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3G/4G DTU供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方案

摘要：本文提供了一種基于3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方案，簡(jiǎn)要介紹了3G/4G無(wú)線(xiàn)技術(shù)的基本知識(shí)，描述了3G/4G無(wú)線(xiàn)傳輸應(yīng)用于城市供水管網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，獲得了理想的效果.

第一部分   3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介

3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是目前解決通信服務(wù)的一種較完美的業(yè)務(wù)，它是以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、或大數(shù)據(jù)的包月包年計(jì)費(fèi)。覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度更快。3G/4G的推出，為行業(yè)和企業(yè)用戶(hù)開(kāi)展無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸提供了基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，為推動(dòng)移動(dòng)辦公的應(yīng)用和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比，3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有租用費(fèi)用低、移動(dòng)辦公，不受地域制約等優(yōu)點(diǎn)。3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為企業(yè)和行業(yè)用戶(hù)開(kāi)展無(wú)線(xiàn)辦公提供了一種新的選擇。

3G/4G無(wú)線(xiàn)通信方式更適合于各類(lèi)數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，目前城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)與各采用有線(xiàn)交互傳輸或電臺(tái)方式，甚至有些偏遠(yuǎn)井道要有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入成了不可能。月租費(fèi)太高，用電話(huà)線(xiàn)傳送數(shù)據(jù)按時(shí)間計(jì)費(fèi)，帶來(lái)諸多不便，費(fèi)用也不便宜。、

第二部分  DTU產(chǎn)品介紹

廈門(mén)才茂通信科技有限公司是廈門(mén)市一家專(zhuān)注高新科技領(lǐng)域的企業(yè)，公司成立之初定位于2G/3G/4G以及未來(lái)更高數(shù)據(jù)通信平臺(tái)行業(yè)數(shù)據(jù)終端產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷(xiāo)售和服務(wù)，經(jīng)過(guò)多年的積累，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的擁有自己核心協(xié)議技術(shù)的企業(yè)，公司自成立以來(lái)已完成GSM MODEM/DTU、3G/4G MODEM/DTU/ROUTER、CDMA MODEM/DTU/ROUTER、EDGE ROUTER、WCDMA/EVDO/TD-SCDMA  ROUTER、3G上網(wǎng)卡以及無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控產(chǎn)品系列產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷(xiāo)售，其中CaiMore 2G/3G/4G DTU系列產(chǎn)品通過(guò)了中國(guó)移動(dòng)終端標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試和電科院EMC電磁兼容性測(cè)試，并大量應(yīng)用于電力、環(huán)保、氣象、煤礦、油田、交通、金融、水利、水務(wù)、路燈等領(lǐng)域， CaiMore 系列產(chǎn)品以穩(wěn)定可靠、服務(wù)周全贏得廣大國(guó)內(nèi)客戶(hù)的尊敬，同時(shí)也贏得了國(guó)外客戶(hù)的青睞！

  廈門(mén)才茂無(wú)線(xiàn)通信系列產(chǎn)品以技術(shù)扎實(shí)、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、靈活可靠、服務(wù)及時(shí)等諸多優(yōu)勢(shì)深得各行業(yè)客戶(hù)好評(píng)，也是國(guó)內(nèi)外同行業(yè)中的佼佼者。

基于3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)技術(shù)自以“實(shí)時(shí)在線(xiàn)、按流量計(jì)費(fèi)、覆蓋率廣”等優(yōu)勢(shì)在各行業(yè)取得廣泛應(yīng)用，隨著3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，為了更好規(guī)范產(chǎn)品終端市場(chǎng)，營(yíng)造良性的行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，隨著信息化的發(fā)展，DTU已經(jīng)完全取代了以往的各種有線(xiàn)接入。而以往的有線(xiàn)連接必須依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)、固定電話(huà)線(xiàn)路，對(duì)于發(fā)展移動(dòng)性的服務(wù)、增設(shè)新的服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)、增設(shè)臨時(shí)性的窗口常會(huì)受到有線(xiàn)連接的困擾。同時(shí)布線(xiàn)還需要昂貴的費(fèi)用和鋪設(shè)時(shí)間，對(duì)已有的網(wǎng)絡(luò)也會(huì)有影響，所以有線(xiàn)連接已經(jīng)嚴(yán)重限制了目前各種信息化應(yīng)用的主要原因。

（六）典型應(yīng)用

1. 電力監(jiān)控

2. 油田監(jiān)測(cè)

3. 遠(yuǎn)程抄表

4. 路燈監(jiān)控

5. 環(huán)境監(jiān)測(cè)

6. 氣象監(jiān)測(cè)

7. 水利監(jiān)測(cè)

