基于GPRS的通信技術在遠程抄表中的應用

◆徐 麗徐天奇楊應喻潘基書李 琰

（1.云南民族大學電氣信息工程學院 云南 650500; 2.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司 云南 650000）

基于GPRS的通信技術在遠程抄表中的應用

◆徐 麗1徐天奇1楊應喻1潘基書2李 琰1

（1.云南民族大學電氣信息工程學院 云南 650500; 2.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司 云南 650000）

GPRS 移動通信技術是一種基于GSM的無線高速數據處理分組交換技術。遠程抄表簡言之就是用于小區的無線水，電，氣表智能采集系統，實現分時電價統計，時段電量控制。本文就基于GPRS 的通信技術在遠程抄表中的應用，針對其在電力系統中的遠程抄表技術作了介紹,分別論述了GPRS系統簡介,GPRS 系統特點,GPRS 協議,重點介紹了基于GPRS 技術的遠程自動抄表系統設計。

GPRS技術; 遠程抄表; 系統設計

0 前言

近年來，隨著電力自動化技術的發展，抄表技術在電力系統中尤為重要，電能以其易傳輸、分配、使用等優點，成為全世界最重要的能源消費形式，供電公司需合理、有效地提高工作效率。沒有遠程抄表技術之前，住戶抄表實施的是人工抄表，這樣不僅耗時、耗力，而且工作效率低，有可能讓抄表人員因為長時間工作而抄表有誤，最后產生不必要的麻煩。抄表結束后，工作人員還得做統一整理，使統計工作效率變得十分低效。所以此時便產生了基于GPRS通信技術在遠程抄表中的應用技術[1]。

眾所周知，GSM是一個覆蓋全國乃至全全球的商業通訊網絡，網絡可靠，覆蓋范圍廣，無通訊盲點。但也存在不足之處，為解決這個問題，就拓展開發了基于GPRS通訊的電力抄表系統。其原理是利用分組交換功能進行數據傳輸，提高了數據傳輸和數據流量[2]。

GPRS系統可提供廣域的無線IP連接，在GPRS業務平臺上構建電力遠程抄表系統，實現了電表數據的無線數據傳輸，具有可充分利用現有網絡資源，降低了建設成本，減少了人力資源，安裝方便快捷，維修簡單等優點[3]。

1 GPRS系統簡介

1.1 GPRS技術概括

GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的，廣域的無線IP連接。通俗地講，GPRS是一項高速數據處理的技術。GPRS作為第二代移動通信技術，GSM是第三代移動公司早在1993年提出的。GPRS網絡的技術核心是在GSM網絡中傳送分組數據業務，它的技術優勢主要體現在兩方面，即實現了用戶數據與無線網絡資源的最佳組合，實現了IP協議的透明傳送。與原有的GSM比較，GPRS在數據業務的承載和支持上具有非常明顯的優勢。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的調頻規則以及同樣的TDMA幀結構。

GPRS提供端到端的廣域的無線IP連接，采用信道捆綁和增強數據速率改進而實現了高速接入，使無線資源得到充分利用，能夠使用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，而不需要利用電路交換模式的網絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數據業務[4][5]。

1.2 GPRS系統特點

（1）采用分組交換技術

所謂分組交換技術就是GPRS信息在傳輸前被分成既是分離又是相關的“數據包”，并在接收端重新組合。因此GPRS特別適合于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶然的大數據傳輸[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，郊區等偏遠的地方的測量儀表的監控和數據采集。

（3）數據傳輸速率高

GPRS由于采用了經濟高效的數據分組交換技術，數據傳輸占用GSM的8個時隙，數據封裝在分割分組后上網發送，發送后不需要此容量時就立即釋放，提供了及時連接和高速接入。

（4）瞬間上網，永遠在線

GPRS用戶一開機，就始終是附著在GPRS網絡上，每次上網，只需要一個激活的過程，僅需要短暫的幾秒鐘就能上網。通訊網絡的建立過程十分迅速，由于GPRS使用了數據分組技術，用戶上網就可以避免斷網的情況，由此保證GPRS永遠在線。

（5）數據吞吐量大

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、高速率的數據傳輸，可提供9.05—172.2Kbit/s的數據傳輸速率。GPRS所提供的數據傳輸速率取決于所采用哪種編碼方式。

（6）性價比高

與有線網絡相比，節約了布線所需線路，人工維修，電話資源，節省了資源; 與無線局域網相比，自然也省去了架設天線等設施的投資。

（7）按量計費

GPRS技術是一種面向非連接的技術，用戶雖然可以總掛在網上，但是按實際流量來計費的。這種計費方式尤其適合于電表抄表這種間斷性數據傳輸，可以大大降低通信費用[7]。

