基于GPRS的通信技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表中的應(yīng)用

◆徐 麗徐天奇楊應(yīng)喻潘基書李 琰

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 云南 650500; 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 云南 650000）

基于GPRS的通信技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表中的應(yīng)用

◆徐 麗1徐天奇1楊應(yīng)喻1潘基書2李 琰1

（1.云南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 云南 650500; 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 云南 650000）

GPRS 移動通信技術(shù)是一種基于GSM的無線高速數(shù)據(jù)處理分組交換技術(shù)。遠(yuǎn)程抄表簡言之就是用于小區(qū)的無線水，電，氣表智能采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)統(tǒng)計(jì)，時(shí)段電量控制。本文就基于GPRS 的通信技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表中的應(yīng)用，針對其在電力系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程抄表技術(shù)作了介紹,分別論述了GPRS系統(tǒng)簡介,GPRS 系統(tǒng)特點(diǎn),GPRS 協(xié)議,重點(diǎn)介紹了基于GPRS 技術(shù)的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

GPRS技術(shù); 遠(yuǎn)程抄表; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前言

近年來，隨著電力自動化技術(shù)的發(fā)展，抄表技術(shù)在電力系統(tǒng)中尤為重要，電能以其易傳輸、分配、使用等優(yōu)點(diǎn)，成為全世界最重要的能源消費(fèi)形式，供電公司需合理、有效地提高工作效率。沒有遠(yuǎn)程抄表技術(shù)之前，住戶抄表實(shí)施的是人工抄表，這樣不僅耗時(shí)、耗力，而且工作效率低，有可能讓抄表人員因?yàn)殚L時(shí)間工作而抄表有誤，最后產(chǎn)生不必要的麻煩。抄表結(jié)束后，工作人員還得做統(tǒng)一整理，使統(tǒng)計(jì)工作效率變得十分低效。所以此時(shí)便產(chǎn)生了基于GPRS通信技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表中的應(yīng)用技術(shù)[1]。

眾所周知，GSM是一個覆蓋全國乃至全全球的商業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可靠，覆蓋范圍廣，無通訊盲點(diǎn)。但也存在不足之處，為解決這個問題，就拓展開發(fā)了基于GPRS通訊的電力抄表系統(tǒng)。其原理是利用分組交換功能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)流量[2]。

GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接，在GPRS業(yè)務(wù)平臺上構(gòu)建電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電表數(shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸，具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，降低了建設(shè)成本，減少了人力資源，安裝方便快捷，維修簡單等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 GPRS系統(tǒng)簡介

1.1 GPRS技術(shù)概括

GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的，廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)。GPRS作為第二代移動通信技術(shù)，GSM是第三代移動公司早在1993年提出的。GPRS網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)核心是在GSM網(wǎng)絡(luò)中傳送分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面，即實(shí)現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡(luò)資源的最佳組合，實(shí)現(xiàn)了IP協(xié)議的透明傳送。與原有的GSM比較，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢。GPRS采用與GSM同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結(jié)構(gòu)、同樣的調(diào)頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結(jié)構(gòu)。

GPRS提供端到端的廣域的無線IP連接，采用信道捆綁和增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率改進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高速接入，使無線資源得到充分利用，能夠使用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[4][5]。

1.2 GPRS系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）采用分組交換技術(shù)

所謂分組交換技術(shù)就是GPRS信息在傳輸前被分成既是分離又是相關(guān)的“數(shù)據(jù)包”，并在接收端重新組合。因此GPRS特別適合于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶然的大數(shù)據(jù)傳輸[6]。

（2）使用范圍廣

只要有GPRS信號的地方就可以使用，特別適合于野外，郊區(qū)等偏遠(yuǎn)的地方的測量儀表的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

（3）數(shù)據(jù)傳輸速率高

GPRS由于采用了經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)分組交換技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸占用GSM的8個時(shí)隙，數(shù)據(jù)封裝在分割分組后上網(wǎng)發(fā)送，發(fā)送后不需要此容量時(shí)就立即釋放，提供了及時(shí)連接和高速接入。

（4）瞬間上網(wǎng)，永遠(yuǎn)在線

GPRS用戶一開機(jī)，就始終是附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，每次上網(wǎng)，只需要一個激活的過程，僅需要短暫的幾秒鐘就能上網(wǎng)。通訊網(wǎng)絡(luò)的建立過程十分迅速，由于GPRS使用了數(shù)據(jù)分組技術(shù)，用戶上網(wǎng)就可以避免斷網(wǎng)的情況，由此保證GPRS永遠(yuǎn)在線。

（5）數(shù)據(jù)吞吐量大

GPRS采用了與GSM不同的信道編碼方案，定義了CS-1、CS-2、CS-3、CS-4四種編碼方案，支持中、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，可提供9.05—172.2Kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。GPRS所提供的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于所采用哪種編碼方式。

