GPRS技術(shù)在水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

-.zGPRS技術(shù)在水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要目前我國(guó)雪野水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，實(shí)驗(yàn)室分析的人工方法，針對(duì)該方法實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，提出來(lái)一種基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)的，考慮到了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的特征，系統(tǒng)的總體構(gòu)造和網(wǎng)絡(luò)框架，以及無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心的方法。多參數(shù)水質(zhì)探針收集到的水質(zhì)參數(shù)通過(guò)移動(dòng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)中心。該系統(tǒng)自動(dòng)收集，傳送和處理水質(zhì)參數(shù)，所以極大的提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明GPRS技術(shù)可以更加適用于采集點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)不良水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，在水分析監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用中可以自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：水質(zhì)；自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；GPRS。ApplicationofGPRSTechnologyinWaterQualityMonitoringSystemABSTRACTThemethodofwaterqualitymonitoringappliedby*ueYereservoirissamplinginthesceneandanalyzingatthelaboratoryatpresent.Basedonanalyzingkeyproblemofwaterqualitymonitoring,automaticwaterqualitymonitoringsystembasedonGPRSisprovidedinthispaper.Consideringfeaturesofwaterqualitymonitoring,thegeneralstructureandnetworkframeworkofthesystem,andthewayofaccesstoGPRSofdatamonitoringcenteraredesignedbasedonGPRStechnology.WaterqualityparameterscollectedbymultiparameterwaterqualityprobearetransmittedtodataprocessingandmonitoringcenterthroughGPRSwirelessmunicationnetworkofmobile.Thesystemcollects,transmitsandprocesseswaterqualityparametersautomatically,soproductionefficiencyandeconomybenefitareimprovedgreatly.PracticehasprovenGPRStechnologycanachievewellwithintheple*environmentofpoorwaterqualityunmonitored,andmorespecificallyapplicabletothecollectionpoint,datatransmissionautomaticallygeneratethefieldofwateranalyisequipmentdatatransmissionandmonitoring.waterquality;automaticmonitoring.Keywords:waterquality;automacticmonitoring;GPRS-.z1.簡(jiǎn)介雪野水庫(kù)位于**省萊蕪市的雪野鎮(zhèn)。它坐落于大汶河支流的瀛汶河上游。其主要職能有防旱防洪、農(nóng)業(yè)灌溉、日常使用、電力供應(yīng)、漁業(yè)養(yǎng)殖，也是一處旅游勝地。它是一座數(shù)一數(shù)二的大型水庫(kù)。漁業(yè)養(yǎng)殖和其他的工業(yè)用途等人類活動(dòng)已經(jīng)影響到了該水庫(kù)的水質(zhì)。根據(jù)2000年的水質(zhì)采樣數(shù)據(jù)來(lái)看，雪野水庫(kù)的污染已經(jīng)十分嚴(yán)重以致其水質(zhì)已經(jīng)下降到了等級(jí)5。雖然已經(jīng)出臺(tái)了一些政策來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是由于漁業(yè)養(yǎng)殖，盜挖砂石，附近酒店和餐館污水排放等問(wèn)題導(dǎo)致水質(zhì)進(jìn)一步惡化。于2005年9月2日來(lái)自**省**市水質(zhì)控制中心的采樣數(shù)據(jù)說(shuō)明，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?GB3838-2002?〔國(guó)家地表水標(biāo)準(zhǔn)〕來(lái)看，水庫(kù)中水的氨氮含量水平已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)線4.52倍，其他水質(zhì)參數(shù)僅僅只能到達(dá)三級(jí)地表水標(biāo)準(zhǔn)。因此，控制水污染和保護(hù)雪野水庫(kù)不被污染在水環(huán)境保護(hù)層面具有重要意義。目前我國(guó)水庫(kù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)采用現(xiàn)場(chǎng)取樣，實(shí)驗(yàn)室分析的方法。