吳 娟，索林生

WU Juan, SUO Lin-sheng

（邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院，邯鄲 056001）

0 引言

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)是將數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸和處理應(yīng)用于電能與管理系統(tǒng)中的一項(xiàng)新技術(shù)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)通信方式采用有線電話、無線數(shù)傳電臺(tái)、電力線載波等方式。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，將GPRS技術(shù)運(yùn)用于遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)逐漸為人們所接受。

1 基于GPRS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩苑治?/h2>

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如用戶電表的電量、電流、電壓、有功功率等數(shù)據(jù)和用戶密切相關(guān)，因此安全性是GPRS能否在遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表中得到推廣應(yīng)用的一個(gè)重要問題。GPRS能提供的安全措施包括：防止未經(jīng)授權(quán)使用GPRS業(yè)務(wù)(認(rèn)證和業(yè)務(wù)請求驗(yàn)證)；提供用戶識(shí)別碼保密(臨時(shí)識(shí)別碼和保密)；提供用戶數(shù)據(jù)保密(加密)。針對GPRS的特點(diǎn)系統(tǒng)的安全結(jié)構(gòu)分析如下：

1.1 移動(dòng)臺(tái)(MS)與SGSN的連接安全

GPRS網(wǎng)是一個(gè)私有IP網(wǎng)，主要是為移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶接入到Internet等外網(wǎng)提供服務(wù),因而對GPRS網(wǎng)要進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。這部分的安全主要是對用戶身份的驗(yàn)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(jìn)行的，有更高的安全性。

1.2 SGSN到GGSN(端到端)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)安全

SGSN和 GGSN利用GPRS隧道協(xié)議(GTP)對IP或X.25分組進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸。IPSec為GTP信令和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密，令其可以通過外部IP網(wǎng)絡(luò)安全地傳送。

1.3 GGSN與Internet等外網(wǎng)的連接安全

為了避免Internet等外網(wǎng)上非法用戶的攻擊，必須在GGSN的出口處設(shè)置防火墻，并且在內(nèi)部設(shè)置安全認(rèn)證(AAA)_服務(wù)器，防止非法用戶對內(nèi)部GPRS網(wǎng)的攻擊。同時(shí)在GPRS網(wǎng)內(nèi)部利用RADIUS(遠(yuǎn)程驗(yàn)證用戶撥入服務(wù)協(xié)議)或TACACS(終端訪問控制器訪問控制系統(tǒng))協(xié)議，集中管理網(wǎng)絡(luò)用戶的帳號(hào)及口令，控制網(wǎng)絡(luò)用戶的權(quán)限，并將網(wǎng)絡(luò)用戶的網(wǎng)上主要操作寫入日志文件，便于在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行分析、跟蹤和審計(jì).

最后 ，還可以在GPRS網(wǎng)上選擇合適的網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測點(diǎn)，并結(jié)合完善的網(wǎng)絡(luò)安全測試工具，對GPRS網(wǎng)各方面的安全性進(jìn)行檢測、校正和監(jiān)測，從而準(zhǔn)確、綜合地評(píng)估GPRS網(wǎng)的安全性和GPRS網(wǎng)安全措施實(shí)施的有效性。

2 基于GPRS遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)硬件平臺(tái)采用較新的GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對用戶電表數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)采集，避免了布線，實(shí)現(xiàn)了用戶電表數(shù)據(jù)的可靠傳輸，同時(shí)還兼顧了安裝方便、可維護(hù)性好、易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理等優(yōu)點(diǎn)。

2.1 系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)主要是由電度表、帶GPRS模塊的采集終端、帶系統(tǒng)軟件的主站組成。

1）電度表采用三相多功能電表，用來計(jì)量、顯示用戶的用電量，并將用電信息傳輸?shù)紾PRS采集終端。這種電表具有精密的分時(shí)計(jì)量和需量控制、多種事件記錄、大容量的負(fù)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(shí)準(zhǔn)確地采集每塊電表的數(shù)據(jù)，再通過GPRS協(xié)議格式傳送到數(shù)據(jù)中心。它起到了連接主站和電度表作用。

3）帶系統(tǒng)軟件的主站，主站包括前置機(jī)、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三個(gè)部分。而通信前置機(jī)則是直接和終端進(jìn)行通訊的部分。

2.2 帶GPRS模塊的采集終端功能設(shè)計(jì)：

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)分析

終端能提供一路RS-485抄表接口，可接8只電表，支持遠(yuǎn)程升級(jí)終端應(yīng)用軟件。采集的數(shù)據(jù)類型包括：計(jì)量數(shù)據(jù)、電表凍結(jié)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、事件記錄、終端數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

2.2.2 狀態(tài)監(jiān)測與告警功能

終端應(yīng)具有多種用電異常智能檢測、分析并自動(dòng)報(bào)警功能，并可將異常信息(包括報(bào)警時(shí)刻前后電量或其它數(shù)據(jù))主動(dòng)上報(bào)給主站，同時(shí)保存一定數(shù)量的異常記錄供主站召測。

