基于無線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

廣西工學院電控系 何偉剛 吳其琪

1.引言

早期水質(zhì)監(jiān)測主要通過定時定點在河流的代表性斷面取得瞬時水樣后在實驗室里通過技術(shù)分析手段的方法實現(xiàn)水質(zhì)的監(jiān)測目的，但是這種人工抽查的監(jiān)測手段發(fā)揮的作用很有限，不能將實際不斷變化著的動態(tài)數(shù)據(jù)及時、準確、有針對性的獲得，從而影響了后期分析的正確性。21世紀水利水質(zhì)監(jiān)測任務作為系統(tǒng)工程的主要研究對象仍是流域或區(qū)域水環(huán)境，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)僅僅只是它的組成的基礎(chǔ)部分，工作的重心是將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行信息化處理，在全國水質(zhì)站網(wǎng)和監(jiān)測信息中心的網(wǎng)絡互聯(lián)和信息互通，統(tǒng)計、分類和整合各級監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)，建立與數(shù)據(jù)對應的水體分析模型來預測實際水質(zhì)情況，可為未知水資源的開發(fā)利用、優(yōu)化保護現(xiàn)有水環(huán)境提供有力支持。設計一個系統(tǒng)，內(nèi)含詳盡的國家飲用水物質(zhì)數(shù)據(jù)指標，一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)不符合標準即時警告，并能實現(xiàn)監(jiān)測實時、連續(xù)化，設備簡便化。

2.監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要包括水樣采集控制子系統(tǒng)、水質(zhì)和水量監(jiān)測以及數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理控制子系統(tǒng)五大部分組成。

(1)水樣采集控制子系統(tǒng)，包括的部分有傳感器、采水單元、配水單元傳感器的組成部件通常有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及相應的機械結(jié)構(gòu)和電子線路。包括水泵、管路、供電及安裝結(jié)構(gòu)部分。在設計上必須對各種氣候、地形、水位變化及水中泥沙等提出相應的解決措施，并能夠自動連續(xù)地與整個系統(tǒng)同步工作，給系統(tǒng)提供可靠、有效的水樣。配水單元主要有水樣預處理裝置、自動清洗裝置及輔助部分三部分。配水單元的水壓和水量應滿足監(jiān)測儀器的要求，它負責供水給監(jiān)測儀器、去除水的泥沙和過濾，自動/手動兩用管道的反沖洗和除藻。預處理單元水樣進入五參數(shù)測試池之前沒有任何過濾和攔截，最大限度保持水樣完整性，不影響五參數(shù)測試。

(2)監(jiān)測系統(tǒng)主要分為監(jiān)測管理中心、區(qū)域監(jiān)控站和監(jiān)控終端三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。監(jiān)測管理中心的主要部分包括數(shù)據(jù)服務器和監(jiān)控業(yè)務臺，負責完成全網(wǎng)所有監(jiān)控信息的采集、統(tǒng)計、處理和比對分析，同時也將這些信息傳送給區(qū)域監(jiān)控站。每個終端收集所有數(shù)據(jù)后存儲在服務器中。管理中心是收集統(tǒng)計，查詢和分析監(jiān)測終端實時數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和報警信息系統(tǒng)平臺，也是統(tǒng)計結(jié)果和監(jiān)測情況曲線的地方。電腦上的系統(tǒng)，對應在局部地區(qū)監(jiān)測站，由具有強大的數(shù)據(jù)處理能力的中心監(jiān)測系統(tǒng)集中控制，主要負責監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)統(tǒng)計的各監(jiān)測點的實時情況。此外，所有監(jiān)測終端都采用了抗干擾能力強的PLC可編程邏輯器件，負責采集針對某些特定指標的數(shù)據(jù)(監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

(3)信息傳輸子系統(tǒng)采用GSM無線短消息、GPRS和公用電話網(wǎng)等平臺將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控信息管理中心，同時也會接收來自于本中心的各類無線數(shù)據(jù)監(jiān)控指令。

單片機接收到終端的數(shù)據(jù)信息后，要通過GPRS通信網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心。GPRS模塊使用了內(nèi)部集成GSM控制器、TCP/IP協(xié)議，同時提供了2個串口等。該模塊提供GSM語音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務，具有標準AT命令接口，支持RS-232異步串行通信，由呼叫控制指令、網(wǎng)絡服務命令、電話本命令、短消息命令和自定義命令等組成，使用AT命令集可實現(xiàn)模塊系統(tǒng)操作。把無線收發(fā)模塊到上位機的系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)GSM短信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務在上位機和監(jiān)控信息管理中心之間的雙向傳輸。除了通過RS-232與單片機通信外，還有一個用戶識別模塊SIM卡。SIM卡上包含了所有用戶的信息，個人識別碼可以防止SIM卡未經(jīng)授權(quán)而使用。每當移動用戶開機時，GPRS先要自動鑒別用戶的合法性，只有在系統(tǒng)認可之后，才為該用戶提供服務。

