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| 矿井安全远程监测GPRS/CDMA无线组网应用方案 | |
| 北京东方讯 | |
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一、概述
在我国煤炭行业，大多数企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用；但是由于各种系统建于不同时期，使用不同的技术，各系统无法有效的集成，使安全生产监测监控信息不能很好的整合、利用。将安全生产监测监控信息及时、准确的传送到各级相关人员手中，缺乏有效的手段。系统需要在地面的中央控制室可对全矿井生产过程及设备实现自动化监测和控制，并能把信息通过网络传送给矿级领导，使领导在办公室即可随时了解生产、安全等信息，实现全矿井的统一调度和统一管理。需要系统的信息由下而上逐级集中，可与矿务局、焦煤公司的局域网内的计算机联网，实现实时远程查看。而控制既可集中于监控层操作，也可分散于设备控制层实施。各个子系统均可独立自成体系，可以按照矿井要求分步配置，进而实现最佳配置。
针对这些问题，开发出了矿井安全远程监测GPRS网络无线组网系统，可以对煤矿进行分级管理，进行有效监管，预防和减少安全生产事故的发生。该系统采用先进成熟的GPRS 无线数据终端为远程传输模块，依托稳定、可靠的中国移动GPRS 网络，系统运行可靠，数据采集实时性强。该系统有效的解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输的及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了最低；同时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。
二、系统特点
GPRS无线组网系统具备如下特点：
1、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，系统能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
2、远程仪器设备控制：由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能；
3、建设成本低：可充分利用现有GPRS网络，设备安装即接通，而采用超短波通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天线铁架等附属设备。
4、安装调试简单，建设周期短：利用现有成熟GPRS网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。
4、覆盖范围广。构建供水调度监控系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。 由于管网监控点数量众多，分布在全市范围内，部分管网监控点位于偏僻地区，而且地理位置分散。采用超短波通讯方式，覆盖范围只有30多公里；而采用GPRS方式，理论上在无线GPRS网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。
5、数据传输速率高。GPRS网络传送速率理论上可达171.2/372kbit/s，实际应用时数据传输速率在40-80Kbps左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2.4kbit/s或更低。
6、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
7、通信费用低，可按时间和流量进行收费。
8、系统易于扩展和维护，在CDMA网络的覆盖区中，POS机可以架设在任何地点。
三、系统组成
矿井安全远程监测无线网络系统是一个集电子技术、网络通信、传感器技术、数据采集、信号处理、信息管理以及软件工程等多任务、多层次、多种技术于一体的综合系统。矿井安全远程监测无线网络系统由地面监控中心站、GPRS 无线数据终端、各种井下分站、井下隔爆兼本质安全型多路电源、远程断电器、各种矿用传感器和矿用机电控制设备，及安全生产监测软件组成。
1、现场数据采集端
现场采集子站由二次仪表连接传感器通过RS-232通讯口与GPRS DTU(无线数据终端)连接，每一个GPRS 无线数据终端装入一个中国移动的数据SIM 卡。为防止井下瓦斯煤尘火灾等事故危害人身和设备安全，在井下各采区工作面、掘进头及主要巷道、机电峒室等处设置瓦斯、温度、一氧化碳、风速、负压等各类环境监测传感器，在风门处设置风门开关对井下通风环境设施的状况进行监测，并对风机等机电设备的运行状况监测和控制，分站将监测信息传送到地面中心站。当瓦斯等参数超限时（可根据具体情况自行设置断电、复电值），可对有关设备进行实时断电。系统将充分利用煤矿现有传感器及技术资源，并保证所有传感器（采集频率为200-1000Hz 的标准信号。部分厂家的传感器输出为4-20mA，可以通过 “信号转换器”来转换为200-1000Hz 信号）在接入系统后能正常工作。
井下分站和传感器安装在井下具有煤尘、沼气、一氧化碳等危险气体的环境中，对煤矿井下的各种安全、生产参数进行实时监测和处理，并将安全生产参数经由GPRS 无线数据终端及时传输到地面中心站。各种数据由分站和中心站处理，并能按要求直接发出声、光报警和断电控制信号。地面中心站经过GPRS 无线数据终端采用GPRS 网络与井下分站联结通信。通过系统可以准确，全面地了解井下安全情况和生产情况，实现对灾害事故的早期预测和预报，并能及时地自动处理。生产调度人员可以掌握井下设备运行情况，准确地指挥生产。
2、监控中心
矿井安全远程监测无线网络系统的监控中心为地面联网的2台计算机：监控主机和副机，当主机出现故障时，副机立即代替主机进行监控，计算机通过通信接口不断地与各个分站进行数据通信，分站和测点可分布于地面或井下任何地方，分站采集各测点传感器的信号，通过GPRS 无线数据终端与通信接口相连，向主机传递数据，同时分站又不停地对所接的传感器巡测，进行数据预处理、显示或根据需要控制输出。系统主机不断地把接收到的各分站测点数据实时处理、显示并定时存盘。
