GPRS技术在管网压力监测系统中的应用

基金项目：河南省自然科学基金资助项目(0511010800)作者简介:吴杰（1970－）男,合肥供水集团技术处，硕士，工程师，研究方向：计算机智能系统。冯冬青(1958－)男，郑州大学电气工程学院，教授，研究方向：计算机智能控制系统。GPRS技术在管网压力监测系统中的应用吴杰1,冯冬青2（1合肥供水集团，合肥，230011;2郑州大学电气工程学院，郑州，450002）摘要：为了实现大中城市的稳定供水，本文研究利用GPRS技术组建管网压力监测系统。该系统由GPRS测控设备与传感器组成，不需要设置二次仪表便能够直接完成数据采样、处理以及无线发送功能，可大大降低系统成本，达到了高效、节约的目的。实际应用表明该系统传输数据稳定、迅速、可靠，为管网压力监测系统提供了一种更好的选择方案。关键词：EP300P;二次仪表;GPRS;管网;压力监测系统ApplicationofGPRSinpipe-networkpressuremonitoringsystemWUJie1,FENGDongqing2（1Hefeiwatersupplycompany,Hefei,China,230011;2CollegeofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,China,450002）【Abstract】Torealizetheaimofstablecitywatersupply,thepressuremonitoringsystemofpipenetworkbasedonGPRSisdevelopedinthispaper.ThesystemconsistsofGPRSmeasurement-controlequipmentandsensors,anditcanfinishdatasampling,datatreatmentandwirelessdatatransmittingdirectlywithoutthehelpofsecondaryinstrument,sothesystemcanreducetheproductioncostgreatlyandattainthegoalofhighefficiencyandthrift.Practicalapplicationindicatesthesystemtransmitsdatasteadily,fast,reliably,andoffersabetterchoiceforpipe-networkpressuremonitoringsystem.【Keywords】EP300P;secondaryinstrument;GPRS;pipenetwork;thepressuremonitoringsystem1．绪论目前，城市自来水管网压力监测系统中采用的数据通讯大致可分为有线和无线两大类，其中有线通讯主要包括铺设光纤或电缆，租用运营商专用线路等；而无线则包括微波通讯、扩频通讯、卫星通讯、GSM（GlobalSystemforMobileCommunication）/GPRS（GeneralPacketRadioService）通讯等。在城市管网压力监测系统中，由于各测压点分布范围广，数量多，距离远，个别点还地处偏僻。因此，铺设光纤或电缆难度大，不切合实际；向运营商租用专用线路，需要申请很多专线，运营成本高。总之，监测系统采用有线通讯方式建设周期长，工作难度大，运行费用高，不便于大规模使用[1]；与之相比，无线通讯方式则显得非常灵活，它具有投资少，建设周期短，运行维护简单，性价比高等优点。在监测系统中，无线通讯方式主要包括：微波、扩频、卫星通讯、GSM数字蜂窝通讯系统等。其中，卫星通讯由于费用昂贵，只在一些特殊的场合下使用，未得以普及；而扩频通讯技术虽然速率高，但只能在视距范围内传输，应用也受到限制。采用微波数传电台作为传输信道具有组网灵活、扩展容易、维修方便、运行费用低等优点，曾经在自来水行业得到较为广泛的应用，但由于该系统多采用普通间接调制的数传电台，利用超短波（230MHZ）通讯，因此系统容易受到外界干扰，通信速率低，误码率高，数据传输量不大，信号覆盖范围小。随着城市的人口增多，城市面积急剧扩大，短距离、不稳定的微波通讯越来越不适应城市发展的需要。当前，中国移动主推的GPRS通讯方式具有高速、可靠、覆盖范围广、运营费用低、维护费用少的优点，为自来水管网压力监测提供了非常好的解决方案。GPRS是通用无线分组业务（GeneralPacketRadioService）的英文简称，是在GSM(全球移动通讯系统)基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。GPRS能更有效地利用无线网络信息资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输速率高，理论峰值达171.2kbps（实际应用中极限值小于115Kbps）。它具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。“实时在线”或叫“永远在线”，即用户随时与网络保持联系。“按量计费”：用户可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上，也是不收费的。“快捷登录”：GPRS通讯设备一开机就能够附着到GPRS网络上，即已经与GPRS网络建立联系，附着的时间一般是3秒左右；使用GPRS数据业务时，需要激活过程，一般是1秒左右，激活之后就完全接入互联网了。“高速传输”：GPRS数据传输速度可以达到115Kbps.。“自如切换”：GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等。总之，GPRS在自来水行业应用中，具有无可比拟的性价比优势。其中，将GPRS技术应用于自来水管网压力监测，国内外在这方面的研究很多，成功案例不少。