基于3G MODEM的水質遠程監控系統的設計與研究

童碧云

摘 要：飲用水安全現已成為制約社會發展的重要因素，加強水源地水質監控力度勢在必行，然而目前偏遠水源地的水質監控技術仍存在部署成本高、及時響應困難等問題。該文在分析現有水質自動監測系統通信傳輸技術的基礎上，介紹了基于3G MODEM的水質遠程監控系統的實現方案及短信通信控制方案，并結合同類實時監控系統的類似應用，提出本系統在偏遠水源地水質遠程監控的應用可能。

關鍵詞：3G MODEM 水質監測 遠程監控

中圖分類號：P33 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（a）-0031-02

1 問題的提出

我國水資源總量大約為2.8萬億 m3，居世界第六位；但是人均占有量僅為2240 m3，在世界銀行連續統計的153個國家中居第88位。我國的水資源現狀不僅人均占有量低，還存在地區分布不平衡、水體污染日益加重、城市缺水情況凸顯等問題。尤其是近年來很多地方區域經濟的發展和過度開發的加劇，加重了局部水資源的負荷，也加劇了水源地的污染。水污染問題已經成為我國經濟社會發展的最重要制約因素之一，已經引起國家和地方政府的高度重視[1-2]。因此，各地在治理水污染的同時，逐漸加強了對水源地水質的監測力度。

傳統的水質監測工作以人工現場采樣、實驗室儀器分析為主。隨著當今政府和企業對水環境管理要求的提高，水質在線自動監測成為相關的熱點。通用的水質在線自動監測系統一般是通過各類水質監測儀/數據采集儀進行現場數據采集，然后將數據通過網絡傳輸到監控中心服務器，由監控中心對各類數據進行分析對比，得出水污染的綜合指標和趨勢。

水質自動監測系統可快速而準確地獲得水質監測數據。自動監測系統的應用，有助于水利及環保部門建立大范圍的監測網絡收集監測數據，以確定目標區域的污染狀況和發展趨勢。隨著監測技術和儀器儀表工業的發展，水質監測工作更開始向自動化、智能化和網絡化為主的監測方向發展[3-6]。

但是目前的水質自動監測系統往往在監控中心和現場監測設備之間建立穩定的通信網絡，而這對于很多偏遠的小型水源地的監測來說卻是難以實現，鋪設較長的網絡線路包括各種網絡中繼設備或者直接采用無線通信方式，在實際應用中往往因地理環境的因素限制是不現實的或者代價過高的。因此，該文提出了一種基于工業級3G MODEM的水質遠程監控系統。該系統主要以一種替代的方案解決了通用的水質自動監測系統的通信傳輸問題。

2 系統實現

針對上述的背景描述及需求分析，結合具體實踐，該文認為水質自動監測系統在偏遠地區應用，可采取如下方案：

（1）偏遠地區水源地的污染一般是一個長期的過程，受到突發式污染的概率比較小，因此對于水質監測的實時性要求并不高。在這樣的情況下，可以在數據采集部分增加大容量的存儲器，實時存儲采樣檢測后的數據，并在固定時間內由專門工作人員現場拷貝提取，再導入到監控中心數據庫；

（2）在現場檢測部分增加控制模塊，設置各類指標的閾值范圍。當控制模塊檢測到數據采集儀采集到的數據不在相應指標的閾值范圍內時，將該信息以事先設定好的格式和內容轉換成短信的方式通過3G MODEM進行遠程傳輸；

（3）設定固定的間隔時間，控制模將各種水質檢測儀/數據采集儀間隔時間點的設備狀態信息，以事先設定好的格式和內容轉換成短信的方式通過3G MODEM進行遠程傳輸；

（4）遠程監控中心的3G MODEM接收到短信后發送到控制模塊，按照約定的格式解析成相應的信息，例如：污染指標情況、水質檢測儀/數據采集儀設備狀態情況等；

（5）遠程監控中心將傳統的控制命令（控制信號/數據）通過控制模塊轉換成短信的形式，并通過3G MODEM進行遠程傳輸，水質檢測儀/數據采集儀通過3G MODEM收到短信后，發送到控制模塊，按照程序約定的格式解析成設備的控制信號，實現設備的遠程控制開機、關機、重啟等。其中，現場檢測部分控制模塊的處理流程圖如圖1所示。

基于上述方案，本文提出了基于3G MODEM的水質在線監測系統，其系統結構如圖2所示。由圖2可見，整個系統包括控制中心和現場檢測兩個部分，兩端通過3G無線網絡進行簡單的短信通信。其中控制中心主要包含各類數據分析和管理模塊，實現對水源地現場的設備和水質狀況進行分析，并能夠接受突發情況產生告警信息；現場檢測部分大多與傳統的水質自動監測系統一樣，通過水源地檢測點取樣，經過各種檢測設備檢測后將數據通過控制模塊存儲到存儲設備中，并將水質指標的異常情況和設備的異常情況，通過短信發送到控制中心。

本系統采用的工業級3G MODEM是一款基于CDMA2000 1X EV-DO的短信平臺，內嵌工業級3G無線模塊，具有RS232標準接口，能夠直接與用戶設備連接，實現短消息收發功能。

3 短信通信控制

本系統的核心在于控制中心和現場檢測設備之間，在控制模塊的管理下通過3G MODEM進行交互，以短信的方式實現控制中心和現場檢測設備之間的必要通信。短信的傳輸過程是由3G MODEM設備接入3G無線網絡自動實現的功能，而本系統主要是要解決控制模塊對3G MODEM的控制過程，也就是說由控制模塊來控制短信的收發，這是由控制模塊調用標準AT命令來實現的。

短信通信控制主要完成短信的發送和接收，以及消息的組裝、編碼和解析。下面主要以短信發送為例來介紹控制模塊如何驅動3G MODEM完成短信發送的功能。發送短信一般要經過啟動端口、建立串口連接、短息編碼、發送“發送短信”命令和關閉端口等動作。啟動端口一般通過SerialPort類來實現，關鍵代碼如下。

portld=CommPortldentifier.getPortIdentifier（“com1”）； //設置串口名稱為com1endprint