息的上传与下发。
    3)监控中心主站。主要完成人机交互工作。中心服务器主要负责网络数据链路建立和数据收发的透明中转，系统最里面层为操作系统及系统软件；第二层为系统支持软件层，主要是数据采集和传输，就是将各种数据从不同的终端根据各种通信协议采集过来，再通过网络分发给需要这些数据的系统；第三层为基础应用层，将采集过来的数据经过各种处理，通过GUI(Graphieal User Interface)界面显示给监控人员；第四层为高级应用层，所产生的数据供管网调度系统进一步管理和决策用。

2 系统的硬件结构
    基于GPRS的管网数据测控系统主要有监控主机、GSM／GPRS网络以及GPRS数据传输单元(GPRS DTU)组成。宏观上看，系统分为硬件平台和软件平台两个部分。
2．1 硬件平台结构
    硬件平台分为监测中心和检测终端两个部分。检测终端采集传感器数据，然后将数据打成IP包，通过GPRS模块的SM卡接入GPRS网络，发送到外部Internet网络，再通过GPRS服务器，将数据发送到监测中心，由监测中心的PC机接收和处理数据。管网硬件数据测控系统硬件组成图如图1所示：

    监测终端设备采用基于单片机的数据采集系统，传感器采集的数据经过处理后通过RS232接入GPRS通信模块，从而实现GPRS网络通信。数据终端将数据经过UDP／IP、PPP协议封装后发送至GPRS网络，通过GPRS数据网络将数据传输到监控中心。
2．2 软件平台结构
    软件平台分为终端软件和监测中心软件两个部分。
    终端软件负责监视终端硬件的运行状态和上传数据。终端软件的主要任务是定时读取采集数据、通过GPRS发送数据、接收和执行来自远端PC的命令。其中的读取采集数据任务对实时性要求并不是很高，把它用分时操作来实现，而其他的两个任务则通过用户进程来实现。
监测中心软件主要负责数据的接收、储存、查询和呈现等功能。监控中心软件系统采用面向对象的理念，模块化的设计方法，根据需求将各种不同的功能封装成相互独立的几大功能模块，如实时数据显示、管网信息查询、报警处理、统计报表等。
    系统充分利用计算机、虚拟仪器、单片机、以及GIS等先进技术，并建立相应的GIS空间数据库管理系统，将运行控制、计费管理、管网维修、用户管理等城市市政管网管理有机整合，从而实现城市管网管理与运行控制一体化。
2．3 监控系统的工作过程
    1)现场测控设备实时采集管网运行数据，对数据进行处理、分析，根据分析结果对现场设备的运行状态进行调节；2)响应GPRS通讯终端的数据发送请求，将采集处理后的数据上传给通讯终端。通讯终端将数据打成IP包，通过GPRS网络，经Internet发送至调度中心；3)调度中心软件将IP包解包，还原数据，并根据管网总体运行情况实现远程监控。

3 现场数据和无线数据传输系统
3．1 现场仪表数据采集
    现场数据通过A／D转换模块传送至单片机，并经过MAX232处理传输给无线通信模块，以RS232接口的模式与GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS网络传送至数据中心，实现现场采集数据和数据中心系统的实时在线连接。现场数据采集与无线数据传输系统的结构如图2所示：

3．2 数据中心
    1)数据中心服务器申请配置固定IP地址，采用移动通信公司提供的DDN专线，与GPRS网络相连。由于DDN专线可提供较高的带宽，当现场仪表数据采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。
    2)数据中心服务器接受到GPRS网络传来的数据后，传送到数据中心计算机主机，通过系统软件对数据进行还原显示，并进行数据处理。
    3)数据中心计算机主机可进行业务管理，对现场仪表数据进行校验、计算、存储、分析、管理等，可对异常情况进行报警，同时对管网的使用情况实时监控。
3．3 GPRS／GSM移动数据传输网络
    现场仪表采集的数据经GSM网络空中接口功能模块同时对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过GPRS无线数据网络进行传输，最终传送到数据中心IP地址。由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络，数据中心计算机主机配置固定的IP地址，各现场仪表数据采集点采用GPRS模块和该主机进行通信。
    通过GPRS无线通信，可以建立远程数据设备和本地数据设备两两之间的串口通信连接，将远程数据设备通过GPRS DTU发送的数据，转发至连接在指定串口上的本地数据设备；或将连接在指定串口上的本地数据设备发送的数据，通过GPRS RTU转发至远程数据设备。
    GPRS无线数据服务程序功能为：建立DTU与串口之间的一一对应关系；接收DTU发送的数据，将其转发至对应的串口上；接收指定串口的数据，将其转发至对应的DTU上；对DTU、串口及数据传输进行管理和监控。

4 结束语
    基于GPRS的城市市政管网的监测系统，充分利用了GPRS网络传输数据可靠性高、实时在线、时延小、能够同时实时收取和处理多个／所有监测点的各种数据的特性，很好的满足了系统对数据采集和传输实时性的要求，在建设成本和维护成本上都有很大的优势，可以提高工作效率和管理水平，保证管网的安全稳定运行。随着GPRS网络的进一步完善，并融合虚拟仪器以及GIS等先进技术，建立完善的GIS空间数据库管理系统，对于提升我国城市市政管网的管理水平，加快城市市政管网信息化系统动态管理的建设步伐，实现城市管网管理与运行控制一体化有着重大的现实意义和广泛的实用价值。