基于GPRS的水質(zhì)自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陸 勃 ，董顯玲 ，孫曉杰

（1.德州市水利局水利勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 德州 253014；2.德州市水利局水科所，山東 德州 253014)

供水系統(tǒng)中水質(zhì)的優(yōu)劣，與居民的健康息息相關(guān)，同時(shí)也直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的諸多環(huán)節(jié)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)的研究與實(shí)施，必須依靠最底層的水質(zhì)數(shù)據(jù)。而水質(zhì)監(jiān)控跨越地域范圍廣，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多，數(shù)據(jù)量小，環(huán)境惡劣，采集現(xiàn)場(chǎng)分布離散，不適合搭建有線通訊網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)要求通訊可靠，在汛期或灌溉期輪詢時(shí)間短。GPRS可以滿足上述要求。

1 GPRS技術(shù)概述

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)是在原有GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn) （SGSN）和網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)中心（PTMSC）等功能實(shí)體，GSM用戶提供高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適合于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)也比較適合于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用場(chǎng)合。

GPRS技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度、傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，比較適合于監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸頻繁、一次性傳輸數(shù)據(jù)量小的水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用中國(guó)移動(dòng)的GPRS業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。 GPRS DTU（GPRS Data Terminal Unit）與水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備通訊，將現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息打包，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)在組成結(jié)構(gòu)上分為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、輔助模塊4部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊選用美國(guó)YSI公司的智能多參數(shù)儀。此為一種多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)收集分析系統(tǒng)。筒狀的多參數(shù)主機(jī)是一個(gè)水體監(jiān)測(cè)裝置，放置在水中用于收集水質(zhì)數(shù)據(jù)。多參數(shù)主機(jī)可以配置多種探頭，每個(gè)探頭上有一個(gè)或多個(gè)傳感器。根據(jù)需要選擇，可以測(cè)量電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、溶解氧、酸堿度、氨氮、濁度、藍(lán)綠藻等水質(zhì)參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

選用國(guó)產(chǎn)的GPRS DTU和CDMA DTU無(wú)線數(shù)傳模塊。GPRS DTU將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心；CDMA DTU配合一部網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)將智能數(shù)據(jù)采集儀投放點(diǎn)處的水情視頻圖像實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心。啟動(dòng)系統(tǒng)并建立可靠通訊鏈路后，監(jiān)控中心經(jīng)過(guò)向數(shù)據(jù)采集儀發(fā)送喚醒、采集、休眠等命令操作數(shù)據(jù)采集儀。GPRS DTU將采集到的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行分析處理。CDMA DTU實(shí)時(shí)傳送圖像，便于監(jiān)控人員對(duì)水體水情的直觀了解。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

監(jiān)控中心采用固定IP 連接至Internet。數(shù)據(jù)經(jīng)公用Internet實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。監(jiān)控中心安裝4臺(tái)服務(wù)器：通信服務(wù)器、監(jiān)控中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器。通信服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)代理轉(zhuǎn)發(fā)通信設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份。監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、存儲(chǔ)等功能。WEB服務(wù)器對(duì)授權(quán)的普通GPRS終端的用戶提供實(shí)時(shí)、在線的數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，用戶可以隨時(shí)隨地了解需要的水質(zhì)數(shù)據(jù)，以便在水體污染事故發(fā)生時(shí)縮短反應(yīng)時(shí)間。

2.4 輔助設(shè)備模塊

UPS電源：可以在停電情況下自動(dòng)投切，以保證測(cè)量站數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)墓╇?，保證系統(tǒng)可靠工作。

安防系統(tǒng)：探照燈和紅外報(bào)警器。在數(shù)據(jù)采集儀投放處安放。紅外報(bào)警器和探照燈實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，非工作人員無(wú)故靠近時(shí)，會(huì)自動(dòng)聲音告警，并打開(kāi)照射數(shù)據(jù)采集儀的探照燈，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

浮漂：使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集儀處實(shí)行監(jiān)控，畫面由CDMA視頻無(wú)線傳輸終端實(shí)時(shí)地傳送到監(jiān)控端，以便監(jiān)控人員對(duì)水質(zhì)采集點(diǎn)的水情實(shí)時(shí)直觀了解。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

3.1 數(shù)據(jù)接收

監(jiān)控中心經(jīng)應(yīng)用軟件初始化后呼叫數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)送至GPRS DTU。DTU將數(shù)據(jù)打包以UDP包的形式經(jīng)空中接口傳送到移動(dòng)的服務(wù)器，最后經(jīng)公用Internet網(wǎng)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。

GPRS數(shù)據(jù)中心與系統(tǒng)的應(yīng)用軟件接口以動(dòng)態(tài)連接庫(kù)UDP/IP鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。本系統(tǒng)單次采集的數(shù)據(jù)量小，安全要求低。因此采用UDP方式，省卻建立TCP/IP鏈路的消耗。

對(duì)于不希望對(duì)原有系統(tǒng)軟件進(jìn)行改動(dòng)的應(yīng)用方式通?？刹捎锰摂M串行口（VSP）的連接方式。其易于網(wǎng)絡(luò)采集點(diǎn)的擴(kuò)展，幾乎不受網(wǎng)點(diǎn)規(guī)模的限制，可以在中國(guó)移動(dòng)的全網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)使用。跨省份、跨地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)也非常容易組建。可實(shí)現(xiàn)集中網(wǎng)絡(luò)管理，可用SNMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)點(diǎn)設(shè)備的集中管理。

3.2 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控中心服務(wù)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并提供相關(guān)的業(yè)務(wù)服務(wù)，包括：基本信息管理、地理信息管理、遠(yuǎn)程操作管理、水質(zhì)監(jiān)測(cè)管理、售水業(yè)務(wù)管理、統(tǒng)計(jì)分析管理、報(bào)表輸出管理等。

本系統(tǒng)水質(zhì)數(shù)據(jù)采樣周期為一小時(shí)。監(jiān)控中心在接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，匯總形成完整的日?qǐng)?bào)，并實(shí)時(shí)地繪制出各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的變化趨勢(shì)曲線。

3.3 異常數(shù)據(jù)處理

監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器中安裝人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）技術(shù)編寫的應(yīng)用程序。ANN程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤分析，尋找待測(cè)水體水質(zhì)參數(shù)變化與外界條件的關(guān)系，總結(jié)其內(nèi)在的變化規(guī)律。根據(jù)推導(dǎo)出的關(guān)系，制定出待測(cè)水體水質(zhì)參數(shù)正常變化范圍表。一旦數(shù)據(jù)超出此范圍立即示警，并通過(guò)監(jiān)控中心服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)處理預(yù)案。

遇到汛期，流域水體污染等水質(zhì)異常情況，監(jiān)控中心能主動(dòng)發(fā)出預(yù)警并啟動(dòng)相應(yīng)處理預(yù)案。數(shù)據(jù)異常與否取決以下3個(gè)方面：1）各探頭讀數(shù)精度的嚴(yán)格取值范圍；2）當(dāng)?shù)厮块T提供的水質(zhì)基本參數(shù)；3）利用ANN總結(jié)出的水質(zhì)正常變化范圍表。超出這些值即為異常。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)已應(yīng)用于水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行良好。實(shí)踐證明，利用GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化、層次化、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系。系統(tǒng)運(yùn)行可靠，擴(kuò)展更新方便，運(yùn)行費(fèi)用低廉。不僅可以在監(jiān)控中心MIS網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，還可通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)在家辦公，也可通過(guò)具備GPRS功能的手機(jī)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入，做到隨時(shí)隨地了解水質(zhì)信息，及時(shí)處理異常情況。

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