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GPRS网络的电表远程自动抄表系统 |
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摘要：本文提供了一种基于GPRS网络的电表远程自动抄表系统设计原理和实现方案，简要介绍了GPRS技术的基本知识，描述了GPRS无线传输应用于电表远程抄表的实现方法。通过实际应用，获得了理想的效果.
关键词：GPRS；DTU；Internet；电表；
第一部分 系统概述
在电力抄表系统中，很多必须无人值守的设备或监测点，不适合搭建有线通讯网络。若采用光纤或电台的方式实现无线通讯，不仅设备投入耗资巨大，而且不适应移动的需要。
随着新一代移动通讯业务的产生和全面投入，无线移动数据通讯的应用也越来越广泛。安全的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使GPRS通讯在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中的应用具有无可比拟的性价比优势。采用GPRS无线通讯网络的移动IP通讯，既可独立作为数传通道，也可作为已经架设光纤、数传电台等方式的辅助手段。
GPRS电表远程抄表系统由电度表、带GPRS通讯终端的采集器和服务器组成。采集器实时采集用户的用电数据，通过GPRS网络把数据汇集到服务器。具有采集数据快速准确，能快速生成用电统计分析,交费单据等特点，与传统的人工抄表、电话线抄表相比，极大地提高了效率。
本系统提供丰富的接口，可与电业系统的MIS系统链接或进行二次开发。
抄表软件系统数据库为ORACLE数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT的操作系统，易于使用。软件所能管理的用户数量没有限制。
第二部分 系统组成
本系统由带系统软件的主站、厦门灵旗 LQ2883 GPRS RTU 传输终端、采集器及电度表组成。手持终端是本系统的补充，在系统出现意外时进行人工抄表。
一、 数据中心主站
运行集中抄表系统的计算机（服务器或PC机）称为主站，主站通过宽带网络与终端DTU相连。中心提供互联网IP地址及互联网出口（端口）。
中心条件
首先用一台能上网的PC机，条件必须能让外网访问的到，如运行中心软件的PC机在局域网里面，则要在局域网路由器做端口映射到本机PC，等这些条件具备之后在本机运行一个中心DEMO，开放一个端口，运行软件等待DTU的连接。
系统软件
抄表系统的核心部分是系统软件，它遵循DL/T645部标通讯规约，并有扩展性。 抄表软件系统数据库为ORACLE数据库，运行于WIN98/2000/XP、NT的操作系统，易于使用。软件所能管理的用户数量没有限制。
系统的功能与特点有：
(一) 安全可靠：安全性由三方面构成：第一，ORACLE数据库是大型的、多用户的数据库，它的安全性高，允许多用户同时使用同一数据库而不会破坏完整性，用它来做抄表系统的数据引擎可以保证数据的安全；第二，系统对用户实现分级授权管理功能，通过检查使用者的名字和授权密码，赋予使用者相应的操作权，借鉴银行系统的密码管理模式限制无关人员改变数据库和硬件设置。第三，防火墙功能及完善的数据备份功能，防备系统受到人为的恶意攻击，数据备份功能确保在硬件系统故障时，也能随时在新的硬件设备上数据无丢失地启动抄表系统。
(二) 完善的系统日志：系统日志记录了进入系统，离开系统，收费，设置硬件，改变运行参数操作等及操作者，操作时间，凡是改变数据库的操作都被记录下来。
(三) 抄表速度快：抄表快、数据准确，抄表时PC机只读采集器的数据，数据传输采用1200波特率，传输速度快，并对每个数据块都有效验码，保证了传输的准确性。
(四) 广播对时功能：该功能使得系统中的所有电能表的时间基准与PC机保持一致，对时成功后，由电池供电的电能表内部时钟，不再需要PC机的干预。因此，只要保证在对时时刻，PC机的时间是正确的，以后在运行的过程中，改变PC机的时钟并不会影响电能表的时间。
(五) 自动抄表功能：按照设置的抄表开始时间和抄表间隔，到预定的抄表时刻，系统便会依次主动发起去抄采集器或电表内的数据。对于抄不上数据，系统会自动补抄或人工发命令补抄。
