基于GPRS 的遠程自動抄表系統分析與設計

吳 娟，索林生

WU Juan, SUO Lin-sheng

（邯鄲職業技術學院，邯鄲 056001）

0 引言

遠程自動抄表技術是將數據自動采集、傳輸和處理應用于電能與管理系統中的一項新技術。傳統的系統通信方式采用有線電話、無線數傳電臺、電力線載波等方式。隨著移動通信技術的發展，將GPRS技術運用于遠程自動抄表系統逐漸為人們所接受。

1 基于GPRS的數據傳輸的安全性分析

遠程自動抄表系統中傳輸的數據，如用戶電表的電量、電流、電壓、有功功率等數據和用戶密切相關，因此安全性是GPRS能否在遠程自動抄表中得到推廣應用的一個重要問題。GPRS能提供的安全措施包括：防止未經授權使用GPRS業務(認證和業務請求驗證)；提供用戶識別碼保密(臨時識別碼和保密)；提供用戶數據保密(加密)。針對GPRS的特點系統的安全結構分析如下：

1.1 移動臺(MS)與SGSN的連接安全

GPRS網是一個私有IP網，主要是為移動數據用戶接入到Internet等外網提供服務,因而對GPRS網要進行重點保護。這部分的安全主要是對用戶身份的驗證和對用戶通信的加密。在加密上引入了新的加密算法，且加密是在SGSN 和MS間進行的，有更高的安全性。

1.2 SGSN到GGSN(端到端)的數據傳輸服務安全

SGSN和 GGSN利用GPRS隧道協議(GTP)對IP或X.25分組進行封裝，實現二者之間的數據傳輸。IPSec為GTP信令和業務數據加密，令其可以通過外部IP網絡安全地傳送。

1.3 GGSN與Internet等外網的連接安全

為了避免Internet等外網上非法用戶的攻擊，必須在GGSN的出口處設置防火墻，并且在內部設置安全認證(AAA)_服務器，防止非法用戶對內部GPRS網的攻擊。同時在GPRS網內部利用RADIUS(遠程驗證用戶撥入服務協議)或TACACS(終端訪問控制器訪問控制系統)協議，集中管理網絡用戶的帳號及口令，控制網絡用戶的權限，并將網絡用戶的網上主要操作寫入日志文件，便于在系統發生故障時進行分析、跟蹤和審計.

最后 ，還可以在GPRS網上選擇合適的網絡安全監測點，并結合完善的網絡安全測試工具，對GPRS網各方面的安全性進行檢測、校正和監測，從而準確、綜合地評估GPRS網的安全性和GPRS網安全措施實施的有效性。

2 基于GPRS遠程自動抄表的硬件系統設計

本課題遠程自動抄表系統硬件平臺采用較新的GPRS技術進行數據傳輸，對用戶電表數據采用遠程自動采集，避免了布線，實現了用戶電表數據的可靠傳輸，同時還兼顧了安裝方便、可維護性好、易實現網絡化管理等優點。

2.1 系統整體方案

系統主要是由電度表、帶GPRS模塊的采集終端、帶系統軟件的主站組成。

1）電度表采用三相多功能電表，用來計量、顯示用戶的用電量，并將用電信息傳輸到GPRS采集終端。這種電表具有精密的分時計量和需量控制、多種事件記錄、大容量的負荷記錄等功能.

2）帶GPRS模塊的采集終端，它的主要功能是及時準確地采集每塊電表的數據，再通過GPRS協議格式傳送到數據中心。它起到了連接主站和電度表作用。

3）帶系統軟件的主站，主站包括前置機、應用服務器和數據庫服務器三個部分。而通信前置機則是直接和終端進行通訊的部分。

2.2 帶GPRS模塊的采集終端功能設計：

2.2.1 數據采集與統計分析

終端能提供一路RS-485抄表接口，可接8只電表，支持遠程升級終端應用軟件。采集的數據類型包括：計量數據、電表凍結數據、統計數據、狀態信息、事件記錄、終端數據分析與統計數據等。

2.2.2 狀態監測與告警功能

終端應具有多種用電異常智能檢測、分析并自動報警功能，并可將異常信息(包括報警時刻前后電量或其它數據)主動上報給主站，同時保存一定數量的異常記錄供主站召測。

2.2.3 GPRS無線數據通信功能

終端內嵌GPRS無線數據通信模塊，它能利用中國移動GPRS無線數據業務進行終端數據抄讀。數據通信模塊應具有可永遠在線，傳輸速度多種可配、可高達115200bps，數據壓縮加密傳輸，支持無線遠程軟件升級和維護等特點。通訊時，GPRS模塊先撥入網絡，然后通過Internet和前置機進行通信