（6）性價(jià)比高

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，節(jié)約了布線所需線路，人工維修，電話資源，節(jié)省了資源; 與無線局域網(wǎng)相比，自然也省去了架設(shè)天線等設(shè)施的投資。

（7）按量計(jì)費(fèi)

GPRS技術(shù)是一種面向非連接的技術(shù)，用戶雖然可以總掛在網(wǎng)上，但是按實(shí)際流量來計(jì)費(fèi)的。這種計(jì)費(fèi)方式尤其適合于電表抄表這種間斷性數(shù)據(jù)傳輸，可以大大降低通信費(fèi)用[7]。

1.3 GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議

1.3.1 GPRS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

GPRS在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上疊加了一個新的網(wǎng)絡(luò)，通過增加一些硬件設(shè)備并對原有網(wǎng)絡(luò)升級，形成了一個新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體，提供端到端、廣域的無線IP連接。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從網(wǎng)絡(luò)側(cè)看，新增SGSN（服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)）這兩種網(wǎng)絡(luò)實(shí)體以及Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gf、Gd、Gs、Gc等接口而形成的移動分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。因此，GPRS的基本功能是在移動終端與計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的路由器之間提供的分組傳遞業(yè)務(wù)。GGSN在GPRS網(wǎng)絡(luò)和公用數(shù)據(jù)網(wǎng)之間起關(guān)口站的作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN和LAN等。SGSN紀(jì)錄移動臺當(dāng)前位置信息，并在移動臺和各種數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，為服務(wù)區(qū)所有用戶提供雙向的分組路由。

圖1 GPRS網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)圖

GPRS移動臺與GSM基站通信，如圖2所示，與電路交換或數(shù)據(jù)呼叫不同，GPRS分組是從基站發(fā)送到SGSN節(jié)點(diǎn)。SGSN與GGSN進(jìn)行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再發(fā)送到目的網(wǎng)絡(luò)，如Internet或X.25網(wǎng)絡(luò)，來自Internet、標(biāo)識有移動臺的IP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到移動臺上。

圖2 基站與移動臺之間的通信

1.3.2 GPRS的協(xié)議

GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺由一個分層協(xié)議結(jié)構(gòu)組成，它可以提供用戶信息的傳送以及與此相關(guān)的信息傳輸中的過程，比如：流量控制、檢錯、糾錯、及錯誤恢復(fù)等。傳輸平臺通過底層無線接口和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)平臺連接，這種獨(dú)立性是通過保留Gb接口來實(shí)現(xiàn)的。在GPRS中使用傳輸平臺。數(shù)據(jù)包從TE傳到MS要經(jīng)過四個接口：Gi，Gn，Gb，Um。

（1）Gi接口：外網(wǎng)與GGSN之間的接口。

（2）Gn接口：GGSN與SGSN之間的接口。

（3）Gb接口：SGSN和BSS之間的接口。

（4）Um接口：BSS和MS之間的接口。

2 基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程自動抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 基于GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成

基于GPRS的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成如圖3所示，系統(tǒng)由電量檢測部分，GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分和監(jiān)控中心三部分組成[8][9]。

2.2 遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)工作原理（1）電量檢測部分

電量檢測部分由電表、采集卡、轉(zhuǎn)發(fā)器和微功率無線傳輸模塊組成。其中采集卡和轉(zhuǎn)發(fā)器均采用單片機(jī)AT89C52及其外圍電路實(shí)現(xiàn)，采集卡負(fù)責(zé)讀取電表的數(shù)據(jù)，由采集卡中的微處理器收集電能的計(jì)數(shù)脈沖，并進(jìn)行計(jì)算和處理得到用電量。采集器和轉(zhuǎn)發(fā)器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種，485總線方式和載波抄表方式。本系統(tǒng)采用485總線方式，每個采集卡最多可以連接八個電表，轉(zhuǎn)發(fā)器相當(dāng)于一臺路由器，負(fù)責(zé)形成自組織網(wǎng)絡(luò)。每臺轉(zhuǎn)發(fā)器都帶有一個廉價(jià)的無線發(fā)射模塊，通過收集周圍鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)器自動來形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)，在每個自組織網(wǎng)絡(luò)中只有一個GPRS模塊，連接在一臺轉(zhuǎn)發(fā)器上，通過它與GPRS通信網(wǎng)連接，把數(shù)據(jù)傳送給檢測中心[10][11]。

（2）GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分

GPRS支持外部網(wǎng)絡(luò)與移動臺之間的透明傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，在移動臺SGSN，GGSN中把數(shù)據(jù)包封裝起來，根據(jù)移動臺，SGSN，GGSN中的PDP（分組數(shù)據(jù)協(xié)議）Context選擇路由傳輸數(shù)據(jù)包，GPRS骨干網(wǎng)利用GPRS隧道協(xié)議GTP對TP或X.25分組進(jìn)行封裝，然后將GTP協(xié)議數(shù)據(jù)單元插入TCP PDU或UDP PDU 中，而TCP PDU或UDP PDU又是封裝在IP PDU中進(jìn)行傳輸。在IP和GTP PDU頭部分別包含地址的隧道端點(diǎn)標(biāo)識符（TD），用他們來唯一確定地址和PDP Context，從而正確地將數(shù)據(jù)包傳輸給目的地[12]。