(六) 电量冻结功能：可以方便地定义总表，安装和删除总表，给总表分配分表。通过安装适当的总表，结合抄冻结数据功能，就可得某一特定的时刻的总表读数，各分表的读数（由此得到读数和），就可以计算出某部分电路的电能损耗，为确定电费提供依据。
(七) 电费管理功能：收电费前，统一抄录一次电费数据。当确保数据库内的数据反映最近的电表读数后，利用程序中的功能自动计算出当月用电量和电费。交纳电费时，只需输入用户号，当月用电量和电费由程序填写。每笔电费都有详细记录，便于对帐。
(八) 设备管理功能，如告警：开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过载告警、倾斜或移动报警等；控制：对欠费用户进行拉闸等。并提供停电数据保护功能，在停电48--72小时内仍可抄表和监控。本系统结合移动公司的短信平台，在告警时，可根据具体内容发短信给相关的管理人员。
本系统适应范围广泛，单相版的软件可用于小区管理，网络版的软件可用于供电公司实现一座城市或地区的用电管理。
二、 终端设备---采用厦门灵旗通信有限公司LQ2883 GPRS RTU
LQ2883 GPRS RTU 采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台,超大内存,内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。针对网络流量控制的用户，产品支持语音，短信，数据触发上线以及超时自动断线的功能。同时也支持双数据中心备份，以及多数据中心同步接收数据等功能。公司产品已广泛应用于金融，水利，环保，电力，邮政，气象等行业。
产品功能
• 透明数据传输与协议转换；
• 支持虚拟数据专用网APN；
• 可向1～5个中心同时发送数据(固定IP或动态域名地址)；
• 支持点对点、点对多点、多点对多点对等数据传输；
• 短消息数据备用通道；
• 可兼容组态软件；
• 支持多种电力通讯规约；
• 根据用户的特殊需求定制；
• 通过串口进行软件升级；
• 支持图形界面远程配置与维护；
• 自诊断与串口告警输出；
• 全隔离的RS485接口设计，支持1200～115200的通信波特率；
• EMC抗干扰设计，适合电磁恶劣环境应用；
• 适应低温和高温工作环境；
技术参数
◆ 所选模块 工业级模块
◆ 外型尺寸 90x57x22mm(不含接口及天线)
◆ 重量 300g
工作环境
◆ 模块工作温度 -30°C～75°C
◆ 器件工作温度 －40°C～85°C
◆ 湿度范围 0－95%，非冷凝
◆ 储存温度 －40°C～85°C
电源
◆ 电压范围 DC5V～16V
◆ 标准电源 DC5V/1000mA
◆ 功耗 通信时平均电流100mA@+5VDC
空闲时35mA@+5VDC
接口
◆ 天线接口 50Ω/SMA 阴头
◆ 接收灵敏度 -104dbm
◆ SIM卡 3V/5V
◆ 用户数据接口 RS485(工业级3.81mm插座)
◆ 波特率 1200～115200bit/s
RTU在应用之前首先要进行设置，通过光盘配套的参数配置软件设置好数据中心的IP和端口及其它参数的设置，设置好之后串口和采集器串口对接， RTU上电之后根据事先设置好的中心IP和端口进行连接，成功连接到中心软件后即可双向透明传输数据。
根据抄表对象的不同我们设计以下三种抄表模式
1.1 居民用户抄表系统
1、电表：1.0级单相静止式（电子式）电度表，具有光耦脉冲输出功能。
2、采集器：：
（1）24个I/O口，可带24户电度表
（2）停电数据保护
（3）带后备电源，停电后仍可抄表
3、抄表内容：
（1）电量
（2）其他
4、抄表形式：
（1）自动抄表
（2）定时上报
（3）实时查询
5、告警内容：
（1）开箱告警
（2）停电告警
1、可增加远程控制拉闸功能，电能表要增加内置继电器。
2、技术指标：
（1）系统容量：采集器容量：最多接24块电表； 系统容量：原则上不受限制，实际可根据需要和主站电脑的容量确定；
（2）通信距离：采集器与电表：采用双芯多股线，对于机械表，距离≤500m；对于电子式电表，距离≤50m。
主站与采集器：采用GPRS网络作为通信介质，距离不受限制；（3）通信成功率: 主站与采集器之间，采用基于可靠连接的TCP/IP协议，通信成功率为100%。
1.2 大集团用户抄表系统
1、电表：
