GPRS在監(jiān)控浙江省地下水開采中的應(yīng)用

沈凱華,陳立輝

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 浙江省地下水監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀

浙江省各個(gè)地區(qū)都不同程度地存在過量開采地下水問題。杭嘉湖地區(qū)超采地下水引起地面沉降的問題尤為突出。地下水超采引發(fā)地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。在地面沉降嚴(yán)重的地區(qū),洪澇災(zāi)害加劇,橋梁凈空減少,水準(zhǔn)高程失真,部分水利工程效益衰減,城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)受到嚴(yán)重影響。為切實(shí)保護(hù)地下水資源,控制地面沉降,實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用,有必要對(duì)地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

地下水監(jiān)測(cè)是水資源統(tǒng)一管理和保護(hù)的基本內(nèi)容和重要基礎(chǔ),是一項(xiàng)長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性、公益性工作,是認(rèn)識(shí)和掌握地下水動(dòng)態(tài)變化特征、科學(xué)評(píng)價(jià)地下水資源、合理開發(fā)利用與有效保護(hù)地下水的科學(xué)基礎(chǔ)。在地下水監(jiān)測(cè)中為了實(shí)現(xiàn)信息的傳輸,所采用的信道一般有:PSTN公用電話網(wǎng)、超短波、GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信等。在各種通信信道中,衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜,適合于較重要或偏遠(yuǎn)的測(cè)站;超短波技術(shù)成熟,但易受頻率干擾,而且設(shè)立中繼站使得維護(hù)比較麻煩;PSTN從可靠經(jīng)濟(jì)的角度是不錯(cuò)的選擇,但對(duì)于較偏遠(yuǎn)的山區(qū),拉設(shè)電話線不容易,而且防雷也是一個(gè)問題。目前應(yīng)用廣泛的GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供了一種新的選擇。

2 GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

GPRS是歐洲電信協(xié)會(huì)GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn),它可以提供高達(dá)115 kbps的空中接口傳輸速率。GPRS使若干移動(dòng)用戶能夠同時(shí)共享一個(gè)無線信道,一個(gè)移動(dòng)用戶也可以使用多個(gè)無線信道。實(shí)際不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶僅占很小一部分網(wǎng)絡(luò)資源。有了GPRS,用戶的呼叫建立時(shí)間大為縮短,幾乎可以做到 “永遠(yuǎn)在線” (always online)。此外,GPRS的營(yíng)運(yùn)商能夠以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時(shí)間為計(jì)費(fèi)基準(zhǔn),從而令每個(gè)用戶的服務(wù)成本更低。

GPRS的主要特點(diǎn)有:①覆蓋范圍廣。目前GPRS已覆蓋浙江省內(nèi)大部分地區(qū),能夠滿足各個(gè)系統(tǒng)對(duì)覆蓋范圍的要求。②數(shù)據(jù)傳輸速率高。GPRS為用戶提供從9 kbps到171.2 kbps的接入速率,實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率一般在40 kbps左右,各系統(tǒng)地下水信息量并不大,因而完全能滿足各系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。③系統(tǒng)的傳輸容量大。數(shù)據(jù)中心站與每一個(gè)終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接,系統(tǒng)能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?GPRS技術(shù)特別適用于連續(xù)的、突發(fā)性的和頻繁的少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。④通信費(fèi)用低。GPRS僅按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi),也就是說,只要不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,哪怕一直“在線”,也無需付費(fèi)。⑤良好的實(shí)時(shí)響應(yīng)與處理能力。由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線特性,系統(tǒng)無時(shí)延,可很好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。

3 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地下水傳感器、遙測(cè)終端、YRGPRS通信模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、中心站等組成,地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

(1)地下水傳感器。采集水位、溫度、流量等各種地下水參數(shù)的傳感測(cè)量,水位傳感器最常用的是浮子式、壓力式傳感器;部分壓力式傳感器自帶溫度傳感器。

(2)遙測(cè)終端。遙測(cè)終端將采集到的地下水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸控制。

(3)YR-GPRS通信模塊。系統(tǒng)通過YR-GPRS通信模塊進(jìn)行信息傳輸,采樣自報(bào)應(yīng)答兼容體制。

(4)GPRS網(wǎng)絡(luò)。地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用公網(wǎng)的移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(5)中心站。各中心站將地下水信息進(jìn)行接收、整理、存貯,根據(jù)數(shù)據(jù)的編碼方式進(jìn)行解碼,然后輸入數(shù)據(jù)庫。

圖1 地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 遙測(cè)終端

遙測(cè)終端是遙測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,遙測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。遙測(cè)終端機(jī)采用多微處理器技術(shù),模塊化、低功耗以及多重抗干擾和防護(hù)設(shè)計(jì)方案。設(shè)備可連接多種類型地下水傳感器,實(shí)行太陽能供電,保證在無人值守條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;可通過遙調(diào)或現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的方式進(jìn)行功能設(shè)置、讀寫數(shù)據(jù)等操作,進(jìn)行人工干預(yù)和人機(jī)對(duì)話;可靈活配置的模塊化結(jié)構(gòu),適應(yīng)各種不同的需求。設(shè)備能夠保證在極端氣候 (包括高溫、冰凍、潮濕、雷電等)條件下正常運(yùn)行。

