基于GPRS的污染源在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

沈志鴻

（ 浙江創(chuàng)源環(huán)境監(jiān)控技術(shù)有限公司，浙江 嘉興 314006）

國家規(guī)定在十二五計劃內(nèi)實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2010年下降16%，化學需氧量、二氧化硫排放總量減少8%，氨氮、氮氧化物排放總量減少10%的約束性目標[1]。由此看來隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，節(jié)能減排、污染治理是一項長期而艱巨的重要工作，為促使各企業(yè)在生產(chǎn)制造過程中所產(chǎn)生的廢氣、廢水的排放達到國家規(guī)定相關(guān)標準要求，對各企業(yè)的污染源、點均設計并安裝了諸如化學需氧量（COD）、二氧化硫（SO2）、氨氮（NH3-N）、氮氧化物、重金屬（Cr、Ni）等化學分析檢測儀、流量計等計量檢測設備以及數(shù)據(jù)采集控制裝置，按各地環(huán)保部門的要求綜合監(jiān)測生產(chǎn)企業(yè)的廢水、廢氣排放情況。

目前通常采用的在線監(jiān)測方式是將污染源化學分析檢測儀、流量計與數(shù)據(jù)采集設備聯(lián)機后以有線網(wǎng)絡方式通過Internet互聯(lián)網(wǎng)與上位機監(jiān)控中心服務器實現(xiàn)對現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的采集、分類、入庫保存。但是這種有線網(wǎng)絡傳輸方式，操作上有他的局限性，由于排污口環(huán)境條件比較復雜，使用電纜連接，現(xiàn)場必須用電纜管對電纜進行保護，并將電纜管埋置與地面以下，加以保護，否則極易遭到外力的破壞，而且在放置電纜時需穿墻破洞，大大增加了施工的工程量，操作上也很不方便。加上排污口及污水處理設施所占場地地域遼闊，施工時需要大量電纜，從而增加了材料及施工成本。由于遠距離使用電纜，使得通訊過程中抗干擾能力減弱，信噪比下降，降低了數(shù)據(jù)通訊的質(zhì)量，影響在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性及實時性。

而GPRS無線通信系統(tǒng)利用移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，凡具有移動通信網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)，均可采用，提高了安裝實施的效率，降低了施工及材料成本，使得在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施顯得更為方便，數(shù)據(jù)的傳輸更加及時、準確與可靠，而且易于運行維護和保養(yǎng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由三個部分構(gòu)成：

第一部分，監(jiān)測終端，由數(shù)據(jù)采集儀與化學分析儀組成，對污染源的檢測數(shù)據(jù)進行采集。

第二部分，網(wǎng)絡通信系統(tǒng)?，F(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送，經(jīng)移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)將實時數(shù)據(jù)通過Internet互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心。

第三部分，監(jiān)控中心，由服務器、數(shù)據(jù)庫、人機接口界面及輔助設備，如UPS電源、空氣調(diào)節(jié)裝置組成。

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS經(jīng)Internet互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心，中心將數(shù)據(jù)分析處理，歸類入數(shù)據(jù)庫進行保存，并可根據(jù)需要對各污染源化學分析設備進行遠程控制操作。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2 硬件配置

2.1 監(jiān)測終端的設計

監(jiān)測終端采用的是以NHPXA270CS為核心的W5100HB型觸摸液晶屏智能數(shù)據(jù)采集儀，通過串口通訊將采集到的污染源檢測數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后傳送至GPRS傳輸模塊，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的通訊。這款W5100HB數(shù)據(jù)采集儀具有兩個RS485、六個RS232增強型全雙工串口，RS485串口接收來自污染源檢測設備發(fā)送的檢測數(shù)據(jù)，故一臺W5100HB型數(shù)據(jù)采集儀通過RS485連接可實現(xiàn)多臺檢測設備的數(shù)據(jù)采集。RS232實現(xiàn)與GPRS傳輸模塊的數(shù)據(jù)通訊。

GPRS模塊的作用是實現(xiàn)監(jiān)控中心與監(jiān)控終端的通信。從污染源化學分析檢測設備及流量計采集的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過W5100HB數(shù)據(jù)采集儀的微處理經(jīng)RS232通信串口發(fā)送至GPRS模塊，由于GPRS無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡和Intnet互聯(lián)網(wǎng)均遵從TCP/IP國際標準通信協(xié)議，并且互為溝通，模塊對所采集的數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議格式重新打包后，通過GPRS無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心[2]。