8. 熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)

9. 電表監(jiān)測(cè)

10. 機(jī)房監(jiān)控

11. 交通指示

12. 煤炭監(jiān)控

13. 地震監(jiān)測(cè)

14. 車(chē)輛誘導(dǎo)

15. 供水監(jiān)控

16. 高速公路監(jiān)測(cè)

17. 噪聲實(shí)時(shí)監(jiān)控

18. 環(huán)保重點(diǎn)污染源監(jiān)控

19. 供水管網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控

20. 電力配網(wǎng)自動(dòng)化遙控系統(tǒng)

21. 各類(lèi)國(guó)內(nèi)外帶串口或485接口的PLC，RTU實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸

22. 等等

第三部分 供水管網(wǎng)系統(tǒng)組成

一、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)及功能要求

供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程測(cè)控調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程測(cè)控調(diào)度系統(tǒng)由調(diào)度中心、3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程終端單元（RTU）幾個(gè)部分組成：

l 遠(yuǎn)程終端單元（RTU）

遠(yuǎn)程終端單元RTU 分散的分布在供水管網(wǎng)的遙測(cè)點(diǎn)上，主要由CM 3150P 3G/4G模塊、電源、天線(xiàn)、PLC 的CPU 及各種I/O 模板及后備電池、機(jī)箱等幾部分組成。遠(yuǎn)程終端單元RTU與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的開(kāi)關(guān)量、模擬量信號(hào)相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)并通過(guò)3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與調(diào)度中心傳送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行上位機(jī)的命令。

具體功能如下：

RTU 機(jī)箱：安裝于遙測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，為壁掛式，具有防盜功能（包括模塊天線(xiàn)），

其固定螺絲置于箱體內(nèi)，設(shè)置門(mén)鎖，箱體內(nèi)具有220V 交流電（如井下無(wú)條件具備220V電壓，可考慮蓄電池、鋰電池等能滿(mǎn)足終端產(chǎn)品電壓需求的供電裝置），信號(hào)輸入輸出接線(xiàn)端子，設(shè)置交流進(jìn)線(xiàn)空氣開(kāi)關(guān)，如有條件可配備一220V 交流電插座（檢修時(shí)方便使用）

PLC：使用西門(mén)子、三菱、歐姆龍等知名品牌

提供4 路4-20mA 模擬輸入、6 路開(kāi)關(guān)量輸入、4 路開(kāi)關(guān)量輸出，無(wú)需監(jiān)控中心控制，可自行進(jìn)行測(cè)量，并保存累積數(shù)據(jù)系統(tǒng)；

具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能（可通過(guò)監(jiān)控中心設(shè)定校準(zhǔn)），采集到的數(shù)據(jù)以時(shí)間為順序，以5分鐘/每次的密度，能在RTU 端存儲(chǔ)一天的歷史數(shù)據(jù)，程序、參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)具有掉電保護(hù)功能；

定時(shí)上報(bào)：把從儀表采集到的數(shù)據(jù)，以定時(shí)（整5 分鐘報(bào)一次）方式上報(bào)；

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)播：可以響應(yīng)各監(jiān)控中心發(fā)出的查詢(xún)請(qǐng)求，將實(shí)時(shí)時(shí)刻或歷史時(shí)刻的數(shù)據(jù)發(fā)給監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)可發(fā)給多個(gè)監(jiān)控中心；

輸入信號(hào)損壞時(shí)發(fā)出報(bào)警信息；

當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位，或系統(tǒng)運(yùn)行、通信發(fā)生異常死機(jī)復(fù)位（看門(mén)狗復(fù)位）時(shí)，系統(tǒng)根 據(jù)復(fù)位類(lèi)型不同進(jìn)行復(fù)位處理，保證系統(tǒng)正常工作。

可為一次儀表（兩線(xiàn)制，三線(xiàn)制）提供24V 電源，具有一次表供電功能。

CM3150 3G/4G模塊：其核心使用SIMEMS MC39I無(wú)線(xiàn)模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，

支持900/1800 MHz系統(tǒng)，提供RS-232或RS-485自選接口，支持各種非TCP/IP終端設(shè)備數(shù)據(jù)的透明傳輸，可上電即自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，一直在線(xiàn)，自檢測(cè)假撥號(hào)現(xiàn)象，掉線(xiàn)可自動(dòng)重?fù)�。帶自主開(kāi)發(fā)

的主控電路和硬件看門(mén)狗，保證電路的可靠工作，并可根據(jù)用戶(hù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程在線(xiàn)維護(hù)。