1.3 GPRS的網絡結構及協議

1.3.1 GPRS的網絡結構

GPRS在現有的GSM網絡基礎上疊加了一個新的網絡，通過增加一些硬件設備并對原有網絡升級，形成了一個新的網絡邏輯實體，提供端到端、廣域的無線IP連接。結構圖如圖1所示。

從網絡側看，新增SGSN（服務GPRS支持節點）和GGSN（網關GPRS支持節點）這兩種網絡實體以及Gb、Gn/Gp、Gi、Gr、Gf、Gd、Gs、Gc等接口而形成的移動分組數據網絡。因此，GPRS的基本功能是在移動終端與計算機通信網絡的路由器之間提供的分組傳遞業務。GGSN在GPRS網絡和公用數據網之間起關口站的作用，它可以和多種不同的數據網絡連接，如ISDN和LAN等。SGSN紀錄移動臺當前位置信息，并在移動臺和各種數據網絡之間完成移動分組數據的發送和接收，為服務區所有用戶提供雙向的分組路由。

圖1 GPRS網絡的邏輯結構圖

GPRS移動臺與GSM基站通信，如圖2所示，與電路交換或數據呼叫不同，GPRS分組是從基站發送到SGSN節點。SGSN與GGSN進行通信，GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡，來自Internet、標識有移動臺的IP包，由GGSN接收，再轉發到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的協議

GPRS網絡傳輸平臺由一個分層協議結構組成，它可以提供用戶信息的傳送以及與此相關的信息傳輸中的過程，比如：流量控制、檢錯、糾錯、及錯誤恢復等。傳輸平臺通過底層無線接口和網絡子系統平臺連接，這種獨立性是通過保留Gb接口來實現的。在GPRS中使用傳輸平臺。數據包從TE傳到MS要經過四個接口：Gi，Gn，Gb，Um。

（1）Gi接口：外網與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技術的遠程自動抄表系統設計

2.1 基于GPRS遠程抄表系統組成

基于GPRS的網絡遠程抄表系統組成如圖3所示，系統由電量檢測部分，GPRS數據傳輸部分和監控中心三部分組成[8][9]。

2.2 遠程抄表系統工作原理（1）電量檢測部分

電量檢測部分由電表、采集卡、轉發器和微功率無線傳輸模塊組成。其中采集卡和轉發器均采用單片機AT89C52及其外圍電路實現，采集卡負責讀取電表的數據，由采集卡中的微處理器收集電能的計數脈沖，并進行計算和處理得到用電量。采集器和轉發器之間的數據傳輸方式有兩種，485總線方式和載波抄表方式。本系統采用485總線方式，每個采集卡最多可以連接八個電表，轉發器相當于一臺路由器，負責形成自組織網絡。每臺轉發器都帶有一個廉價的無線發射模塊，通過收集周圍鄰居的轉發器自動來形成一個自組織網絡，在每個自組織網絡中只有一個GPRS模塊，連接在一臺轉發器上，通過它與GPRS通信網連接，把數據傳送給檢測中心[10][11]。

（2）GPRS數據傳輸部分

GPRS支持外部網絡與移動臺之間的透明傳輸，在數據傳輸時，在移動臺SGSN，GGSN中把數據包封裝起來，根據移動臺，SGSN，GGSN中的PDP（分組數據協議）Context選擇路由傳輸數據包，GPRS骨干網利用GPRS隧道協議GTP對TP或X.25分組進行封裝，然后將GTP協議數據單元插入TCP PDU或UDP PDU 中，而TCP PDU或UDP PDU又是封裝在IP PDU中進行傳輸。在IP和GTP PDU頭部分別包含地址的隧道端點標識符（TD），用他們來唯一確定地址和PDP Context，從而正確地將數據包傳輸給目的地[12]。

圖3 GPRS遠程抄表系統組成

（3）監控中心管理部分及管理軟件

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

監控中心管理軟件主要包括四個模塊：管理設置、客戶管理、數據查詢、數據管理。○1管理設置模塊系統操作權限管理模塊，配兩組權限，即系統管理員、操作員權限。○2客戶管理模塊對用電客戶進行管理，括客戶信息的添加、修改、刪除、備份等操作。○3數據查詢模塊提供完備的數據查詢與報表方案，邏輯關系、各種時間組合等查詢客戶用電信息，有繳費信息、欠費清單等各種報表的打印。

