GPRS 技術在供水工程無線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

武 建，徐永兵，劉 艋，于淼淼

（山東省水利勘測設計院， 山東 濟南 250013）

0 引言

由于供水管網(wǎng)地理位置分散，采集、控制功能對穩(wěn)定性和安全性要求較高。過去通常采用人工抄表、電話報數(shù)、現(xiàn)場手動操作的原始調(diào)度方法，供水管網(wǎng)中的故障只能靠人工巡檢來完成，對工人的職業(yè)操守和責任心依賴較大，存在信息量少，不便于收集，處理效率低等弊端；帶來的結(jié)果則是調(diào)度能力差，無法適應新時期優(yōu)化調(diào)度的要求，尤其遇到爆漏等突發(fā)事件時，無法立即獲取情報?？偟膩碚f只能停留在不缺水或保持正常運行的層面上。

建設無線供水監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的是解決上述難題，對分散在各個管網(wǎng)測點的工作狀況進行監(jiān)控和管理，并及時采集重要的水量等信息，為城市供水優(yōu)化調(diào)度提供科學的數(shù)據(jù)依據(jù)。無線傳輸方式有多種，在此，討論目前技術較為成熟且運行成本相對低廉的 GPRS 技術在無線供水監(jiān)測系統(tǒng)中的應用。

1 無線 GPRS 通訊

GPRS 在許多方面都具有顯著的優(yōu)勢，主要用于實時性高數(shù)據(jù)量較大的遠程數(shù)據(jù)傳輸過程，如環(huán)保監(jiān)測、水文檢測、車輛定位系統(tǒng)等領域，具有可靠性高和成本低等優(yōu)勢[1]。

無線數(shù)據(jù)通信選用 GPRS 網(wǎng)絡作為通信平臺，監(jiān)測中心服務器通過公用網(wǎng)與無線 GPRS 網(wǎng)絡連接。

1.1 服務器作為 TCP 連接的服務端

監(jiān)控中心服務器的 GPRS 服務程序啟動后，作為 TCP 連接的服務端始終處于指定端口偵聽服務狀態(tài)，等待所有遠端 GPRS 模塊作為客戶端與其注冊連接。

1.2 監(jiān)測點的 GPRS 模塊作為 TCP 連接的客戶端

監(jiān)測終端的 GPRS 模塊上網(wǎng)后得到的 IP 地址是由移動公司動態(tài)隨機分配的，而監(jiān)測中心的 ADSL 的 IP 地址是固定不變的，因此該模塊需要主動向監(jiān)控中心進行 TCP 連接，實現(xiàn)雙向的 TCP 網(wǎng)絡通信[2]。

監(jiān)測中心的固定 IP 及端口號，通過初始化程序?qū)⑵渑渲玫?GPRS 模塊中，模塊掉網(wǎng)后，通過自復位電路和程序重新上網(wǎng)與監(jiān)控中心進行連接。

1.3 監(jiān)測中心交換機的作用

監(jiān)測中心交換機是 ADSL 外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的橋梁，負責 ADSL 掉網(wǎng)后自動撥號上網(wǎng)，把一個端口映射給服務器，同時具有防火墻可以拒絕或關閉非法用戶訪問或不用的端口，另外它也是服務器與局域網(wǎng)的橋梁[2-3]。

1.4 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸

監(jiān)控中心和監(jiān)測終端的 GPRS 模塊建立聯(lián)接成功后，監(jiān)控中心自動按指定的時間間隔（初始系統(tǒng)默認值為 5 min）輪詢各監(jiān)測點；另外，監(jiān)測中心還可以用手動方式隨時向各監(jiān)測點發(fā)指令，如全部召測、分組召測、隨機抽測等。監(jiān)測點通過 GPRS 模塊除接收執(zhí)行，并回傳中心指令外，還自動上報各類超限報警[4]，組成如圖 1 所示。

