基于GPRS的水質自動在線監(jiān)測系統(tǒng)

陸 勃 ，董顯玲 ，孫曉杰

（1.德州市水利局水利勘察設計研究院，山東 德州 253014；2.德州市水利局水科所，山東 德州 253014)

供水系統(tǒng)中水質的優(yōu)劣，與居民的健康息息相關，同時也直接影響工農業(yè)生產的諸多環(huán)節(jié)。水質監(jiān)測的研究與實施，必須依靠最底層的水質數據。而水質監(jiān)控跨越地域范圍廣，監(jiān)測點數量多，數據量小，環(huán)境惡劣，采集現場分布離散，不適合搭建有線通訊網絡。系統(tǒng)要求通訊可靠，在汛期或灌溉期輪詢時間短。GPRS可以滿足上述要求。

1 GPRS技術概述

GPRS（General Packet Radio Service）通用分組無線業(yè)務是在原有GSM網絡基礎上增加服務GPRS支持節(jié)點 （SGSN）和網關GPRS支持節(jié)點（GGSN）以及點對點服務中心（PTMSC）等功能實體，GSM用戶提供高效、低成本的無線分組數據業(yè)務，特別適合于間斷的、突發(fā)性的、頻繁的、少量的數據傳輸，同時也比較適合于偶爾的大量數據傳輸應用場合。

GPRS技術在網絡的覆蓋程度、傳輸的實時性、網絡的穩(wěn)定性、建設成本和運營成本、組網簡單靈活等方面具有獨特優(yōu)勢，比較適合于監(jiān)測點分布范圍廣、數據傳輸頻繁、一次性傳輸數據量小的水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)應用。

2 系統(tǒng)結構

水質在線自動監(jiān)測系統(tǒng)利用中國移動的GPRS業(yè)務實現了水質監(jiān)測終端設備與監(jiān)控中心的數據通信。 GPRS DTU（GPRS Data Terminal Unit）與水質監(jiān)測設備通訊，將現場水質監(jiān)測設備的數據和運行信息打包，并通過GPRS網絡實時傳輸到監(jiān)控中心，實現水質監(jiān)測設備的遠程數據獲取和數據的統(tǒng)一管理。

系統(tǒng)在組成結構上分為數據采集模塊、數據傳輸模塊、數據處理模塊、輔助模塊4部分。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊選用美國YSI公司的智能多參數儀。此為一種多參數水質監(jiān)測、數據收集分析系統(tǒng)。筒狀的多參數主機是一個水體監(jiān)測裝置，放置在水中用于收集水質數據。多參數主機可以配置多種探頭，每個探頭上有一個或多個傳感器。根據需要選擇，可以測量電導率、總溶解固體、溶解氧、酸堿度、氨氮、濁度、藍綠藻等水質參數。

2.2 數據傳輸模塊

選用國產的GPRS DTU和CDMA DTU無線數傳模塊。GPRS DTU將采集到的水質數據傳送到監(jiān)控中心；CDMA DTU配合一部網絡攝像機將智能數據采集儀投放點處的水情視頻圖像實時傳送到監(jiān)控中心。啟動系統(tǒng)并建立可靠通訊鏈路后，監(jiān)控中心經過向數據采集儀發(fā)送喚醒、采集、休眠等命令操作數據采集儀。GPRS DTU將采集到的數據傳送到監(jiān)控中心的數據處理模塊進行分析處理。CDMA DTU實時傳送圖像，便于監(jiān)控人員對水體水情的直觀了解。

2.3 數據處理模塊

監(jiān)控中心采用固定IP 連接至Internet。數據經公用Internet實現數據的透明傳輸。監(jiān)控中心安裝4臺服務器：通信服務器、監(jiān)控中心服務器、數據庫服務器、WEB服務器。通信服務器負責數據通信協議，數據代理轉發(fā)通信設備狀態(tài)監(jiān)控等功能。數據庫服務器進行數據存儲、備份。監(jiān)控中心服務器實現數據分析、存儲等功能。WEB服務器對授權的普通GPRS終端的用戶提供實時、在線的數據查詢服務，用戶可以隨時隨地了解需要的水質數據，以便在水體污染事故發(fā)生時縮短反應時間。

