一、概述
在我國煤炭行業，大多數企業都已經或正在進行生產調度、監測監控等系統的建設，這些系統的建立在實現安全生產的過程中起到了重要的作用；但是由于各種系統建于不同時期，使用不同的技術，各系統無法有效的集成，使安全生產監測監控信息不能很好的整合、利用。將安全生產監測監控信息及時、準確的傳送到各級相關人員手中，缺乏有效的手段。系統需要在地面的中央控制室可對全礦井生產過程及設備實現自動化監測和控制，并能把信息通過網絡傳送給礦級領導，使領導在辦公室即可隨時了解生產、安全等信息，實現全礦井的統一調度和統一管理。需要系統的信息由下而上逐級集中，可與礦務局、焦煤公司的局域網內的計算機聯網，實現實時遠程查看。而控制既可集中于監控層操作，也可分散于設備控制層實施。各個子系統均可獨立自成體系，可以按照礦井要求分步配置，進而實現最佳配置。
針對這些問題，開發出了礦井安全遠程監測GPRS網絡無線組網系統，可以對煤礦進行分級管理，進行有效監管，預防和減少安全生產事故的發生。該系統采用先進成熟的GPRS 無線數據終端為遠程傳輸模塊，依托穩定、可靠的中國移動GPRS 網絡，系統運行可靠，數據采集實時性強。該系統有效的解決了其他通信方式存在的各種問題。在保證數據傳輸的及時、準確的前提下，將系統運行費用也降低到了最低；同時，通信鏈路由專業的運營商來維護，避免了用戶在使用監測系統的同時，還需要耗費很大精力去維護通信線路等問題；節約了用戶的初期建設投資和運行維護費用。
二、系統特點
GPRS無線組網系統具備如下特點：
1、良好的實時響應與處理能力。與短消息服務比較，由于GPRS具有實時在線特性，系統無時延，系統能夠同時實時收取、處理多個/所有監測點的各種數據，無需輪巡就可以同步監測點的時鐘可很好的滿足系統對數據采集和傳輸實時性的要求。
2、遠程儀器設備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能；
3、建設成本低：可充分利用現有GPRS網絡，設備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現場環境，還需要配備天線鐵架等附屬設備。
4、安裝調試簡單，建設周期短：利用現有成熟GPRS網絡，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調試工作量大，要先進行現場信號測試，天線鐵架架設，天線方向角度調試等工作。
4、覆蓋范圍廣。構建供水調度監控系統要求數據通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入需求。 由于管網監控點數量眾多，分布在全市范圍內，部分管網監控點位于偏僻地區，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而采用GPRS方式，理論上在無線GPRS網絡的覆蓋范圍之內，都可以實現監控。
5、數據傳輸速率高。GPRS網絡傳送速率理論上可達171.2/372kbit/s，實際應用時數據傳輸速率在40-80Kbps左右，而目前一般的超短波數傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。
6、系統的傳輸容量大。監控中心站要和每一個管網監控點實現實時連接。由于管網監控點數量眾多，系統要求能滿足突發性數據傳輸的需要，而GPRS技術能很好地滿足傳輸突發性數據的需要。
7、通信費用低，可按時間和流量進行收費。
8、系統易于擴展和維護，在CDMA網絡的覆蓋區中，POS機可以架設在任何地點。
三、系統組成
礦井安全遠程監測無線網絡系統是一個集電子技術、網絡通信、傳感器技術、數據采集、信號處理、信息管理以及軟件工程等多任務、多層次、多種技術于一體的綜合系統。礦井安全遠程監測無線網絡系統由地面監控中心站、GPRS 無線數據終端、各種井下分站、井下隔爆兼本質安全型多路電源、遠程斷電器、各種礦用傳感器和礦用機電控制設備，及安全生產監測軟件組成。
1、現場數據采集端
現場采集子站由二次儀表連接傳感器通過RS-232通訊口與GPRS DTU（無線數據終端）連接，每一個GPRS 無線數據終端裝入一個中國移動的數據SIM 卡。為防止井下瓦斯煤塵火災等事故危害人身和設備安全，在井下各采區工作面、掘進頭及主要巷道、機電峒室等處設置瓦斯、溫度、一氧化碳、風速、負壓等各類環境監測傳感器，在風門處設置風門開關對井下通風環境設施的狀況進行監測，并對風機等機電設備的運行狀況監測和控制，分站將監測信息傳送到地面中心站。當瓦斯等參數超限時（可根據具體情況自行設置斷電、復電值），可對有關設備進行實時斷電。系統將充分利用煤礦現有傳感器及技術資源，并保證所有傳感器（采集頻率為200-1000Hz 的標準信號。部分廠家的傳感器輸出為4-20mA，可以通過 “信號轉換器”來轉換為200-1000Hz 信號）在接入系統后能正常工作。
井下分站和傳感器安裝在井下具有煤塵、沼氣、一氧化碳等危險氣體的環境中，對煤礦井下的各種安全、生產參數進行實時監測和處理，并將安全生產參數經由GPRS 無線數據終端及時傳輸到地面中心站。各種數據由分站和中心站處理，并能按要求直接發出聲、光報警和斷電控制信號。地面中心站經過GPRS 無線數據終端采用GPRS 網絡與井下分站聯結通信。通過系統可以準確，全面地了解井下安全情況和生產情況，實現對災害事故的早期和預報，并能及時地自動處理。生產調度人員可以掌握井下設備運行情況，準確地指揮生產。
2、監控中心
礦井安全遠程監測無線網絡系統的監控中心為地面聯網的2臺計算機：監控主機和副機，當主機出現故障時，副機立即代替主機進行監控，計算機通過通信接口不斷地與各個分站進行數據通信，分站和測點可分布于地面或井下任何地方，分站采集各測點傳感器的信號，通過GPRS 無線數據終端與通信接口相連，向主機傳遞數據，同時分站又不停地對所接的傳感器巡測，進行數據預處理、顯示或根據需要控制輸出。系統主機不斷地把接收到的各分站測點數據實時處理、顯示并定時存盤。