（可選的備用冗余功能）調(diào)度中心可以設(shè)一主一備兩個(gè)中心（即有一主一備兩個(gè)IP地址），平時(shí)RTU端的3G/4G模塊只與調(diào)度中心主中心（主IP地址）聯(lián)系，當(dāng)主IP地址聯(lián)系不上時(shí)，RTU端的3G/4G模塊能自動(dòng)與備用IP地址聯(lián)系，切換到備用系統(tǒng)進(jìn)行工作，當(dāng)主IP地址系統(tǒng)恢復(fù)正常，關(guān)閉備用IP地址系統(tǒng)時(shí)，能恢復(fù)到主IP地址系統(tǒng)進(jìn)行工作。

 通信工作原理：

u 首先對(duì)DTU進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置要連接的中心IP和端口及其它必要性的設(shè)置，設(shè)置好之后PLC通過(guò)RS232接口和DTU相連，DTU上電之后根據(jù)事先設(shè)置好的中心IP和端口進(jìn)行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數(shù)據(jù)。

u 終端流量傳感器、水壓傳感器工作時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)串口往無(wú)線(xiàn)模塊串口送， 無(wú)線(xiàn)模塊檢測(cè)到串口的數(shù)據(jù)后最終數(shù)據(jù)信息發(fā)送到中心去

l 調(diào)度中心

中心條件:首先用某臺(tái)能上網(wǎng)的PC機(jī)，條件必須能讓外網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)的到，如運(yùn)行中心軟件的PC機(jī)在局域網(wǎng)里面，那要在局域網(wǎng)路由器做端口映射到本機(jī)PC，等這些條件具備之后在本機(jī)運(yùn)行一個(gè)中心DEMO，開(kāi)放一個(gè)端口，運(yùn)行軟件等待DTU的連接。

才茂  DTU連接中心后，就可按要求進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，中心收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行解密、過(guò)濾、篩選，最終獲得所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)等工作。

組網(wǎng)方案如下：

A、公網(wǎng)方案：

中心用一個(gè)服務(wù)器組作為中心接收，中心采用ADSL 等INTELNET 公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP 或者公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS 解析服務(wù)。此種方案先向INTERNET 運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)。

1) 中心公網(wǎng)固定IP：監(jiān)控點(diǎn)直接向中心固定IP 發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。（當(dāng)然固定IP 費(fèi)用比較貴，視客戶(hù)財(cái)力決定）

2) 中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS 解析服務(wù)：大部分IP 都是動(dòng)態(tài)的，而且費(fèi)用相對(duì)便宜。

客戶(hù)先與DNS 服務(wù)商聯(lián)系開(kāi)通動(dòng)態(tài)域名，動(dòng)態(tài)域名解析軟件網(wǎng)址如下：（可以先申請(qǐng)免費(fèi)的二級(jí)域名）

88IP解析http://www.88ip.cn

監(jiān)控點(diǎn)先采用域名尋址方式連接DNS 服務(wù)器，再由DNS 服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP 的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS 服務(wù)商。

B、專(zhuān)網(wǎng)方案：

根據(jù)客戶(hù)內(nèi)部網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的特殊要求，決定采用中國(guó)移動(dòng)3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)用APN形式入網(wǎng)，每個(gè)SIM卡綁定固定內(nèi)部IP，擁有獨(dú)立上網(wǎng)APN名，其特點(diǎn)如下：網(wǎng)內(nèi)分配專(zhuān)用的APN名，普通用戶(hù)不得申請(qǐng)?jiān)揂PN 。用于3G/4G專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡僅開(kāi)通該專(zhuān)用APN，限制使用其他APN，也限制網(wǎng)外SIM卡使用專(zhuān)網(wǎng)APN。專(zhuān)門(mén)由移動(dòng)公司機(jī)房牽出專(zhuān)線(xiàn)聯(lián)接中心服務(wù)器組。這種方案安全性和穩(wěn)定性大大提高，但費(fèi)用比較高。

中心采用APN專(zhuān)線(xiàn)， 所有點(diǎn)都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP

u 客戶(hù)中心通過(guò)一條2M APN專(zhuān)線(xiàn)接入移動(dòng)公司3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進(jìn)行廣域連接，在GGSN與移動(dòng)公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。

u 為客戶(hù)分配專(zhuān)用的APN，普通用戶(hù)不得申請(qǐng)?jiān)揂PN。用于3G/4G專(zhuān)網(wǎng)的SIM卡才能進(jìn)入專(zhuān)網(wǎng)APN，防止其他非法用戶(hù)的進(jìn)入。

u 用戶(hù)在內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，作為內(nèi)部用戶(hù)接入的遠(yuǎn)程認(rèn)證服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用路由器本地認(rèn)證功能）。只有通過(guò)認(rèn)證的用戶(hù)才允許接入，用以保證用戶(hù)內(nèi)部安全。

u 用戶(hù)在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過(guò)認(rèn)證的用戶(hù)分配用戶(hù)內(nèi)部地址。

u 移動(dòng)終端和服務(wù)器平臺(tái)之間采用端到端加密，避免信息在整個(gè)傳輸過(guò)程中可能的泄漏。

雙方采用防火墻進(jìn)行隔離，并在防火墻上進(jìn)行IP地址和端口過(guò)濾。

此種方案無(wú)論實(shí)時(shí)性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點(diǎn)比較多、實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網(wǎng)方式。