圖1 GPRS 系統(tǒng)的組成

2 臨沂城供水工程計算機檢測系統(tǒng)概況及工作原理

2.1 系統(tǒng)概況

臨沂城 30 萬 m3/d 供水工程引水部分由水源地岸堤水庫引水，基本沿臨蒙公路穿越蒙陰、沂南、蘭山 3 個縣區(qū)，至新建水廠。

輸水段：輸水部分由水源地岸堤水庫引水，基本沿臨蒙公路穿越蒙陰、沂南、蘭山 3 個縣區(qū)，至新建水廠，總長 48.8 km。工程設計引水規(guī)模為 33 萬 m3/d。

供水段：供水部分由新建水廠至青年路，總長約 17.2 km。

本實時監(jiān)測系統(tǒng)分為前端和中心 2 部分。前端由傳感器、傳感器變送、數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)炔糠纸M成，中心由數(shù)據(jù)接收部分、中心軟件分析處理系統(tǒng)組成。

2.2 檢測系統(tǒng)工作原理

供水管網(wǎng)遠端壓力流量監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測中心、無線 GPRS 通訊、監(jiān)測點采集與傳輸設備和儀表設備組成。

輸水段長約 45 km，起點和終點各設置 2 個監(jiān)測點，中間每隔 3 km 設 2 個測點（雙路管道），另外在界牌、垛莊、雙候及青駝 4 鄉(xiāng)鎮(zhèn)的分水口各設 1 個測點，共設 36 個測點。

供水段長約 17.2 km，起點和終點各設置 2 個測點，中間每隔 3 km 設 2 個測點，合計 14 個測點。

取水口設置 1 臺高速智能球和 1 臺固定槍型攝像機及編解碼設備，通過無線網(wǎng)橋?qū)⑿畔鬏斨涟兜趟畮旃芾砭?，再通過廣域網(wǎng)將信號傳輸至水廠。

監(jiān)測中心設在公司供水中心。硬件部分由 2 臺服務器組成的雙機熱備系統(tǒng)、1 臺工業(yè)控制機、1 臺ASDL 外網(wǎng)寬帶調(diào)制解調(diào)器、1 臺帶防火墻的交換機和 1 個 GPRS 通訊設備組成，服務器做成磁盤鏡像系統(tǒng)；軟件部分由三維力控組態(tài)和供水監(jiān)測應用管理 2 個軟件組成。

監(jiān)測中心的服務器與專用交換機相連，專用交換機通過防火墻與 ADSL 的外網(wǎng)接入設備相連，同時專用交換機與公司局域網(wǎng)連接。這樣，局域網(wǎng)內(nèi)的任何計算機終端均可通過 Windows 系統(tǒng)的 IE 瀏覽器進行 Web 方式查詢?yōu)g覽；服務器的組態(tài)軟件通過相應的 GPRS 組件通過 GSM 無線網(wǎng)與監(jiān)測終端的 GPRS 模塊相連，服務器中相應的供水管網(wǎng)監(jiān)測管理程序則利用組態(tài)軟件平臺完成供水管網(wǎng)遠端的監(jiān)測管理任務，同時通過 IIS 提供 Web 查詢?yōu)g覽服務[5-6]，如圖 2 所示。

圖2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

監(jiān)測中心服務器可以驅(qū)動 GPRS 通信模塊向監(jiān)測點 RTU 下發(fā)初始化信息、配置信息、控制命令，以及接收下位機上報的數(shù)據(jù)及報警信息，同時對采集的壓力、流量等數(shù)據(jù)進行保存和管理，提供查詢、統(tǒng)計、報表等功能。

實時和歷史時間點（段）的數(shù)據(jù)將由 Web 站點向分配權(quán)限的用于提供不同級別的在線服務，用戶通過瀏覽器登陸 Web 可以查看實時和歷史時間點（段）數(shù)據(jù)。通過該系統(tǒng)的使用，動態(tài)掌握輸水管線的運行情況，做到合理調(diào)度，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率及公司的生產(chǎn)管理水平。