本設計的系統(tǒng)中選用TGM810型GPRS MODEM無線傳輸模塊，其內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，用戶只需通過設置軟件對模塊進行監(jiān)控中心服務器的IP地址、端口及SIM卡號等相關(guān)參數(shù)的設置并保存，連接數(shù)據(jù)采集儀的RS232接口，即可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。監(jiān)控終端設計如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)

從監(jiān)控終端采集的檢測數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)采儀中的微處理器經(jīng)RS232串口發(fā)送至GPRS模塊，通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡的接入點端口（CMNET）進入中國移動內(nèi)網(wǎng)，通過GPRS支持節(jié)點（GGSN 網(wǎng)關(guān)）把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet互聯(lián)網(wǎng)上指定的監(jiān)控中心服務器，通過接收軟件對數(shù)據(jù)進行分類并保存，根據(jù)需要還可將各類檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)網(wǎng)中其他數(shù)據(jù)服務器上，監(jiān)控中心還可以根據(jù)需要實現(xiàn)對監(jiān)測終端進行反控。數(shù)據(jù)通訊過程均根據(jù)國際通信TCP/IP協(xié)議標準設計。

監(jiān)控中心與各監(jiān)控點組成一個在線監(jiān)控的網(wǎng)絡，中心管理著多個監(jiān)測點的IP地址和檢測設備的ID號，監(jiān)控中心服務器軟件對各監(jiān)測點的IP地址和ID號定時發(fā)出數(shù)據(jù)請求命令或?qū)δ吃O備發(fā)出操作指令，監(jiān)測終端就會按要求進行數(shù)據(jù)上傳或按操作指令執(zhí)行相應的操作[2]。

監(jiān)控中心由服務器、人機界面、接收保存數(shù)據(jù)資料所需數(shù)據(jù)庫服務器、服務程序軟件組成，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾始皫?，監(jiān)控中心服務器的Internet互聯(lián)網(wǎng)接入采用固定IP地址的光纜接入方式，所以監(jiān)控中心無須設計安裝GPRS模塊。監(jiān)控終端通過GPRS網(wǎng)絡經(jīng)與固定IP地址的監(jiān)控中心建立通訊，監(jiān)控中心服務器接收GPRS網(wǎng)絡發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，通過服務程序軟件對各類數(shù)據(jù)進行分析、分類，存儲到數(shù)據(jù)服務器中（入庫保存）[3]，并可按相關(guān)職能部門的要求提供查詢各類污染源排放濃度及污水排放量報表，系統(tǒng)可自動對超標、超量進行報警和遠程控制。這些工作均由一套服務程序軟件設計完成。還可以通過人機界面實現(xiàn)實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計包括監(jiān)控終端軟件、GPRS通信軟件、監(jiān)控中心軟件的設計，在此僅以通信軟件的設計為例說明。系統(tǒng)上電后，GPRS 模塊復位，通過AT指令對其進行初始化，包括對GPRS模塊的波特率、工作類型等參數(shù)的設置，使設備連接到GPRS網(wǎng)。然后進行撥號與GGSN進行通信鏈路的協(xié)商，即進行握手認證以及協(xié)議配置，PPPOE協(xié)商，最后獲得動態(tài)IP地址，完成了接入Internet互聯(lián)網(wǎng)。這樣GPRS無線終端通過網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)與遠程監(jiān)控中心的全雙工數(shù)據(jù)通信[2]。軟件流程圖如圖3所示。

至此，文章分析了環(huán)保污染源在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的GPRS遠程無線傳輸系統(tǒng)的架構(gòu)、硬件組成和軟件設計。利用GPRS網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、可靠性高、費用低等優(yōu)點完成數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場狀態(tài)的監(jiān)控等功能，提高了污染源監(jiān)測的效率和準確性。同時，通過水樣采集器可對廢水污染源超標排放進行實時留樣，供相關(guān)監(jiān)管部門分析、判斷、追蹤。為執(zhí)法提供可靠的依據(jù)，控制超標排放，達到減排目的。本設計符合國家對環(huán)保污染源在線監(jiān)測的要求，具有一定的推廣應用價值。當然，隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸方式也可以采用其它網(wǎng)絡進行傳輸，如中國聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡等，同樣可以實現(xiàn)對環(huán)保污染源的在線監(jiān)測。

[1]國家環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃 國發(fā)〔2011〕42號.

[2]張新成，李慶亮.基于GPRS遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[M].計算機工程與設計.2006，7.

[3]葉小榮，劉曉暉.網(wǎng)絡服務器配置與應用[M].2011，3.