3、GPRS DTU特点及介绍
DTU是指数据终端设备（Data Terminal unit),可以理解为下位GPRS发射终端，在进行通信时，传输数据的链路两端肯定存在DTU.在它的作用下对所传信息进行格式转换和数据整理校验。
GPRS DTU全称GPRS数据传输单元，在国内目前实际上对GPRS DTU具有更加明确的约定：GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS 网络进行传送的GPRS无线设备。
2）GPRS/CDMA功能及特点
◆内部集成TCP/IP协议栈
GPRS DTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式PC与无线GPRS MODEM的结合；它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。
◆提供串口数据双向转换功能
GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都属于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU在设计上大都将串口数据设计成“透明转换”的方式，也就是说GPRS DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容。因此，GPRS DTU可以和各种使用串口通信的用户设备进行连接，而且不需要对用户设备作改动。
◆）支持自动心跳，保持永久在线
GPRS通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRS DTU在设计上都支持永久在线功能，这就要求DTU包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线（当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与中心的连接，心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连接不被断开）、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。
◆支持参数配置，永久保存
GPRS DTU作为一种通信设备，其应用场合十分广泛。在不同的应用中，数据中心的IP地址及端口号，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都应支持参数配置，并且将配置好的参数保存内部的永久存储器件内（一般为FLASH或EEPROM等）。一旦上电，就自动按照设置好的参数进行工作。
◆支持用户串口参数设置
不同用户设备的串口参数有所不同，DTU连接用户设备的串口时，要根据用户设备串口的实际参数对DTU端进行相应设置，保证用户设备的正常通信和可靠数据传输。
◆符合工业化设计适应恶劣环境能力更强
◆ RS232 串口速率高达230400 bps
◆ 支持RS232 三线标准或九线标准
◆ 内置TCP/IP 协议栈，支持TCP/UDP 网络协议
◆ 数据终端永远在线
◆ 掉线自动重拨功能
◆ 通过超级终端类似于AT 指令方式或专用设置程序来设置通信参数
◆ 设备之间透明传输/非通明传输
◆ 支持静态IP 或域名方式连接远程主机
◆ 供电：+5V，可根据客户需要定制宽电压输入
◆ 耗电：待机状态230~330mA；上网状态450~460mA；传输状态460~470mA
◆ 工作温度：-30℃ ~ +70℃
◆ 储存温度：-40℃ ~ +85℃
◆ 支持RS232/RS485/RS422串口进行通讯
四、安全可靠性
系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。
数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利旧使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Ｒａｄｉｕｓ服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。
另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。
对于安全性要求非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。
1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对 整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性，对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。
3、对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID和密码， 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。
五、总结
采用GPRS无线传输数据通讯方法解决了远程监测系统的通讯问题，比起其它有线通讯方式有着不可比拟的优越性。随着GPRS网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟，GPRS的应用领域也会越来越广阔。本文介绍的GPRS无线传输系统可推广至各种金融、水务、环保、煤气、交通等行业应用当中去。
11/18/2010 | |
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