3 系統(tǒng)功能

1）數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與處理功能。系統(tǒng)能夠以圖示和報表的形式實時展現(xiàn)各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息，并可依據(jù)用戶需求統(tǒng)計、分類和存儲測算的最值，均值，累加值等信息。

2）監(jiān)測中心具有在線統(tǒng)計分析功能。根據(jù)采集的各監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析出供水的運行狀態(tài) ，顯示經(jīng)濟負荷、超負荷管段，以及水廠水流的方向、供水低壓區(qū)、高壓區(qū)、合格水壓區(qū)等信息。

3）自動超限報警功能。在實測過程中，對監(jiān)測出超預設值的數(shù)據(jù)發(fā)出提示報警，供管理人員及時采取必要措施。管理人員可定義多種報警級別，組態(tài)多種報警方式。

4）綜合分析各監(jiān)測點壓力、流量的變化曲線，總結(jié)出管網(wǎng)供水壓力變化調(diào)節(jié)規(guī)律，計算出水廠變頻泵的壓力目標值，最終實現(xiàn)實時控制變頻供水泵目標壓力，合理調(diào)整管網(wǎng)供水壓力，既滿足用戶用水的需要又達到節(jié)能降耗的目標。

5）監(jiān)測中心服務器數(shù)據(jù)庫的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在整個局域網(wǎng)內(nèi)是共享的，只要被授權(quán)就可以通過本機的IE 瀏覽器，通過 Web 方式進行查詢顯示瀏覽打印，以便于相關部門使用。

6）自動報表生成功能?？梢愿鶕?jù)不同的時間生成所需報表供管理人員查詢及打印。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)的實施已比較成熟，完全可以滿足目前的需求，系統(tǒng)中的 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸部分采用雙自復位技術，確保不死機、掉網(wǎng)重新上網(wǎng)，為穩(wěn)定運行提供保障；運用先進的數(shù)據(jù)庫管理技術，可方便數(shù)據(jù)管理和存儲，保證系統(tǒng)的優(yōu)化和改進；未來升級擴充方面，因為采用可擴充性設計，將來可隨新技術的發(fā)展很容易地將設備（模塊）擴充進去，具有良好的擴展和兼容能力。

不選用更為先進的 3G 網(wǎng)絡服務的原因在于本系統(tǒng)完成所遵循的效果是智能、經(jīng)濟、易于實現(xiàn)。就目前來看，3G 業(yè)務在運營成本方面不及 GPRS，且由于項目實施階段 3G 服務并未達到如 GPRS 成熟的狀態(tài)（包括信號強度、覆蓋范圍、服務質(zhì)量等）[7]。以開發(fā) GSM 短信業(yè)務為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以滿足本系統(tǒng)的需要，并且更為容易設計和實現(xiàn)，可以作為短期的一個過渡。因此最終選擇 GPRS 服務。

[1] 武建，于淼淼，錢繼兵. GSM 與 GPRS 技術在水文行業(yè)無線監(jiān)測工作的比較[J]. 山東水利，2010 (6): 9-11.

[2] 陳琦，丁天懷，李成，等. 基于 GPRS/GSM 的低功耗無線遠程測控終端設計[J]. 清華大學學報（自然科學版），2009 (2): 65-67, 73.

[3] 陳星，劉利. 基于 SMS 的執(zhí)行器無線監(jiān)控終端的設計[J].微計算機信息，2008 (4): 51, 124-125.

[4] 王祖印，王樹海. 關于水利信息化管理平臺的設計與研究[J]. 水利天地，2009 (3): 23-25.

[5] 楊斌. 基于污水監(jiān)測系統(tǒng)中 GPRS 無線數(shù)據(jù)傳送的應用[J]. 科技資訊，2008 (23): 17-19.

[6] 李春晉，張偉. GPRS 通信技術在溫州水文自動遙測系統(tǒng)中的應用[J]. 吉林水利，2009 (7): 61-63.

[7] 王歡，王偵，季金勝. 基于 GPRS 和 3G 通信的糧倉溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 軟件，2011 (10): 58-60, 66.