水文局負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作。這種依靠人員的采樣不能及時(shí)進(jìn)展而且對(duì)于動(dòng)態(tài)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)不能實(shí)時(shí)進(jìn)展。因此，這種方法不能滿足對(duì)于自然環(huán)境的監(jiān)控的要求。隨著控制理論，通信系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)展，將遙控測(cè)控，無(wú)線通信，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)采樣，參數(shù)計(jì)算分析，是目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。我們給出了一個(gè)基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。我們已經(jīng)說(shuō)明其硬件和工作規(guī)則。這種自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)采用水質(zhì)測(cè)量多用表來(lái)測(cè)量參數(shù)，而后利用GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。2.GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介GPRS技術(shù)采用高效的分組交換方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)。GPRS移動(dòng)電信網(wǎng)絡(luò)是是在公共電信通信網(wǎng)絡(luò)中參加SGSN〔GPRS效勞器支持節(jié)點(diǎn)〕和GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)支持節(jié)點(diǎn))而形成的。它在形成移動(dòng)分組IP和*.25網(wǎng)關(guān)時(shí)采用數(shù)據(jù)分組交換，并且由用戶提供。它擁有與GSM技術(shù)一樣的頻率、帶寬、傳輸構(gòu)造、無(wú)線調(diào)制、跳幀和時(shí)分多址數(shù)據(jù)框架。GPRS可以看成是由兩局部組成的：無(wú)線接入局部和主要網(wǎng)絡(luò)局部。無(wú)線接入局部是負(fù)責(zé)聯(lián)通移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和BSS〔基站子系統(tǒng)〕的，而主要網(wǎng)絡(luò)是負(fù)責(zé)聯(lián)通標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)中的路由器和BBS的。GPRS的優(yōu)勢(shì)是：〔1〕不需要額外的網(wǎng)絡(luò)，僅利用公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的用戶即可?！?〕極大地覆蓋了公共通信網(wǎng)絡(luò)并且擴(kuò)展了公共通信網(wǎng)絡(luò)。〔3〕費(fèi)用可以依據(jù)流量或者包月收取。用戶可以持續(xù)上網(wǎng)，費(fèi)用是通過(guò)計(jì)算流量收取的。當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)即使用戶連接網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)收取費(fèi)用。用戶同樣可以包月使用，這樣是沒(méi)有流量限制的?！?〕傳輸速率高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)利用了公共通信網(wǎng)絡(luò)本錢(qián)低、可擴(kuò)展、無(wú)約束、錯(cuò)誤率低、系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)。GPRS特別適合數(shù)據(jù)率低，但是使用頻率高的數(shù)據(jù)的傳輸，比方水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸〔WAVE公司，2001〕。3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)自動(dòng)測(cè)量和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三局部：水質(zhì)數(shù)據(jù)采集器、GPRS網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理監(jiān)測(cè)中心，如圖1所示。該系統(tǒng)是基于無(wú)線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)〔DDN〕設(shè)計(jì)而成的。DDN是一個(gè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，它的通信平臺(tái)就是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備就是GPRS終端。水質(zhì)數(shù)據(jù)采集儀可以通過(guò)水質(zhì)傳感器采集數(shù)據(jù)，接收監(jiān)測(cè)中心的指令并執(zhí)行特定操作。監(jiān)測(cè)中心通過(guò)特定的方式連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)效勞器接收來(lái)自移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)，并為方便用戶查詢將其存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)測(cè)中心操作站由局域網(wǎng)連接。用戶可以查詢實(shí)時(shí)水質(zhì)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，它可以在操作站中以多種方式顯示。在外地的用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端監(jiān)測(cè)中心，由GPRS提供的無(wú)線。用戶同樣可以通過(guò)電腦網(wǎng)頁(yè)來(lái)瀏覽數(shù)據(jù)。