3G/4G DTU供水管網數據采集應用方案
摘要：本文提供了一種基于3G/4G無線網絡的供水管網數據采集系統(tǒng)設計原理和實現方案，簡要介紹了3G/4G無線技術的基本知識，描述了3G/4G無線傳輸應用于城市供水管網數據采集系統(tǒng)的實現方法。通過實際應用，獲得了理想的效果.
第一部分 3G/4G無線網絡簡介
3G/4G無線網絡是目前解決通信服務的一種較完美的業(yè)務，它是以數據流量計費、或大數據的包月包年計費。覆蓋范圍廣泛、數據傳輸速度更快。3G/4G的推出，為行業(yè)和企業(yè)用戶開展無線數據傳輸提供了基礎設施平臺，為推動移動辦公的應用和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。與有線網絡相比，3G/4G無線網絡具有租用費用低、移動辦公，不受地域制約等優(yōu)點。3G/4G無線網絡的出現為企業(yè)和行業(yè)用戶開展無線辦公提供了一種新的選擇。
3G/4G無線通信方式更適合于各類數據采集業(yè)務，目前城市供水管網系統(tǒng)與各采用有線交互傳輸或電臺方式，甚至有些偏遠井道要有線網絡接入成了不可能。月租費太高，用電話線傳送數據按時間計費，帶來諸多不便，費用也不便宜。、
第二部分 DTU產品介紹
廈門才茂通信科技有限公司是廈門市一家專注高新科技領域的企業(yè)，公司成立之初定位于2G/3G/4G以及未來更高數據通信平臺行業(yè)數據終端產品的研發(fā)、制造、銷售和服務，經過多年的積累，現已成為國內為數不多的擁有自己核心協議技術的企業(yè)，公司自成立以來已完成GSM MODEM/DTU、3G/4G MODEM/DTU/ROUTER、CDMA MODEM/DTU/ROUTER、EDGE ROUTER、WCDMA/EVDO/TD-SCDMA ROUTER、3G上網卡以及無線視頻監(jiān)控產品系列產品的生產和銷售，其中CaiMore 2G/3G/4G DTU系列產品通過了中國移動終端標準測試和電科院EMC電磁兼容性測試，并大量應用于電力、環(huán)保、氣象、煤礦、油田、交通、金融、水利、水務、路燈等領域， CaiMore 系列產品以穩(wěn)定可靠、服務周全贏得廣大國內客戶的尊敬，同時也贏得了國外客戶的青睞！
廈門才茂無線通信系列產品以技術扎實、性能穩(wěn)定、功能強大、靈活可靠、服務及時等諸多優(yōu)勢深得各行業(yè)客戶好評，也是國內外同行業(yè)中的佼佼者。
基于3G/4G無線網絡平臺的無線數據技術自以“實時在線、按流量計費、覆蓋率廣”等優(yōu)勢在各行業(yè)取得廣泛應用，隨著3G/4G無線網絡的不斷完善，為了更好規(guī)范產品終端市場，營造良性的行業(yè)產業(yè)鏈，隨著信息化的發(fā)展，DTU已經完全取代了以往的各種有線接入。而以往的有線連接必須依賴于網絡布線、固定電話線路，對于發(fā)展移動性的服務、增設新的服務網點、增設臨時性的窗口常會受到有線連接的困擾。同時布線還需要昂貴的費用和鋪設時間，對已有的網絡也會有影響，所以有線連接已經嚴重限制了目前各種信息化應用的主要原因。
（六）典型應用
1. 電力監(jiān)控
2. 油田監(jiān)測
3. 遠程抄表
4. 路燈監(jiān)控
5. 環(huán)境監(jiān)測
6. 氣象監(jiān)測
7. 水利監(jiān)測
8. 熱網監(jiān)測
9. 電表監(jiān)測
10. 機房監(jiān)控
11. 交通指示
12. 煤炭監(jiān)控
13. 地震監(jiān)測
14. 車輛誘導
15. 供水監(jiān)控
16. 高速公路監(jiān)測
17. 噪聲實時監(jiān)控
18. 環(huán)保重點污染源監(jiān)控
19. 供水管網實時傳輸監(jiān)控
20. 電力配網自動化遙控系統(tǒng)
21. 各類國內外帶串口或485接口的PLC，RTU實現無線數據傳輸
22. 等等
第三部分 供水管網系統(tǒng)組成
一、系統(tǒng)組成結構及功能要求
供水管網遠程測控調度系統(tǒng)結構圖
如上圖所示供水管網遠程測控調度系統(tǒng)由調度中心、3G/4G無線網絡、遠程終端單元（RTU）幾個部分組成：
l 遠程終端單元（RTU）
遠程終端單元RTU 分散的分布在供水管網的遙測點上，主要由CM 3150P 3G/4G模塊、電源、天線、PLC 的CPU 及各種I/O 模板及后備電池、機箱等幾部分組成。遠程終端單元RTU與現場設備的開關量、模擬量信號相連，進行數據采集、處理、存儲并通過3G/4G無線網絡與調度中心傳送數據，接收并執(zhí)行上位機的命令。
具體功能如下：