2.2.4 遙控功能

能通過主站對用戶開關進行遠方拉閘或合閘操作，終端在接收到主站命令后在告警時間內進行聲光告知警，在告警期間可以撤銷控制命令，如果告警時間到則對用戶開關實施跳閘操作。遙控功能可以對單個終端進行，也可以對一批終端進行。

2.2.5 遠程升級功能

能通過GPRS通道方便的遠程對終端軟件在線升級；能通過本地維護口對終端軟件在線升級。此外，終端還應具有存儲、計劃限電、日/月電量控制、校時等功能。

2.3 采集終端的硬件結構

根據GPRS采集終端的功能設計，整個硬件設計主要由以下幾部分組成（如圖1所示）：

圖1 硬件系統組成框圖

2.3.1 32位RISC嵌入式GPU

由于基于GPRS的遠程自動抄表系統需要運行TCP/IP, PPP等協議，對運算處理能力要求較高，同時還要考慮軟件系統的支持。本系統采用32位RISC嵌入式CPU (ARM9內核)，該嵌入式CPU內核主頻達到200MHz，包含動態隨即存儲接口(Synchronous DRAM Interface )；100MHz外圍設備總線，以及Flash ROM/Boot ROM接口；支持8-16-32位SRAM和外設。CPU中還包括協議轉換單元。

2.3.2 MC35無線數傳模塊

GPRS模塊的選擇主要考慮信號質量、斷線情況、可靠性和GPRS數據模式接口等指標。該系統選用西門子的MC35模塊，它支持數據、語音、短消息等各種數據業務，可以通過RS232接口，使用AT命令對該模塊進行控制和數據傳送。可永久在線、快速數字接入和高速數據傳輸。在MC35中插入SAM卡，接上天線，就可以利用GPRS網接入Internet。

2.3.3 Flash存儲器

終端的存儲系統采用FLASH電子盤，數據保存時間長，使用方便，在系統中由主站配置各類數據的存儲空間。

2.3.4 RS-485接口

RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力，是首選的串行接口。接口部分采用Maxim系列芯片進行電平轉換.同時提供音頻接口、I/O接口，可用于緊急語音通信和遠程開關控制。

2.3.5 電源模塊

GARS采集終端選用5V直流供電。設計中選用了新雷能公司的電源模塊，它還提供電源過壓、短路保護功能，增強了可靠性。

2.3.6 負控模塊

負控模塊通過主站對用戶開關進行遠程拉閘、合閘操作，執行預先設定的限電時間的拉閘操作，預設日/月電量定值，預設購電量定值等。

3 系統的軟件設計

遠程自動抄表系統的軟件可分為抄表終端和主站兩大模塊。

終端軟件根據功能劃分為：與主站交互、數據采集、數據存儲、巡檢及異常處理、遠程加載等子模塊。1）與主站交互模塊的主要功能是，接受主站下傳的命令和數據并進行相應處理。2）數據采集模塊可以按照主站命令，對主站指定的電能表進行實時數據采集。3）數據存儲模塊負責抄表終端上數據存儲空間和數據庫的管理；電能量數據組織及數據備份。4）巡檢及異常處理模塊負責不間斷的監測用戶電能表的運行狀態；一旦出現異常立即上報主站；還可同時通過短消息通知有關工作人員。5）遠程加載模塊主要負責通過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。采集終端總的程序流程圖如圖2所示。

主站軟件運行在PC上，包括相應的數據庫系統。主要完成從抄表終端采集數據，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系統結合實現電費統計、實際損耗計算、負荷監管調控等功能。

圖2 采集終端軟件流程圖

管理軟件系統采用模塊化的設計思想，面向對象的方法，將各種不同的功能封裝成相互獨立的幾大功能模塊。使系統系統維護管理簡單。在本系統主要由通訊管理、抄表管理、檔案管理、報警管理、系統綜合管理等幾個功能模塊組成。可以實現登錄、添加、刪除、查詢、修改等基本功能。終端的數據通過無線網絡傳輸，實現了遠程管理。

4 結束語

本系統通過GPRS移動通信技術，實現了電能表數據的無線遠程傳輸，通過嵌入式控制系統完成了用戶電表的遠程自動抄表，及用戶的用電控制。本系統已經在本院投入運行，運行穩定可靠，取得了很好的效果。