業(yè)務(wù)流程 

3G/4G專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)終端上網(wǎng)登錄服務(wù)器平臺(tái)的流程為： 

1）用戶(hù)發(fā)出3G/4G登錄請(qǐng)求，請(qǐng)求中包括由移動(dòng)公司為3G/4G專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)分配的專(zhuān)網(wǎng)APN； 

2）根據(jù)請(qǐng)求中的APN，SGSN向DNS服務(wù)器發(fā)出查詢(xún)請(qǐng)求，找到與企業(yè)服務(wù)器平臺(tái)連接的GGSN，并將用戶(hù)請(qǐng)求通過(guò)GTP隧道封裝送給GGSN； 

3）GGSN將用戶(hù)認(rèn)證信息（包括手機(jī)號(hào)碼、用戶(hù)賬號(hào)、密碼等）通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)送至Radius進(jìn)行認(rèn)證； 

4）Radius認(rèn)證服務(wù)器看到手機(jī)號(hào)等認(rèn)證信息，確認(rèn)是合法用戶(hù)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，向DHCP服務(wù)器請(qǐng)求分配用戶(hù)地址； 

5）Radius認(rèn)證通過(guò)后，由Radius向GGSN發(fā)送攜帶用戶(hù)地址的確認(rèn)信息； 

6）用戶(hù)得到了IP地址，就可以攜帶數(shù)據(jù)包，對(duì)3G/4G專(zhuān)網(wǎng)系統(tǒng)信息查詢(xún)和業(yè)務(wù)處理平臺(tái)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。 

l 調(diào)度中心功能

公司調(diào)度中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與公司內(nèi)部網(wǎng)連接，調(diào)度中心PC 通過(guò)3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)向RTU 下發(fā)配置信息、控制信息，及接收下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)及告警信息，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，提供查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功

能調(diào)度中心、監(jiān)控分中心的具體功能如下：

能夠給RTU 下發(fā)組態(tài)信息、控制命令，能夠校準(zhǔn)RTU 的時(shí)鐘

RTU 發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)具備一定的安全措施

處理RTU 的報(bào)警信息

數(shù)據(jù)遙測(cè)功能：定時(shí)巡測(cè)、手動(dòng)巡測(cè)、隨機(jī)抽測(cè)、分組召測(cè)

遙控功能：控制RTU 開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)、遙信開(kāi)關(guān)狀態(tài)

參數(shù)狀態(tài)管理功能：設(shè)置修改各測(cè)量數(shù)據(jù)上、下限值，通訊參數(shù)

在線(xiàn)組態(tài)功能：新增RTU 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)等參數(shù)通過(guò)組態(tài)定義即可完成。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能：對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)建庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，報(bào)表打印

具有數(shù)據(jù)顯示功能： 能顯示測(cè)量的各種數(shù)據(jù)、遙信開(kāi)關(guān)狀態(tài)、各種系統(tǒng)圖形等

具有圖形功能,模擬顯示管網(wǎng)圖、水廠工藝流程圖等

搶修修理、停水、管網(wǎng)沖洗等數(shù)據(jù)錄入及統(tǒng)計(jì)。

數(shù)據(jù)共享功能：提供一個(gè)WEB 站點(diǎn)，該WEB 站點(diǎn)使公司寬帶內(nèi)部網(wǎng)的任意一臺(tái)工作站只通過(guò)WEB 瀏覽器就可以登陸查看所有監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)的任何時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)。WEB 站點(diǎn)通過(guò)用戶(hù)身份認(rèn)證授權(quán)方式控制該用戶(hù)可訪(fǎng)問(wèn)那些監(jiān)控點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和存儲(chǔ)的任何時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)。調(diào)度中心系統(tǒng)管理員能增加、刪除可訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)，并對(duì)用戶(hù)進(jìn)行不同權(quán)限的授權(quán)。該WEB 站點(diǎn)應(yīng)能通過(guò)超鏈接方式聯(lián)入公司統(tǒng)一平臺(tái)。具備一開(kāi)放的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，DLP 大屏控制器軟件能夠讀取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。