3、GPRS DTU特點及介紹
DTU是指數據終端設備（Data Terminal unit）,可以理解為下位GPRS發射終端，在進行通信時，傳輸數據的鏈路兩端肯定存在DTU.在它的作用下對所傳信息進行格式轉換和數據整理校驗。
GPRS DTU全稱GPRS數據傳輸單元，在國內目前實際上對GPRS DTU具有更加明確的約定：GPRS DTU是專門用于將串口數據通過GPRS 網絡進行傳送的GPRS無線設備。
2）GPRS/CDMA功能及特點
◆內部集成TCP/IP協議棧
GPRS DTU內部封裝了PPP撥號協議以及TCP/IP協議棧并且具有嵌入式操作系統，從硬件上，它可看作是嵌入式PC與無線GPRS MODEM的結合；它具備GPRS撥號上網以及TCP/IP數據通信的功能。
◆提供串口數據雙向轉換功能
GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都屬于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU在設計上大都將串口數據設計成“透明轉換”的方式，也就是說GPRS DTU可以將串口上的原始數據轉換成TCP/IP數據包進行傳送，而不需要改變原有的數據通信內容。因此，GPRS DTU可以和各種使用串口通信的用戶設備進行連接，而且不需要對用戶設備作改動。
◆）支持自動心跳，保持永久在線
GPRS通信網絡的優點之一就是支持GPRS終端設備永久在線，因此典型的GPRS DTU在設計上都支持永久在線功能，這就要求DTU包含了上電自動撥號、采用心跳包保持永久在線（當長時間沒有數據通信時，移動網關將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數據中心在連接被斷開之前發送一個小數據包，以保持連接不被斷開）、支持斷線自動重連、自動重撥號等特點。
◆支持參數配置，永久保存
GPRS DTU作為一種通信設備，其應用場合十分廣泛。在不同的應用中，數據中心的IP地址及端口號，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都應支持參數配置，并且將配置好的參數保存內部的永久存儲器件內（一般為FLASH或EEPROM等）。一旦上電，就自動按照設置好的參數進行工作。
◆支持用戶串口參數設置
不同用戶設備的串口參數有所不同，DTU連接用戶設備的串口時，要根據用戶設備串口的實際參數對DTU端進行相應設置，保證用戶設備的正常通信和可靠數據傳輸。
◆符合工業化設計適應惡劣環境能力更強
◆ RS232 串口速率高達230400 bps
◆ 支持RS232 三線標準或九線標準
◆ 內置TCP/IP 協議棧，支持TCP/UDP 網絡協議
◆ 數據終端永遠在線
◆ 掉線自動重撥功能
◆ 通過超級終端類似于AT 指令方式或專用設置程序來設置通信參數
◆ 設備之間透明傳輸/非通明傳輸
◆ 支持靜態IP 或域名方式連接遠程主機
◆ 供電：+5V，可根據客戶需要定制寬電壓輸入
◆ 耗電：待機狀態230~330mA；上網狀態450~460mA；傳輸狀態460~470mA
◆ 工作溫度：-30℃ ~ +70℃
◆ 儲存溫度：-40℃ ~ +85℃
◆ 支持RS232/RS485/RS422串口進行通訊
四、安全可靠性
系統需要極高的系統安全保障和穩定性。安全保障主要是防止來自系統內外的有意和無意的破環，網絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩定是指系統能夠7×24小時不間斷運行，即使出現硬件和軟件故障，系統也不能中斷運行。
數據中心可通過公網使用VPN接入到移動GPRS網，采用VPN方式成本比較低，企業不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經過Ｒａｄｉｕｓ服務器的認證整個數據傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網絡服務質量。
另外，數據中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩定可靠。
對于安全性要求非常高的系統，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統的安全性。
1、VPN虛擬專網模式：企業內部網絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業內部虛擬專網的方式與Internet進行隔離，可對整個數據傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。
2、利用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統的范圍,只有屬于指定行業的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數據中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、對于特定用戶，可通過數據中心分配特定的用戶ID和密碼，其他沒有數據中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統，系統的安全性進一步增強。
五、總結
采用GPRS無線傳輸數據通訊方法解決了遠程監測系統的通訊問題，比起其它有線通訊方式有著不可比擬的優越性。隨著GPRS網絡的逐漸完善和應用技術的不斷成熟，GPRS的應用領域也會越來越廣闊。本文介紹的GPRS無線傳輸系統可推廣至各種金融、水務、環保、煤氣、交通等行業應用當中去。