遙測(cè)終端是地下水信息傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備,是一種通用的RTU終端設(shè)備。作為通信中樞,遙測(cè)終端控制通信設(shè)備,完成與數(shù)據(jù)中心(平臺(tái))的通信鏈接任務(wù)。

圖2 遙測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

遙測(cè)終端機(jī)是地下水信息傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備,因此遙測(cè)終端機(jī)應(yīng)具備以下功能:

(1)數(shù)據(jù)自動(dòng)上報(bào)。遙測(cè)站可定時(shí)自報(bào)或按設(shè)定的條件主動(dòng)上傳數(shù)據(jù);

(2)自動(dòng)響應(yīng)中心站召測(cè)指令。遙測(cè)站響應(yīng)中心站要求或指令,上傳數(shù)據(jù);

(3)現(xiàn)場(chǎng)全中文顯示數(shù)據(jù)水雨情數(shù)據(jù)。包括當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)信息;

(4)手機(jī)讀取實(shí)時(shí)測(cè)站信息;

(5)具有記錄功能,可按設(shè)定的要求,記錄各類數(shù)據(jù)。大容量數(shù)據(jù)固態(tài)存儲(chǔ),可由中心站遠(yuǎn)端調(diào)用或現(xiàn)場(chǎng)讀取;

(6)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)設(shè)置各種運(yùn)行模式和參數(shù);

(7)接受中心站遠(yuǎn)程設(shè)置和控制指令;

(8)實(shí)時(shí)時(shí)鐘自動(dòng)校對(duì)和調(diào)整功能。

3.2 YR-GPRS通信模塊

移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展帶來了網(wǎng)絡(luò)、終端、應(yīng)用類型和客戶群等各方面的變化和發(fā)展。采用無線終端所進(jìn)行的無線應(yīng)用種類較多,遍及各個(gè)系統(tǒng)和領(lǐng)域。雖然有著眾多的嵌入式移動(dòng)通信模塊,但是,具體的應(yīng)用開發(fā)基本上可以歸納為2種方式:一種是由外部控制設(shè)備或者外部MCU通過串行接口,利用AT指令控制嵌入式移動(dòng)通信模塊工作;另一種是利用嵌入式移動(dòng)通信模塊中的MCU控制模塊的工作。采樣方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。在地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中YR-GPRS通信模塊開發(fā)就是這種采樣方式。

地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中遙測(cè)終端機(jī)使用的YR-GPRS通信模塊由Wavecom Model嵌入式移動(dòng)通信模塊Q24 Plus、YRGPRSB板、天線等組成。

Q24 Plus具有的基本功能及主要技術(shù)參數(shù):

(1)語音功能:支持FR/EFR/AMR多種語音編碼方式,VDA2C高品質(zhì)語音;

(2)短信功能:支持TEXT和PDU;

(3)數(shù)據(jù)功能:支持內(nèi)嵌TCP/IP;支持虛擬在線,GSM上行速率42.8 kbps,下行速率85.6 kbps;

(4)輸入電壓3.2～4.5 V;

(5)待機(jī)電流:10mA;

(6)睡眠電流:2.5mA;

(7)發(fā)射功率:GSM850,EGSM900:Class4(2W)

GSM850,EGSM900:Class4(2W)。

4 工程實(shí)例

在嘉興市地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,采樣幾種不同類型的水位傳感器(浮子式和壓力式等),在壓力式傳感器中也采樣了2種不同廠家的傳感器。通過該系統(tǒng)證明,GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以作為地下水信息傳輸?shù)闹饕ㄐ欧绞?。GPRS首先引入了分組交換的傳輸模式,使得原來采用的電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化,在整個(gè)連續(xù)期內(nèi),無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨(dú)自占用無線信道。嘉興世貿(mào)站通過GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃蛔兓妶D3。嘉興市地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建成,能更好地反映全市地下水動(dòng)態(tài)變化情況,探索地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律,提高水資源管理調(diào)度水平,為嘉興市地下水保護(hù)和開采總量管理提供了科學(xué)、可靠的依據(jù)。為浙江省地下水信息采集提供了示范。

圖3 嘉興世貿(mào)站地下水位變化圖

5 結(jié) 語

通過對(duì)目前國(guó)際上現(xiàn)有的通訊通道的分析比較,并經(jīng)過嘉興市地下水信息傳輸多年的實(shí)踐,發(fā)現(xiàn)GRRS作為浙江省地下水信息傳輸?shù)耐ǖ?具有費(fèi)用低、無延時(shí)、不怕雷擊、覆蓋范圍廣等特點(diǎn),可在浙江省其它地下水開采信息傳輸中推廣,這對(duì)切實(shí)保護(hù)浙江省地下水資源,控制地面沉降,實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用具有重要意義。