A）三相有功无功多功能表，有功0.5级、无功2级，具有RS485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约；
B）三相有功复费率表，有功1级，具有RS-485通讯接口，电力部DL/T645通讯规约， 实现电能量（有功、无功）的计量和功率因数、电压、电流、频率等参数的测量；
2、采集器：
（1）带一个与终端通讯的RS485接口，三个用于报警监测的开关量输入口和三个用于远程控制的模拟量输出口；
（2）支持部标通信规约；
（3）停电数据保护；
（4）控制输出（用于远程控制拉闸或其他功能）；
（5）带后备电源，停电后仍可抄表；
3、系统功能
（1）设置电能表的参数，读取各种计量和管理数据；
（2）抄表数据的统计、查询、备份、报表、图表生成；
（3）厂站管理；
（4）自动抄表、定时上报、实时查询等；
（5）掉电数据保存；
（6）瞬时量数据的综合处理；
（7）系统数据备份、存档和向外输出数据；
（8）历史数据事件记录功能；
（9）实时报警；
（10）根据线路上的表计关系计算线路损耗；
（11）可提供多路模拟量、开关量输入，实现开箱告警、停电告警、逆相告警、超温告警、过压告警、过流告警、过载告警、倾斜或移动报警等其他功能；
（12）远程控制断电功能；
（13）采集的参数丰富，如：
◆ 当前、上月、正向有功、反向有功、无功四象限的总及尖、峰、平、谷四费率电量；
◆ 正向、反向、有功、无功的最大需量及最大需量发生时间；
◆ 有功功率、无功功率、三相电压、三相电流、功率因数；
◆ 感想失压累计次数、失压累计时间、集抄器停电起止时间等；
◆ 单位时间负荷曲线、三相电流曲线、三相电压曲线、有功功率曲线、无功功率曲线、功率因数曲线；
4、技术指标：
（1）系统容量：采集器容量：最多接255块电表； 系统容量：原则上不受限制每表一号，实际可根据需要和主站电脑的容量确定；
（2）通信距离：采集器与电表：采用RS485接口及屏蔽双绞线，距离≤500m。主站与采集器：采用无线网络作为通信介质，距离不受限制；
（3）通信成功率: 主站与LQ2883 GPRS RTU之间，采用基于可靠连接的TCP/IP协议，通信成功率为100%；
（4）完全符合IEC1107标准及国电公司DL/T645《多功能电能表通讯规约》；
（5）工作电源：交流220V±20%，50Hz；
（6）通信速率：1200bps～33.6kbps；
（7）采集器功耗：≤1.5W
（8）工作环境条件：温度：-10℃～50℃，相对湿度：≤90%；
（9）耐压强度：2KV；绝缘电阻：2M欧姆；
（10）电表数据抄收率、可靠性和读数准确率达到100%。
1.3 变电站抄表系统
1、电表：三相有功无功多功能表。
2、采集器：
（1）带一个RS485通讯口，三个开关量和三个模拟量；
（2）支持部标通信规约；
（3）停电数据保护；
（4）控制输出；
（5）带后备电源，停电后仍可抄表。
3、抄表内容：
（1）电压、电流；
（2）有功正、反向分时电量；无功四象限分时电量；
（3）有功正、反向分时最大需量及发生时间；
（4）无功正、反向分时最大需量及发生时间；
（5）断相时间、次数及断相期间用电量；
（6）负荷曲线。
4、抄表形式：
（1）自动抄表；
（2）定时上报；
（3）实时查询。
5、告警内容：
（1）开箱告警；
（2）停电告警；
（3）逆相告警；
（4）超温告警；
（5）过压告警；
（6）过流告警；
（7）过载告警；
（8）倾斜或移动报警等其他功能。
6、技术指标：
（1）系统容量：采集器容量：最多接255块电表； 系统容量：原则上不受限制每表一号，实际可根据需要和主站电脑的容量确定；
（2）通信距离：采集器与电表：采用RS-485接口及屏蔽双绞线，距离≤500m。主站与采集器：采用GPRS网络作为通信介质，距离不受限制；
（3）通信成功率: 主站与采集器之间，采用基于可靠连接的TCP/IP协议，通信成功率为100%。
第三部分组网实施
方案一：
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网固定IP服务的。 此种方案先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。 DTU直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。
方案二：