RTU 機箱：安裝于遙測點現場，為壁掛式，具有防盜功能（包括模塊天線），
其固定螺絲置于箱體內，設置門鎖，箱體內具有220V 交流電（如井下無條件具備220V電壓，可考慮蓄電池、鋰電池等能滿足終端產品電壓需求的供電裝置），信號輸入輸出接線端子，設置交流進線空氣開關，如有條件可配備一220V 交流電插座（檢修時方便使用）
PLC：使用西門子、三菱、歐姆龍等知名品牌
提供4 路4-20mA 模擬輸入、6 路開關量輸入、4 路開關量輸出，無需監(jiān)控中心控制，可自行進行測量，并保存累積數據系統(tǒng)；
具有實時時鐘功能（可通過監(jiān)控中心設定校準），采集到的數據以時間為順序，以5分鐘/每次的密度，能在RTU 端存儲一天的歷史數據，程序、參數、歷史數據具有掉電保護功能；
定時上報：把從儀表采集到的數據，以定時（整5 分鐘報一次）方式上報；
實現數據點播：可以響應各監(jiān)控中心發(fā)出的查詢請求，將實時時刻或歷史時刻的數據發(fā)給監(jiān)控中心，數據可發(fā)給多個監(jiān)控中心；
輸入信號損壞時發(fā)出報警信息；
當系統(tǒng)上電復位，或系統(tǒng)運行、通信發(fā)生異常死機復位（看門狗復位）時，系統(tǒng)根 據復位類型不同進行復位處理，保證系統(tǒng)正常工作。
可為一次儀表（兩線制，三線制）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無線模塊，內嵌TCP/IP協議，
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終端設備數據的透明傳輸，可上電即自動撥號上網，一直在線，自檢測假撥號現象，掉線可自動重撥。帶自主開發(fā)
的主控電路和硬件看門狗，保證電路的可靠工作，并可根據用戶需要進行遠程在線維護。
（可選的備用冗余功能）調度中心可以設一主一備兩個中心（即有一主一備兩個IP地址），平時RTU端的3G/4G模塊只與調度中心主中心（主IP地址）聯系，當主IP地址聯系不上時，RTU端的3G/4G模塊能自動與備用IP地址聯系，切換到備用系統(tǒng)進行工作，當主IP地址系統(tǒng)恢復正常，關閉備用IP地址系統(tǒng)時，能恢復到主IP地址系統(tǒng)進行工作。
通信工作原理：
u 首先對DTU進行設置，設置要連接的中心IP和端口及其它必要性的設置，設置好之后PLC通過RS232接口和DTU相連，DTU上電之后根據事先設置好的中心IP和端口進行連接，成功連接到中心軟件后即可雙向傳輸數據。
u 終端流量傳感器、水壓傳感器工作時所產生的數據通過串口往無線模塊串口送， 無線模塊檢測到串口的數據后最終數據信息發(fā)送到中心去
l 調度中心
中心條件:首先用某臺能上網的PC機，條件必須能讓外網訪問的到，如運行中心軟件的PC機在局域網里面，那要在局域網路由器做端口映射到本機PC，等這些條件具備之后在本機運行一個中心DEMO，開放一個端口，運行軟件等待DTU的連接。
才茂 DTU連接中心后，就可按要求進行傳輸數據，中心收到數據后，通過系統(tǒng)進行解密、過濾、篩選，最終獲得所需要的數據進行分析、統(tǒng)計等工作。
組網方案如下：
A、公網方案：
中心用一個服務器組作為中心接收，中心采用ADSL 等INTELNET 公網連接，采用公網固定IP 或者公網動態(tài)IP+DNS 解析服務。此種方案先向INTERNET 運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務。
1) 中心公網固定IP：監(jiān)控點直接向中心固定IP 發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。（當然固定IP 費用比較貴，視客戶財力決定）
2) 中心公網動態(tài)IP+DNS 解析服務：大部分IP 都是動態(tài)的，而且費用相對便宜。
客戶先與DNS 服務商聯系開通動態(tài)域名，動態(tài)域名解析軟件網址如下：（可以先申請免費的二級域名）
88IP解析http://www.88ip.cn
監(jiān)控點先采用域名尋址方式連接DNS 服務器，再由DNS 服務器找到中心公網動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網固定IP 的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS 服務商。
B、專網方案：