圖3 GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)組成

（3）監(jiān)控中心管理部分及管理軟件

監(jiān)控中心管理軟件主要功能是：客戶信息錄入，電費(fèi)清單的查詢，客戶的繳費(fèi)情況，印催費(fèi)清單及核算清單，制作用戶報(bào)表等功能[13]。

監(jiān)控中心管理軟件主要包括四個模塊：管理設(shè)置、客戶管理、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理?！?管理設(shè)置模塊系統(tǒng)操作權(quán)限管理模塊，配兩組權(quán)限，即系統(tǒng)管理員、操作員權(quán)限?！?客戶管理模塊對用電客戶進(jìn)行管理，括客戶信息的添加、修改、刪除、備份等操作?！?數(shù)據(jù)查詢模塊提供完備的數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表方案，邏輯關(guān)系、各種時(shí)間組合等查詢客戶用電信息，有繳費(fèi)信息、欠費(fèi)清單等各種報(bào)表的打印。

（4）數(shù)據(jù)管理模塊列出上月數(shù)據(jù)缺少的用戶列表，保證用戶數(shù)據(jù)的完整性，執(zhí)行數(shù)據(jù)殘缺分析、統(tǒng)計(jì)分析和用電量等級分析等各種數(shù)據(jù)分析處理[14][15]。

2.3 基于GPRS遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

基于GPRS技術(shù)的抄表系統(tǒng)主體上可以分為主站和抄表終端兩大部分。主站由應(yīng)用服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信前置機(jī)三部分組成，相應(yīng)的系統(tǒng)軟件分為終端軟件和系統(tǒng)軟件兩部分。

（1）終端軟件

終端軟件分為：與主站交互，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲，巡檢異常處理，遠(yuǎn)程加載。其中遠(yuǎn)程加載主要負(fù)責(zé)通過GPRS通信，從主站獲得監(jiān)控軟件的更新版本并更新有關(guān)軟件，這樣就避免了現(xiàn)場操作所帶來的人力和物力的消耗[16]。

（2）主站軟件

主站軟件運(yùn)行在PC上，包括相應(yīng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，主要完成從抄表終端匯總數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)命令控制終端運(yùn)行，存儲各抄表終端上傳的數(shù)據(jù)，還可與用電營銷MIS系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電費(fèi)管理、實(shí)際損耗計(jì)算、負(fù)荷監(jiān)管調(diào)控等功能。

3 總結(jié)

社會在發(fā)展，經(jīng)濟(jì)在提升，不言而喻地帶給我們的是技術(shù)的提高，雖說現(xiàn)在正在普及4G，4G時(shí)代的到來，讓我們體驗(yàn)著網(wǎng)絡(luò)的便捷與網(wǎng)絡(luò)的多彩，但是這些都離不開2G的基礎(chǔ)。GPRS作為第二代移動通信技術(shù)GSM向第三代通信技術(shù)過渡的技術(shù)，屬于2.5G的移動通信技術(shù)，并沒有被人們忽視，它在通信領(lǐng)域仍然占有很高的地位。本篇論述主要闡述了該技術(shù)在電力系統(tǒng)中遠(yuǎn)程抄表的應(yīng)用，GPRS技術(shù)總的概括為具有資源利用率高，接入時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然也會存在發(fā)生GPRS包丟失現(xiàn)象，實(shí)際速率比理論值低等缺點(diǎn)，但總的來說，GPRS技術(shù)在電力，水利等領(lǐng)域都有廣泛運(yùn)用。GPRS是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最佳承載方式。使用GPRS移動通信技術(shù)使電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程抄表技術(shù)邁出了新的一步。該技術(shù)實(shí)時(shí)在線，接入快速，傳輸速率高，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性好，具有與其他通訊方式不一樣的特點(diǎn)。該技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，大大解決了抄表費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的難處，而且做到了高效抄表，數(shù)據(jù)傳輸，按量計(jì)費(fèi)的優(yōu)點(diǎn)，對于整個電網(wǎng)公司，其大大降低了系統(tǒng)投資和運(yùn)行成本。對于用戶來說，也變得便捷了許多，而且保證了用戶變壓器的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，提供了供電可靠性和安全性，是一種高效安全的通信技術(shù)。遠(yuǎn)程抄表的通信技術(shù)會朝著智能化、高效化、準(zhǔn)確化、全面化的方向發(fā)展，更大程度地為人們提供方便快捷的服務(wù)。

4 致謝

本文研究工作得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61461055）的資助，謹(jǐn)此致謝！

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