基于GPRS 的土壤及大氣環(huán)境腐蝕性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

解曉飛,王 巖

(天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 301607)

基于GPRS 的土壤及大氣環(huán)境腐蝕性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

解曉飛,王 巖

(天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津市 301607)

管道、容器等地面設(shè)施金屬腐蝕的主要原因是管道、容器所處土壤及大氣環(huán)境的腐蝕性?；?GPRS遠(yuǎn)程傳輸?shù)耐寥兰按髿猸h(huán)境腐蝕性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)單片機(jī)控制M DA-3檢測(cè)儀與GPRS技術(shù)來(lái)了解跟蹤不同地區(qū)土壤及環(huán)境腐蝕狀況。

GPRS;土壤;大氣環(huán)境;腐蝕性

一、建立土壤及大氣環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的意義

對(duì)土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的監(jiān)測(cè)工作具有地域廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般安裝在野外,采用導(dǎo)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)方式不現(xiàn)實(shí),采用架設(shè)中心接收站的方式,不但成本高,而且覆蓋范圍也有限。比較好的解決方案是實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)。GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù),目的是為GSM用戶(hù)提供分組形式的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS以其使用方便、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域,如遠(yuǎn)程抄表、健康監(jiān)控等。利用廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤及大氣環(huán)境腐蝕性數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸就成為解決土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的監(jiān)測(cè)工作問(wèn)題的完美解決方案,是GPRS在應(yīng)用領(lǐng)域的又一次拓展與開(kāi)發(fā)。筆者參與研究的大慶油田設(shè)計(jì)院土壤防腐辦公室立項(xiàng)開(kāi)發(fā)課題“土壤及大氣環(huán)境腐蝕性實(shí)時(shí)采集及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”就是一個(gè)比較成功的案例。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是:運(yùn)用GPRS技術(shù)通過(guò)高精度的數(shù)據(jù)采集裝置得到各類(lèi)土壤環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心,利用專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提高土壤及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)管理的自動(dòng)化、信息化水平,并通過(guò)給用戶(hù)提供各區(qū)域的土壤及大氣腐蝕特性信息,來(lái)指導(dǎo)地面設(shè)施腐蝕防護(hù)工作的開(kāi)展,以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命,節(jié)約生產(chǎn)成本。

二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目的總體目標(biāo)是:建立一套完善的、有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的、安全可靠的無(wú)人值守土壤及大氣環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域合理布點(diǎn),運(yùn)用高精度的數(shù)據(jù)采集裝置得到各類(lèi)土壤環(huán)境數(shù)據(jù),如土壤的氧化還原電位 Eh、腐蝕電位、電位梯度、含水率、鹽份、電阻率、溫度、ph值等,并采用先進(jìn)高效的GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到中心站,并利用微機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理,對(duì)數(shù)據(jù)做各種專(zhuān)業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析,得出用戶(hù)所需的直觀(guān)顯示和文字描述的分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果報(bào)告。

系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集中收發(fā)、遠(yuǎn)程傳輸及數(shù)據(jù)管理分析軟件四個(gè)子系統(tǒng)組成。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)的采集;數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)用于控制采集器M DA-3的采集和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,同時(shí)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和設(shè)備故障監(jiān)測(cè);遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)用于將已經(jīng)數(shù)字化的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)庫(kù);數(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和分析統(tǒng)計(jì),并輸出各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和分析報(bào)告。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示:

圖1 土壤及大氣腐蝕性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境多種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。首先在確定好的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)安放各類(lèi)檢測(cè)傳感器,并通過(guò)高精度的A/D轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本部分中考慮到較遠(yuǎn)距離的檢測(cè)時(shí)信號(hào)的衰減情況,為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性,采取了必要的措施保證檢測(cè)信號(hào)的有效傳輸。具體實(shí)現(xiàn)方法是:在檢測(cè)傳感器后端安裝信號(hào)放大器,然后將放大的信號(hào)傳送到檢測(cè)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換設(shè)備,該設(shè)備采用中科院南京土壤所技術(shù)服務(wù)中心生產(chǎn)的 M DA-3多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在將模擬信號(hào)輸入M DA-3前需要將信號(hào)還原為初始檢測(cè)信號(hào)。信號(hào)采集與傳送的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示:

2.數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)主要功能有三個(gè):