圖1系統(tǒng)的總體構(gòu)造3.1水質(zhì)數(shù)據(jù)采集儀水質(zhì)數(shù)據(jù)采集儀會(huì)自動(dòng)收集水質(zhì)信息，它包括多參數(shù)水質(zhì)傳感器、微型處理器、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端單元〔DTU〕和太陽(yáng)能給電系統(tǒng)，如下列圖。圖2水質(zhì)數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)造水質(zhì)數(shù)據(jù)采集儀的主要局部就是微處理器。水質(zhì)傳感器實(shí)時(shí)取樣，單片機(jī)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)打包成用戶定義的格式，然后通過(guò)串口連接到GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端。內(nèi)嵌的微處理器將之前處理過(guò)的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)中心。我們使用的是由美國(guó)YSI公司出品的YSI-6系列多參數(shù)數(shù)值檢測(cè)儀。它可以使用自身的傳感器和數(shù)據(jù)采集儀來(lái)檢測(cè)水質(zhì)。該儀器同樣可以通過(guò)RS-232串口與其他智能設(shè)備相連，可以通過(guò)內(nèi)部配置或者外部命令使其進(jìn)展數(shù)據(jù)的采集或像其他設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。它可以跟蹤多個(gè)水質(zhì)參數(shù)，比方含氧量、導(dǎo)電率、溫度、酸堿度、氨氮含量、濁度、鹽度、總?cè)芙舛?、硝酸鹽、氮氨氯含量。多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x有以下特點(diǎn)：〔1〕擁有可存儲(chǔ)150000數(shù)據(jù)的內(nèi)部存儲(chǔ)器；〔2〕自動(dòng)校正溫度和鹽度；〔3〕工作條件廣：地表水，海水，已污染水均可使用；〔4〕電源要求：12V直流或者干電池；〔5〕數(shù)據(jù)采集方式：有線、無(wú)線均可；〔6〕擁有8組傳感器和14個(gè)參數(shù)；〔7〕可變浮標(biāo)點(diǎn)通過(guò)有線方式或像GSM/GPRS一樣的無(wú)線方式與基站相連。遠(yuǎn)程自動(dòng)測(cè)量可以用來(lái)連續(xù)測(cè)量湖泊，河流以及地下水的水質(zhì)參數(shù)。**華邦公司出品的W77E58芯片具有雙串口和CMOS高速靜態(tài)特性，該芯片經(jīng)常當(dāng)做無(wú)線通訊數(shù)據(jù)終端的處理器使用。微處理器W77E58可以高速兼容MCS-51系列。在一樣的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行一樣命令，它的速度是MCS-51系列的1.5到3倍。它的工作電壓為4.5-5.5V，有32KROM和1KSRAM的CMOS設(shè)計(jì)而成的。其最高頻率可到達(dá)40MHz。它具有雙重指針、雙串口中斷、13個(gè)中斷源和3個(gè)16位定時(shí)器。W77E58直接與GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)終端相連，可以直接啟動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器。由**宏電公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)H7000經(jīng)常用在無(wú)線數(shù)據(jù)領(lǐng)域。每一個(gè)采樣點(diǎn)都有一個(gè)安裝了移動(dòng)通信公司的SIM卡模塊，并且像手機(jī)一樣在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中擁有獨(dú)一無(wú)二的ID。就網(wǎng)絡(luò)方面而言，SIM卡和接入點(diǎn)是相互依存的。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端和監(jiān)測(cè)中心通過(guò)中國(guó)移動(dòng)公司提供的接入點(diǎn)來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。使用SIM卡的手機(jī)用戶不能與APN用戶建立連接〔**宏電技術(shù)**.2003〕。3.2GPRS網(wǎng)絡(luò)水庫(kù)有自身的水質(zhì)采樣系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸使用的是GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)由宏電公司出品的一對(duì)多式調(diào)制解調(diào)器與數(shù)據(jù)終端相連。有假設(shè)干水質(zhì)采樣儀的數(shù)據(jù)已經(jīng)封裝成IP數(shù)據(jù)包格式，并且已經(jīng)通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)中心了。GPRS網(wǎng)絡(luò)會(huì)在信息中心中根據(jù)數(shù)據(jù)終端的IP地址為數(shù)據(jù)包分配新的固定IP地址，并為其建立數(shù)據(jù)通路。也就是說(shuō)，我們不用為其設(shè)置特定的數(shù)據(jù)傳輸通道，我們需要做的只是基于原系統(tǒng)對(duì)收集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)展整理。3.3數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)處理監(jiān)測(cè)中心工作站是主要的控制環(huán)節(jié)，主要包括主效勞器和數(shù)據(jù)處理效勞器。主效勞器裝載了WINDOWSSERVER2000操作系統(tǒng)和SQLSERVER2000數(shù)據(jù)管理軟件。監(jiān)測(cè)中心效勞器申請(qǐng)固定IP地址，并使用由移動(dòng)通信公司提供的數(shù)字專用網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閿?shù)字專用網(wǎng)絡(luò)可以提供較高的帶寬，當(dāng)數(shù)據(jù)收集網(wǎng)點(diǎn)的數(shù)量增加時(shí)，監(jiān)測(cè)中心不用增加容量就可以滿足要求。