在测压点现场，比较常用的监控方案大致有两种：（1）工控机+采集卡+压力传感器+调制解调器+GPRS模块；（2）可编程调节器+压力传感器+调制解调器+GPRS模块[2]。这两种方案有个共同的缺陷：成本太高。实际上，按照上述两种方案，在每一个测压点，价格不菲的工控机或可编程调节器只能起到采样和发送一个压力信号的作用，这是由于城市管网测压点比较分散，一个地方只需一个测压点就够了。一台工控机或者一台可编程调节器只能为一个测压点服务。一个中小型城市通常有三、四十个测压点，按照上述方案，就需要三、四十台工控机或可编程调节器，很显然是非常的浪费。针对上述问题，本文从降低成本的角度出发，考虑在压力监测系统中，不采用诸如工控机、可编程调节器这类二次仪表，让GPRS无线测控模块直接与传感器相连，在GPRS无线测控模块中，采样、处理、发送压力信号，从而大大降低了生产成本。2．技术要求根据自来水管网压力监测系统的特点，对系统设计提出如下技术要求：（1）GPRS无线测控模块要求集A/D转换、输入/输出控制和GPRS无线通讯为一体，能够实现远程模拟量、开关量采集控制。（2）开机自动拨号，掉线自动重拨。（3）支持定时发送方式和查询－应答方式。（4）能对数据流量实现智能控制，日常运营费用低。（5）超低功耗，待机时不大于0.12W。（6）适合长期连续工作，抗干扰能力强。（7）要求在如下环境中能正常工作：工作温度：-20℃～+55℃工作湿度：95﹪以下3．系统设计3.1GPRS无线数据传输系统的设计原理应用GPRS数据传输网络进行现场数据的监测时，首先，需要在工业现场利用各种仪器仪表进行信号采集[3]。其次，通过标准RS232/485串口、模拟量以及脉冲量接口将这些采集到的信号从各种仪器仪表传输到GPRS测控设备，稍加处理后，以定时（时间间隔由上位机设定）方式上报。这里需要说明一下，数据采集点进行数据传输一般有两种方式：一种方式是通过工控计算机或者可编程调节器对采集的数据进行处理、整合后，以文件或数据流形式传输；另一种方式则无工控机或可编程调节器，是采集设备将实时采集的数据流直接传输。同时，两种方式下的数据传输可能均需双向通道，上行通道传输专业数据、报警信息等，下行通道传输指令数据，以控制专业采集设备的启停、远程配置等。从降低生产成本的角度考虑，本系统采用的是第二种数据传输方式。最后，GPRS传输模式将处理过的数据通过移动通讯分组网络（GPRS网络）传递给数据管理服务器[4]，数据管理服务器可通过DDN专线、ADSL、ISDN连接等形式连接到企业内部网络上，在控制中心的服务器上建立一个中央数据库，对收到的数据进行整理存储，产生相应的报表和指示，并可以在其上开发分析决策模块，判断要监控对象的工作状态（如是否正常工作，有何异常情况），并对该情况作出相应指令，传回数据终端执行，或通过短信发送给管理和维护人员，从而实现对现场设备运行状态的实时监控，实现了数据在人员、控制中心和设备间的互通互传，使技术人员和管理人员无论在任何地方都可以得到每个监控点的数据，并可进行及时响应。需要说明的是，从实时性、安全性、稳定性以及运营成本的角度考虑，本系统GPRS网络接入方案采用的是VPN虚拟专用网及固定IP方式。也就是说，监控中心通过GPRSMODEM拨号接入虚拟专用网，接入后获得的IP地址不随地点或时间的改变而改变，而监测点终端也接入虚拟专用网，通过UDP、TCP等数据传输协议实现与网络上其它计算机的数据通讯。在此种方式下，监控中心、监测点终端都可主动发起连接，稳定性、安全性较高，中心接入成本低，日常运营费用低，是在资金允许情况下的较佳组网方式。整个传输系统底层协议采用IP协议，在应用层加载专用协议，采用多种加密算法保护，维护链路及数据的安全性、可靠性，到达数据可保证100％准确无误。3.2.EP300P介绍遵照上述原理，我们选用上海毅加智能公司生产的型号为EP300P的GPRS无线测控设备来组建管网监测系统。EP300PGPRS无线测控设备集A/D转换、I/O控制和GPRS通讯为一体，其内部结构如图1所示。图1EP300P内部结构图图2EP300P模拟信号4～20mA电流输入接口电路图通过串口232，EP300P可以与终端设备直接进行数据交换，既可以将从终端设备获得的数据通过通讯模块发送给监控中心；也可以将从监控中心接收到的数据送回终端设备。另外，通过串口232，上位机还可以对EP300P进行参数设置和调试。EP300P可以接模拟信号，也可以接数字信号。数字信号的输入／输出可以直接与其相连接。而对于传感器或变送器送来的模拟信号，用户只需设计简单接口电路，就可以通过Internet实现远程的测量、控制和传输。考虑到监控系统所选用的压力传感器的输入信号为模拟信号4～20mA,而EP300P的A/D（模数转换）采样的输入电压为0～2.5伏，因此有必要进行电流和电压的转换，设计如图2所示的接口电路：由125Ω电阻将电流转换为电压,4mA对应500mV,20mA对应2500mV;10KΩ电阻和0.22uF电容构成抗干扰电路,3V稳压管起保护作用。在使用EP300P无线测控设备之前，必须通过上位机对其进行参数设置，否则不能正常工作。3.3.EP300P参数设置将EP300P通过RS232串口与一台计算机相连，从上海毅加智能网站下载ParaSetter3.0参数设置软件，在该串接计算机上打开软件，设置好计算机串口参数，就可以调整EP300P参数了。考虑到中国移动开通的GPRS服务主要提供移动上网服务，基本上都是动态IP接入方式，服务器端如果采用GPRS接入方式，每次接入所获得的IP地址是动态IP，导致系统无法稳定运行，给系统组网带来困难。毅加智能公司根据客户要求，与移动公司合作，推出GPRS虚拟专用网方案，使用中国移动提供的专用SIM卡和毅加智能公司的GPRS设备，各接入点IP地址都是固定的，用户可以方便地组建一套安全稳定的测控系统。使用虚拟专用网的优点，主要有：(1)各接入点IP地址固定。每张专用SIM卡都绑定了一个固定的IP地址，GPRS拨号接入后，获得的IP地址不随地点和时间改变而改变。(2)极大提高网络安全性和保密性。普通GPRS接入使用公共A