2.4 輔助設備模塊

UPS電源：可以在停電情況下自動投切，以保證測量站數據采集、傳輸的供電，保證系統(tǒng)可靠工作。

安防系統(tǒng)：探照燈和紅外報警器。在數據采集儀投放處安放。紅外報警器和探照燈實現聯動，非工作人員無故靠近時，會自動聲音告警，并打開照射數據采集儀的探照燈，保證設備安全運行。

浮漂：使用網絡攝像機對數據采集儀處實行監(jiān)控，畫面由CDMA視頻無線傳輸終端實時地傳送到監(jiān)控端，以便監(jiān)控人員對水質采集點的水情實時直觀了解。

3 系統(tǒng)運行流程

3.1 數據接收

監(jiān)控中心經應用軟件初始化后呼叫數據采集模塊。數據采集模塊將采集的數據送至GPRS DTU。DTU將數據打包以UDP包的形式經空中接口傳送到移動的服務器，最后經公用Internet網送到監(jiān)控中心數據服務器。

GPRS數據中心與系統(tǒng)的應用軟件接口以動態(tài)連接庫UDP/IP鏈路進行數據轉發(fā)。本系統(tǒng)單次采集的數據量小，安全要求低。因此采用UDP方式，省卻建立TCP/IP鏈路的消耗。

對于不希望對原有系統(tǒng)軟件進行改動的應用方式通常可采用虛擬串行口（VSP）的連接方式。其易于網絡采集點的擴展，幾乎不受網點規(guī)模的限制，可以在中國移動的全網覆蓋范圍內使用。跨省份、跨地區(qū)的網絡也非常容易組建。可實現集中網絡管理，可用SNMP協議實現所有網點設備的集中管理。

3.2 數據處理

監(jiān)控中心服務器對采集的數據進行分析處理并提供相關的業(yè)務服務，包括：基本信息管理、地理信息管理、遠程操作管理、水質監(jiān)測管理、售水業(yè)務管理、統(tǒng)計分析管理、報表輸出管理等。

本系統(tǒng)水質數據采樣周期為一小時。監(jiān)控中心在接收到數據后，對數據進行整理，匯總形成完整的日報，并實時地繪制出各個水質參數的變化趨勢曲線。

3.3 異常數據處理

監(jiān)控中心數據服務器中安裝人工神經網絡（ANN）技術編寫的應用程序。ANN程序對數據進行長期的跟蹤分析，尋找待測水體水質參數變化與外界條件的關系，總結其內在的變化規(guī)律。根據推導出的關系，制定出待測水體水質參數正常變化范圍表。一旦數據超出此范圍立即示警，并通過監(jiān)控中心服務器自動啟動相應處理預案。

遇到汛期，流域水體污染等水質異常情況，監(jiān)控中心能主動發(fā)出預警并啟動相應處理預案。數據異常與否取決以下3個方面：1）各探頭讀數精度的嚴格取值范圍；2）當地水利部門提供的水質基本參數；3）利用ANN總結出的水質正常變化范圍表。超出這些值即為異常。

4 結論

本系統(tǒng)已應用于水庫水質監(jiān)測，運行良好。實踐證明，利用GPRS移動數據網絡實現水質數據的實時采集與傳輸，實現監(jiān)控系統(tǒng)的標準化、一體化、層次化、網絡化的監(jiān)控信息網絡技術體系。系統(tǒng)運行可靠，擴展更新方便，運行費用低廉。不僅可以在監(jiān)控中心MIS網內監(jiān)控系統(tǒng)運行，還可通過Internet實現在家辦公，也可通過具備GPRS功能的手機與系統(tǒng)實現無縫接入，做到隨時隨地了解水質信息，及時處理異常情況。

[1]徐文元.東深供水改造工程分水點的監(jiān)控[J].中國農村水利水電,2003(9):34-36.

[2]黃承安，張躍，云懷中.基于GPRS的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表，2003(8):42-45.

[3]劉家良，聶海，陳昌巨.基于CAN總線的智能小區(qū)自動抄表系統(tǒng)[J].武漢理工大學學報，2002(2)：10-12.

[4]鐘章對.GPRS通用分組無線業(yè)務[M].北京:人民郵電出版社，2001.

[5]劉從新，曾維魯，袁建偉.GPRS在水文監(jiān)測和報警系統(tǒng)中的應用[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2004(4)：13-15.

[6]黃承安，張躍，云懷中.基于GPRS的遠程儀表監(jiān)控系統(tǒng)[J].電測與儀表，2003(8):42-45.