3.監(jiān)測系統(tǒng)的特點與功能

(1)穩(wěn)定、可靠、安全

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，擺脫有線的束縛的范圍廣，運行費用低，它收集的數(shù)據(jù)可立即發(fā)送到數(shù)據(jù)訪問服務器和存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，防止由于沒有數(shù)據(jù)采集終端而產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，充分保證了數(shù)據(jù)的安全性；數(shù)據(jù)采集終端與離網(wǎng)運行，當網(wǎng)絡或數(shù)據(jù)訪問服務器失敗，數(shù)據(jù)采集終端的服務將暫時存儲數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡鏈路，系統(tǒng)可恢復正常，緩存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心；另一方面，嚴格認證的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程、驗證、加密措施共同保證數(shù)據(jù)的準確性和安全性。

(2)實時在線

數(shù)據(jù)訪問服務器時，服務器和數(shù)據(jù)采集終端保持實時，并連接到環(huán)保部門，以5分鐘為間隔及時、準確的發(fā)現(xiàn)排污操作和開發(fā)污染物排放趨勢和查看實時數(shù)據(jù)變化的排放。

(3)全面控管

所有企業(yè)污染源在線監(jiān)測的同時，在相同的接口，只需要觀察屏幕上的各種業(yè)務圖標樣式或顏色就可以了解所有的企業(yè)各污染物排放口設備的運行，污染物排放濃度，流量，排放量和其他等信息。

(4)實時報警

分為超標告警，故障報警和黃色預警。

1)超標告警：污染物排放濃度超過預設值時，告警系統(tǒng)啟動，相應的企業(yè)圖標將停2)故障報警：數(shù)據(jù)采集終端或污染源在線監(jiān)測儀器故障時，系統(tǒng)會發(fā)出故障報警信號。

3)黃色預警：污染物濃度接近超過標準限值，系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號，監(jiān)管

部門據(jù)此發(fā)布信息，通知企業(yè)采取措施處理和控制污染物排放至符合標準，從而可以實現(xiàn)快速預警。

(5)豐富的統(tǒng)計與管理體制功能

依據(jù)排污申報，環(huán)境統(tǒng)計等報表要求，全面反映企業(yè)的基本情況，以圖標、表格、圖形等形式實時展現(xiàn)排污口設備的運行狀況，污染物排放濃度、流量、排放量等信息，可以匯總統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)所有污染物的排放總量，掌握和量化污染物的排放趨勢，為區(qū)域內(nèi)控制污染物排放總量提供技術(shù)支持，為環(huán)保部門現(xiàn)場執(zhí)法和排污收費提供依據(jù)。

(6)總量控制與管理

整個系統(tǒng)充分體現(xiàn)總量控制的原則，為管理提供依據(jù)，為決策提供支持，各種統(tǒng)計分析報告和圖表可以歸類總結(jié)各污染物的排放量，針對標準的總排放量的污染物可以進行直觀的比較分析，同時跟蹤總排放量每天變化趨勢的曲線得出結(jié)論，對于超過標準的數(shù)據(jù)值，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)階段的實際情況和該地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)進行分析，設定出該企業(yè)的總排放量的最大上限值，一旦接近或超過最大上限時值發(fā)出預警，這充分體現(xiàn)發(fā)展結(jié)合實際的總原則。同時借助統(tǒng)計手段總結(jié)需要控制污染物排放總量的地區(qū)的污染物排放總量趨勢，掌握和量化的趨勢污染物的排放規(guī)律，提供監(jiān)測依據(jù)和技術(shù)支持給執(zhí)法部門以及環(huán)保部門。

(7)遠程訪問

通過互聯(lián)網(wǎng)可了解各個監(jiān)控點運轉(zhuǎn)情況，獲取實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(8)日志管理

分類匯總統(tǒng)計各種報警及故障信息形成日志，通過系統(tǒng)日志能分析數(shù)據(jù)的準確性，有效性，同時還可以全面了解在線監(jiān)測設備的運行狀況，便于系統(tǒng)的管理和維護，日志管理包括報警日志、故障日志、停電日志。

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