中心采用ADSL等INTELNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。 客户先与DNS服务商联系开通动态域名，DTU先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。
方案三：
中心采用APN专线，所有点都采用内网固定IP 客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。 为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。 用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。 移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。 此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之最佳组网方式。
业务流程
GPRS专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：
1）用户发出GPRS登录请求，请求中包括由移动公司为GPRS专网系统专门分配的专网APN；
2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；
6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对GPRS专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。
第四部分 系统安全
在系统安全方面，本公司除了采用大型、多用户的ORACLE数据库、系统对用户实现分级授权管理和提供防火墙功能及完善的数据备份功能外，对GPRS网络无线数据监控中心还提供了安全技术解决方案，以确保数据安全可靠。
4. 1 IP 过滤技术
由于监控中心服务于GPRS子网用户，所有访问客户的IP必为GPRS子网内的IP ，即所有的用户必须通过VPDN才可能访问该服务器。因此，我们在系统中采用了IP过滤技术，对所有接受的数据包进行过滤，抛弃掉所有的非法IP数据报。这一过程就好像将系统置身于CMNET的防火墙保护之下，所有的非法用户只有先穿过了VPDN的安全防护才有可能访问到本系统，但对于安全措施非常强大的VPDN网络来说，这将是非常的困难。
4. 2 身分授权和密码认证体系
采用IP过滤技术尽管可以防止一些非VPDN网段用户的侵袭，但由于系统处于GPRS子网以外，IP过滤只能起到简单的安全防护，对于那些利用IP伪装技术的非法用户则无法识别。
由于该系统是专业化的服务系统，访问客户是预先确定的，利用这一特点，我们在系统中采用了用户ID和密码验证技术，系统中存储了有所客户端的MAC地址以及密码，对通过了IP过滤的数据包，再验证其ID号和密码。对于该系统以外的非法用户，获取合法的MAC地址和密码将十分困难，所以这一步极大可能地增加了系统的安全性。
图5 数据安全技术解决方案示意图
4. 3 数据安全加密通道
系统采用标准的SSL数据安全通讯协议在客户端和服务器端建立加密数据通道，保证私有数据传输的安全性；系统在应用层植入高可靠性的加密算法，使得数据在任何网络出错时都可以得到保证的高可靠性；采用MD5算法产生“报文摘要”已实现对所有发送报文的数字签名，保证了数据传输过程中的完整性，防止数据被篡改。
4. 4 访问过程跟踪
系统对所有的访问过程进行日志记录，包括用户身份、IP、时间、数字签名、操作事项等信息，向系统管理人员提供了详细、完整、有效的操作证明。
第五部分 方案配置
软件配置：采集服务(灵旗专业抄表软件或组态软件2次开发)
硬件配置：GPRS RTU、电能表(支持接口)
操作系统：WIN2000/2003/XP、NT的操A作系统
服务器配置：根据实际系统需求配备。
网络环境：服务器群组10／100M本地以太网 （建议自组网）
远程异地服务需要接入Internet .
GPRS 网络（建议任何模式下都建立 APN，避免接入公网）
工作站网络，视实际系统需求，可利用原有网络，或者接入服务器群组网；远程工作站需要接入Internet.
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