根據客戶內部網對網絡安全的特殊要求，決定采用中國移動3G/4G無線網絡的專用APN形式入網，每個SIM卡綁定固定內部IP，擁有獨立上網APN名，其特點如下：網內分配專用的APN名，普通用戶不得申請該APN 。用于3G/4G專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN，也限制網外SIM卡使用專網APN。專門由移動公司機房牽出專線聯接中心服務器組。這種方案安全性和穩(wěn)定性大大提高，但費用比較高。
中心采用APN專線， 所有點都采用內網固定IP
u 客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司3G/4G無線網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
u 為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于3G/4G專網的SIM卡才能進入專網APN，防止其他非法用戶的進入。
u 用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能）。只有通過認證的用戶才允許接入，用以保證用戶內部安全。
u 用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。
u 移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。
雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
此種方案無論實時性，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、數據點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下之最佳組網方式。
業(yè)務流程
3G/4G專網系統(tǒng)終端上網登錄服務器平臺的流程為：
1）用戶發(fā)出3G/4G登錄請求，請求中包括由移動公司為3G/4G專網系統(tǒng)專門分配的專網APN；
2）根據請求中的APN，SGSN向DNS服務器發(fā)出查詢請求，找到與企業(yè)服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；
4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發(fā)來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；
5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址的確認信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數據包，對3G/4G專網系統(tǒng)信息查詢和業(yè)務處理平臺進行訪問。
l 調度中心功能
公司調度中心通過網絡與公司內部網連接，調度中心PC 通過3G/4G無線網絡向RTU 下發(fā)配置信息、控制信息，及接收下位機上報的數據及告警信息，同時對采集的數據進行管理，提供查詢、統(tǒng)計、報表等功
能調度中心、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RTU 的時鐘
RTU 發(fā)送來的數據自動進入數據庫，數據庫具備一定的安全措施
處理RTU 的報警信息
數據遙測功能：定時巡測、手動巡測、隨機抽測、分組召測
遙控功能：控制RTU 開關量輸出點的開、關狀態(tài)、遙信開關狀態(tài)
參數狀態(tài)管理功能：設置修改各測量數據上、下限值，通訊參數
在線組態(tài)功能：新增RTU 數據采集點等參數通過組態(tài)定義即可完成。
數據庫管理功能：對測得的數據建庫，對數據進行處理，查詢歷史數據，報表打印
具有數據顯示功能： 能顯示測量的各種數據、遙信開關狀態(tài)、各種系統(tǒng)圖形等
具有圖形功能,模擬顯示管網圖、水廠工藝流程圖等
搶修修理、停水、管網沖洗等數據錄入及統(tǒng)計。
數據共享功能：提供一個WEB 站點，該WEB 站點使公司寬帶內部網的任意一臺工作站只通過WEB 瀏覽器就可以登陸查看所有監(jiān)控點的實時數據和存儲的任何時間段的歷史數據。WEB 站點通過用戶身份認證授權方式控制該用戶可訪問那些監(jiān)控點的實時監(jiān)控數據和存儲的任何時間段的歷史數據。調度中心系統(tǒng)管理員能增加、刪除可訪問用戶，并對用戶進行不同權限的授權。該WEB 站點應能通過超鏈接方式聯入公司統(tǒng)一平臺。具備一開放的實時數據庫，DLP 大屏控制器軟件能夠讀取各監(jiān)測點的實時數據。