2.2.3 GPRS無線數(shù)據(jù)通信功能

終端內(nèi)嵌GPRS無線數(shù)據(jù)通信模塊，它能利用中國移動(dòng)GPRS無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行終端數(shù)據(jù)抄讀。數(shù)據(jù)通信模塊應(yīng)具有可永遠(yuǎn)在線，傳輸速度多種可配、可高達(dá)115200bps，數(shù)據(jù)壓縮加密傳輸，支持無線遠(yuǎn)程軟件升級(jí)和維護(hù)等特點(diǎn)。通訊時(shí)，GPRS模塊先撥入網(wǎng)絡(luò)，然后通過Internet和前置機(jī)進(jìn)行通信

2.2.4 遙控功能

能通過主站對用戶開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)方拉閘或合閘操作，終端在接收到主站命令后在告警時(shí)間內(nèi)進(jìn)行聲光告知警，在告警期間可以撤銷控制命令，如果告警時(shí)間到則對用戶開關(guān)實(shí)施跳閘操作。遙控功能可以對單個(gè)終端進(jìn)行，也可以對一批終端進(jìn)行。

2.2.5 遠(yuǎn)程升級(jí)功能

能通過GPRS通道方便的遠(yuǎn)程對終端軟件在線升級(jí)；能通過本地維護(hù)口對終端軟件在線升級(jí)。此外，終端還應(yīng)具有存儲(chǔ)、計(jì)劃限電、日/月電量控制、校時(shí)等功能。

2.3 采集終端的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)GPRS采集終端的功能設(shè)計(jì)，整個(gè)硬件設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成（如圖1所示）：

圖1 硬件系統(tǒng)組成框圖

2.3.1 32位RISC嵌入式GPU

由于基于GPRS的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)需要運(yùn)行TCP/IP, PPP等協(xié)議，對運(yùn)算處理能力要求較高，同時(shí)還要考慮軟件系統(tǒng)的支持。本系統(tǒng)采用32位RISC嵌入式CPU (ARM9內(nèi)核)，該嵌入式CPU內(nèi)核主頻達(dá)到200MHz，包含動(dòng)態(tài)隨即存儲(chǔ)接口(Synchronous DRAM Interface )；100MHz外圍設(shè)備總線，以及Flash ROM/Boot ROM接口；支持8-16-32位SRAM和外設(shè)。CPU中還包括協(xié)議轉(zhuǎn)換單元。

2.3.2 MC35無線數(shù)傳模塊

GPRS模塊的選擇主要考慮信號(hào)質(zhì)量、斷線情況、可靠性和GPRS數(shù)據(jù)模式接口等指標(biāo)。該系統(tǒng)選用西門子的MC35模塊，它支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息等各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，可以通過RS232接口，使用AT命令對該模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送?？捎谰迷诰€、快速數(shù)字接入和高速數(shù)據(jù)傳輸。在MC35中插入SAM卡，接上天線，就可以利用GPRS網(wǎng)接入Internet。

2.3.3 Flash存儲(chǔ)器

終端的存儲(chǔ)系統(tǒng)采用FLASH電子盤，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長，使用方便，在系統(tǒng)中由主站配置各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.同時(shí)提供音頻接口、I/O接口，可用于緊急語音通信和遠(yuǎn)程開關(guān)控制。

2.3.5 電源模塊

GARS采集終端選用5V直流供電。設(shè)計(jì)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(hù)功能，增強(qiáng)了可靠性。

2.3.6 負(fù)控模塊

負(fù)控模塊通過主站對用戶開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程拉閘、合閘操作，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的限電時(shí)間的拉閘操作，預(yù)設(shè)日/月電量定值，預(yù)設(shè)購電量定值等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)的軟件可分為抄表終端和主站兩大模塊。

終端軟件根據(jù)功能劃分為：與主站交互、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、巡檢及異常處理、遠(yuǎn)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(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)處理。2）數(shù)據(jù)采集模塊可以按照主站命令，對主站指定的電能表進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)抄表終端上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)庫的管理；電能量數(shù)據(jù)組織及數(shù)據(jù)備份。4）巡檢及異常處理模塊負(fù)責(zé)不間斷的監(jiān)測用戶電能表的運(yùn)行狀態(tài)；一旦出現(xiàn)異常立即上報(bào)主站；還可同時(shí)通過短消息通知有關(guān)工作人員。5）遠(yuǎn)程加載模塊主要負(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。采集終端總的程序流程圖如圖2所示。

主站軟件運(yùn)行在PC上，包括相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。主要完成從抄表終端采集數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)命令控制終端運(yùn)行，存儲(chǔ)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)統(tǒng)計(jì)、實(shí)際損耗計(jì)算、負(fù)荷監(jiān)管調(diào)控等功能。

圖2 采集終端軟件流程圖

管理軟件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，面向?qū)ο蟮姆椒?，將各種不同的功能封裝成相互獨(dú)立的幾大功能模塊。使系統(tǒng)系統(tǒng)維護(hù)管理簡單。在本系統(tǒng)主要由通訊管理、抄表管理、檔案管理、報(bào)警管理、系統(tǒng)綜合管理等幾個(gè)功能模塊組成?？梢詫?shí)現(xiàn)登錄、添加、刪除、查詢、修改等基本功能。終端的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程管理。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過GPRS移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能表數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸，通過嵌入式控制系統(tǒng)完成了用戶電表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，及用戶的用電控制。本系統(tǒng)已經(jīng)在本院投入運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，取得了很好的效果。