(1)通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)采集和傳輸命令,控制采集器M DA-3腐蝕數(shù)據(jù)的采集,并負(fù)責(zé)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失,系統(tǒng)采用f lash存儲(chǔ)器,最長(zhǎng)可儲(chǔ)存3個(gè)月的數(shù)據(jù)。同時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用插座式安裝,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)用戶(hù)可以采用直接讀取芯片數(shù)據(jù)的方法提取數(shù)據(jù),增加了數(shù)據(jù)的安全性。

(2)負(fù)責(zé)控制GPRS終端裝置D TU發(fā)送數(shù)據(jù)及提示管理員提取數(shù)據(jù)。此功能有三個(gè)可選方式,一是定時(shí)發(fā)送提示短信通知管理員提取數(shù)據(jù);二是定時(shí)跟中心站聯(lián)系向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),此方式是D TU主動(dòng)連接中心站,系統(tǒng)連接2-3次未能連接時(shí)放棄連接,等待下次繼續(xù)連接,此功能避免了由于D TU連接中心站而造成的流量浪費(fèi),如中心站一直沒(méi)有上線(xiàn),當(dāng)數(shù)據(jù)將滿(mǎn)時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過(guò)短信提示管理員提取數(shù)據(jù);三是儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)將滿(mǎn)時(shí)每天向管理員發(fā)送提示信息,通知管理員提取數(shù)據(jù)。

(3)設(shè)備故障監(jiān)測(cè)功能。此功能主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),顯示故障的線(xiàn)路,并向管理員手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

系統(tǒng)還增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊,為系統(tǒng)提供時(shí)間,使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地判斷采集的時(shí)間和發(fā)送提示短信的時(shí)間,采集到的數(shù)據(jù)有準(zhǔn)確的時(shí)間,便于存儲(chǔ)和查詢(xún)。

圖2 信號(hào)采集與傳送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于單片機(jī)與M DA-3與D TU數(shù)據(jù)傳輸均采用串行通訊模式,而單片機(jī)只有一個(gè)串行通訊口,系統(tǒng)需要進(jìn)行串口擴(kuò)展。擴(kuò)展采用SP2338實(shí)現(xiàn)。SP2338是一種新型的單片機(jī)串口擴(kuò)展芯片,該芯片能將普通的51系列單片機(jī)的一個(gè)串口擴(kuò)展為三個(gè)獨(dú)立的全雙工串口,并且三個(gè)串口的波特率達(dá)到了9600bps。SP2338共有四個(gè)串口,一個(gè)母串口,三個(gè)子串口,它們都是全雙工的串行通信口,允許同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。母串口與需要擴(kuò)展的51單片機(jī)的串口相連,子串口與其他串口設(shè)備相連,這樣就實(shí)現(xiàn)了只有一個(gè)串口的單片機(jī)可與三個(gè)串口設(shè)備相連。各功能模塊如圖3所示:

圖3 數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)功能模塊圖

3.遠(yuǎn)程傳輸子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)的功能是將已經(jīng)數(shù)字化的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到中心站數(shù)據(jù)庫(kù)。采用GPRS-M OD EM—GPRS—D TU的組網(wǎng)方式,組網(wǎng)靈活,中心站移動(dòng)方便。根據(jù)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)GPRS-D TU端采用多種上線(xiàn)方式:中心站喚醒上線(xiàn)方式、短信喚醒方式、振鈴方式、硬件控制方式。中心站喚醒方式是通過(guò)中心站軟件喚醒D TU上線(xiàn)或通過(guò)固定電話(huà)喚醒D TU上線(xiàn);短信喚醒方式是用戶(hù)以短信方式向D TU端發(fā)送命令,喚醒D TU上線(xiàn);振鈴方式是用手機(jī)撥打D TU端電話(huà)號(hào)碼,喚醒其上線(xiàn);硬件控制方式是采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)方式時(shí)使用的一種喚醒方法,以硬件控制D TU上線(xiàn)與中心站聯(lián)系,當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完畢時(shí),控制D TU自動(dòng)下線(xiàn)。