（4）數據管理模塊列出上月數據缺少的用戶列表，保證用戶數據的完整性，執行數據殘缺分析、統計分析和用電量等級分析等各種數據分析處理[14][15]。

2.3 基于GPRS遠程抄表系統的軟件設計。

基于GPRS技術的抄表系統主體上可以分為主站和抄表終端兩大部分。主站由應用服務器，數據庫服務器和通信前置機三部分組成，相應的系統軟件分為終端軟件和系統軟件兩部分。

（1）終端軟件

終端軟件分為：與主站交互，數據采集，數據存儲，巡檢異常處理，遠程加載。其中遠程加載主要負責通過GPRS通信，從主站獲得監控軟件的更新版本并更新有關軟件，這樣就避免了現場操作所帶來的人力和物力的消耗[16]。

（2）主站軟件

主站軟件運行在PC上，包括相應數據庫系統，主要完成從抄表終端匯總數據，通過相應命令控制終端運行，存儲各抄表終端上傳的數據，還可與用電營銷MIS系統結合，實現電費管理、實際損耗計算、負荷監管調控等功能。

3 總結

社會在發展，經濟在提升，不言而喻地帶給我們的是技術的提高，雖說現在正在普及4G，4G時代的到來，讓我們體驗著網絡的便捷與網絡的多彩，但是這些都離不開2G的基礎。GPRS作為第二代移動通信技術GSM向第三代通信技術過渡的技術，屬于2.5G的移動通信技術，并沒有被人們忽視，它在通信領域仍然占有很高的地位。本篇論述主要闡述了該技術在電力系統中遠程抄表的應用，GPRS技術總的概括為具有資源利用率高，接入時間短等優點。當然也會存在發生GPRS包丟失現象，實際速率比理論值低等缺點，但總的來說，GPRS技術在電力，水利等領域都有廣泛運用。GPRS是實現無線數據業務的最佳承載方式。使用GPRS移動通信技術使電力系統遠程抄表技術邁出了新的一步。該技術實時在線，接入快速，傳輸速率高，網絡的穩定性好，具有與其他通訊方式不一樣的特點。該技術應用于電力系統中，大大解決了抄表費時、費力的難處，而且做到了高效抄表，數據傳輸，按量計費的優點，對于整個電網公司，其大大降低了系統投資和運行成本。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時在線監控，提供了供電可靠性和安全性，是一種高效安全的通信技術。遠程抄表的通信技術會朝著智能化、高效化、準確化、全面化的方向發展，更大程度地為人們提供方便快捷的服務。

4 致謝

本文研究工作得到國家自然科學基金項目（61461055）的資助，謹此致謝！

[1]曹莉，徐中華.基于GPRS網絡的數據無線傳輸的實現接口[J].現場總線與網絡技術，2006.

[2]李濤，付永生.基于 GPRS 的數據傳輸[J].今日電子，2004.

[3]蔡銳丹，許少云，甘義成; GPRS無線數據傳輸系統的設計與應用[J].電子質量，2004.

[4]李建東，郭梯云，鄔國揚.移動通信.西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[5]李華.現代移動通信新技術-GPRS系統[M].華南理工大學出版社，2001.

[6]鐘章隊，蔣文怡.GPRS通用分組無線業務[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[7]楊菁，余成波，胡曉倩; GPRS技術及其應用探析[J];重慶工學院學報，2004.

[8]周強，張石清.基于GPRS的無線抄表系統[J]，2009.

[9]袁冰，李濤.基于GPRS無線技術的自動抄表系統[J].電力系統自化，2004.

[10]金福寶，曹軍.基于GPRS網絡遠程抄表系統的設計[J].電測與儀表， 2006.

[11]唐偉，張建波，范文賓.基于GPRS技術的遠程抄表系統設計[J].電力系統通信，2004.

[12]粟玉霞，徐建政，劉愛兵.GPRS技術在自動抄表系統中的應用[J].電力自動化設備，2003.

[13]牛斗，曲廣強等.基于GPRS的電力系統遠程監控設計與研究[J].電子測量技術，2006.

[14]王函韻，溫云波.基于GPRS技術的配電網通訊解決方案[J].電力科學與工程，2003.

[15]陶永明.遠程抄表系統中各種數據通信方式的原理及應用研究[J].通信電源技術，2007.

[16]趙羨龍，趙東艷，田世明.基于GPRS的用電管理系統及其智能終端介紹[A]，2005.