當(dāng)收到GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，效勞器首先加以驗(yàn)證，然后將數(shù)據(jù)送到主控計(jì)算機(jī)中，由系統(tǒng)軟件將數(shù)據(jù)恢復(fù)并加以處理。監(jiān)測(cè)中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造監(jiān)測(cè)中心的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造已經(jīng)在圖2中給出。監(jiān)測(cè)中心通過(guò)以太網(wǎng)協(xié)議與局域網(wǎng)相連，效勞器通過(guò)路由器互聯(lián)網(wǎng)，GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅僅作為備用效勞頻道。監(jiān)測(cè)中心包括數(shù)據(jù)效勞器和操作站兩局部。效勞器通過(guò)遙測(cè)終端來(lái)接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。效勞器數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史收據(jù)。用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或者GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。用戶可以通過(guò)安裝監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)中心工作站和效勞器之間的數(shù)據(jù)交換。圖3監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造監(jiān)測(cè)中心與GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接以何種方式將監(jiān)測(cè)中心與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。合理的連接方式不僅可以提高平安性，提高數(shù)據(jù)的傳輸速度，還對(duì)系統(tǒng)的整體性能有重要影響。有多種方式可以使用，比方無(wú)線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)方式、專用線路方式、直連方式、虛擬專用方式、互聯(lián)網(wǎng)方式等。無(wú)線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)方式在數(shù)據(jù)傳輸和采集方面為很多行業(yè)的用戶提供了多種解決方案，像水利、電力、石油開(kāi)采、運(yùn)輸業(yè)及其他行業(yè)。圖4中已經(jīng)展示出來(lái)了。圖4DDN專用連接方式DDN方式可以作為一個(gè)平臺(tái)用在中國(guó)移動(dòng)公司的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部設(shè)備與外部設(shè)備之間或在外部設(shè)備和中央節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)GPRS、SMS、USSD、CSD等承載方式實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，或一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接。這種方式對(duì)于流量小、突然性強(qiáng)、使用頻率高的數(shù)據(jù)特別適用。監(jiān)測(cè)中心的GPRS終端需要綁定一個(gè)固定的IP地址。由于其便利性和廉價(jià)性這種方式被廣泛的使用。監(jiān)測(cè)中心有固定的網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)適合采用互聯(lián)網(wǎng)方式。這種方式有設(shè)備投資低、區(qū)域影響小等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心的特點(diǎn)來(lái)看，使用的方法是無(wú)線DDN方式和互聯(lián)網(wǎng)方式。這兩種方式共同發(fā)揮數(shù)據(jù)的相互備份功能，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.4系統(tǒng)的功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)和處理中心的主要功能在圖5中給出。圖5系統(tǒng)功能圖〔1〕數(shù)據(jù)采集站的管理維護(hù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的主要信息?！?〕通信管理連接局域網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)信息的分享和多級(jí)通信?！?〕實(shí)時(shí)測(cè)量信息實(shí)時(shí)接收從遠(yuǎn)程測(cè)量點(diǎn)發(fā)送的水質(zhì)信息，自動(dòng)檢測(cè)數(shù)據(jù)格式，根據(jù)ID劃分不同的數(shù)據(jù)類型，不同的數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)到不同的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中并加以顯示。(4)歷史信息管理將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到歷史信息庫(kù)中，在年月日時(shí)間的根底上分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從而得出水質(zhì)變化曲線，同時(shí)繪制出信息統(tǒng)計(jì)曲線圖。〔5〕水質(zhì)評(píng)測(cè)可以智能的分析測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，評(píng)測(cè)水質(zhì)污染狀況