經(jīng)過(guò)論證比較,此部分采用了(GM S,CDM A)公網(wǎng)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸方式實(shí)現(xiàn)。GPRS允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù),而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。從而提供了一種高效、低成本的無(wú)線(xiàn)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2Kb/s,實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在10～70Kb/s,在此信道上提供TCP/IP連接,可以用于IN TERN ET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。為實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制和正確接收,在接收端開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收軟件模塊。系統(tǒng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸工作原理

4.數(shù)據(jù)管理分析軟件子系統(tǒng)

軟件子系統(tǒng)是一個(gè)土壤及大氣腐蝕性數(shù)據(jù)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用的管理軟件,用于實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)得到的各類(lèi)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進(jìn)行綜合管理,并依據(jù)數(shù)學(xué)模型對(duì)檢測(cè)信息進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),并輸出各類(lèi)統(tǒng)計(jì)報(bào)表和分析報(bào)告,提供腐蝕性分布等技術(shù)信息。軟件功能主要包括:

(1)數(shù)據(jù)采集控制功能。通過(guò)GRPS向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測(cè)終端發(fā)送控制命令、設(shè)置檢測(cè)參數(shù)、起動(dòng)檢測(cè)過(guò)程,并接收檢測(cè)終端發(fā)送回來(lái)的檢測(cè)數(shù)據(jù)、保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(2)信息查詢(xún)功能。根據(jù)需要,有選擇的查詢(xún)各類(lèi)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息,包括實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),查詢(xún)結(jié)果可以以報(bào)表格式顯示,也可以以數(shù)據(jù)變化曲線(xiàn)圖的形式顯示。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。對(duì)各類(lèi)檢測(cè)到的土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì),如按時(shí)間統(tǒng)計(jì)、按技術(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)、按區(qū)域統(tǒng)計(jì)等,輸出統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

(4)專(zhuān)業(yè)分析功能。結(jié)合土壤防護(hù)和環(huán)境監(jiān)控專(zhuān)業(yè)知識(shí),建立科學(xué)的數(shù)學(xué)分析模型,對(duì)土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進(jìn)行專(zhuān)業(yè)技術(shù)分析,輸出各類(lèi)分析結(jié)果報(bào)告,為國(guó)家地面建設(shè)提供參考依據(jù)。

(5)用戶(hù)管理。包括用戶(hù)登錄管理、用戶(hù)信息管理、權(quán)限管理等。

三、應(yīng)用測(cè)試與討論

本系統(tǒng)于2008年底在新疆油田、大港油田進(jìn)行應(yīng)用性測(cè)試。測(cè)試中,傳送的土壤腐蝕性及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)都準(zhǔn)確無(wú)誤地到達(dá)了接收方,傳輸質(zhì)量非常穩(wěn)定,且傳輸距離可以達(dá)到GSM網(wǎng)絡(luò)能達(dá)到的地方。GPRS能實(shí)現(xiàn)“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”,所以一旦建立GPRS連接,就可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),不需再撥號(hào)。由于土壤腐蝕性及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)量不大(一般每小時(shí)采集一組數(shù)據(jù)),所以耗費(fèi)的GPRS通信費(fèi)也是很少的,根據(jù)目前中國(guó)移動(dòng)的資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),以采用20元包月送1M bytes的資費(fèi)方式、采集10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算,每月花費(fèi)大概在200元左右。

[1]朱洪波,等譯.J R(Bud)Bates.通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2]唐山藍(lán)迪通信科技有限公司.DG6000-GPRS D TU技術(shù)手冊(cè).

A bs tra c t:Some ground facilities likemetal pipes and vessels are easy to be corroded because of the corrosive nature of the soil and atmospheric environment w here they are located.The app lication of GPRS-based real-time monitoring system makes it possible to track the corrosion situation of various soil and environment.

Ke y w o rd s:GPRS;soil;atmospheric environment;corrosiveness

Research on the GPRS-based Real-time M onito ring System of Soil&A tm ospheric Environm ent’s Corrosiveness

XIE Xiao-fei,WANG Yan

(Tianjin Petroleum Vocational and Technical College,Tianjin 301607 China)

TN 98

A

1673-582X(2011)02-0063-04

2010-11-10

解曉飛(1969-),男,河北高陽(yáng)人,天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化教研室副主任,碩士,研究方向:控制理論與控制工程;王巖(1971-),女,天津市人,天津石油職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師,碩士,研究方向:高職學(xué)生心理咨詢(xún)與心理健康教育。