GPRS技术在水库水质监测系统中的应用.docx

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GPRS技术在水库水质监测系统中的应用

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

GPRS技术在水库水质监测系统中的应用

摘要

目前我国雪野水库水质监测采用现场取样，实验室分析的人工方法，针对该方法实时性差的问题，提出来一种基于GPRS技术的水质自动监测系统设计方案。

该水质监测系统是基于GPRS技术设计的，考虑到了水质监测的特征，系统的总体结构和网络框架，以及访问无线数据监测中心的方法。

多参数水质探针收集到的水质参数通过移动电话的无线通信网络发送到数据处理和监测中心。

该系统自动收集，传送和处理水质参数，所以极大的提高了生产效率和经济效益。

实践证明GPRS技术可以更加适用于采集点实现在复杂环境中对不良水质的监测，在水分析监控系统的应用中可以自动传输数据。

关键词：

水质；自动监测系统；GPRS。

ApplicationofGPRSTechnologyinWater

QualityMonitoringSystem

ABSTRACT

ThemethodofwaterqualitymonitoringappliedbyXueYereservoirissamplinginthesceneandanalyzingatthelaboratoryatpresent.Basedonanalyzingkeyproblemofwaterqualitymonitoring,automaticwaterqualitymonitoringsystembasedonGPRSisprovidedinthispaper.Consideringfeaturesofwaterqualitymonitoring,thegeneralstructureandnetworkframeworkofthesystem,andthewayofaccesstoGPRSofdatamonitoringcenteraredesignedbasedonGPRStechnology.WaterqualityparameterscollectedbymultiparameterwaterqualityprobearetransmittedtodataprocessingandmonitoringcenterthroughGPRSwirelesscommunicationnetworkofmobile.Thesystemcollects,transmitsandprocesseswaterqualityparametersautomatically,soproductionefficiencyandeconomybenefitareimprovedgreatly.PracticehasprovenGPRStechnologycanachievewellwithinthecomplexenvironmentofpoorwaterqualityunmonitored,andmorespecificallyapplicabletothecollectionpoint,datatransmissionautomaticallygeneratethefieldofwateranalyisequipmentdatatransmissionandmonitoring.waterquality;automaticmonitoring.

Keywords:

waterquality;automacticmonitoring;GPRS

1.简介

雪野水库位于山东省莱芜市的雪野镇。

它坐落于大汶河支流的瀛汶河上游。

其主要职能有防旱防洪、农业灌溉、日常使用、电力供应、渔业养殖，也是一处旅游胜地。

它是一座数一数二的大型水库。

渔业养殖和其他的工业用途等人类活动已经影响到了该水库的水质。

根据2000年的水质采样数据来看，雪野水库的污染已经十分严重以致其水质已经下降到了等级5。

虽然已经出台了一些政策来解决这个问题，但是由于渔业养殖，盗挖砂石，附近酒店和餐馆污水排放等问题导致水质进一步恶化。

于2005年9月2日来自山东省泰安市水质控制中心的采样数据表明，根据国家标准《GB3838-2002》（国家地表水标准）来看，水库中水的氨氮含量水平已经远超过标准线4.52倍，其他水质参数仅仅只能达到三级地表水标准。

因此，控制水污染和保护雪野水库不被污染在水环境保护层面具有重要意义。

目前我国水库水质监测采用现场取样，实验室分析的方法。

水文局负责这项工作。

这种依靠人员的采样不能及时进行而且对于动态水质的监测不能实时进行。

因此，这种方法不能满足对于自然环境的监控的要求。

随着控制理论，通信系统，以及计算机网络的发展，将遥控测控，无线通信，网络技术应用于水质采样，参数计算分析，是目前水质监测系统设计的主要目标。

我们给出了一个基于GPRS技术的水质监测系统。

我们已经说明其硬件和工作规则。

这种自动测量系统采用水质测量多用表来测量参数，而后利用GPRS无线通信系统传送数据。

2.GPRS技术简介

GPRS技术采用高效的分组交换方式来传送数据。

GPRS移动电信网络是是在公共电信通信网络中加入SGSN（GPRS服务器支持节点）和GGSN（GPRS网关节支持节点）而形成的。

它在形成移动分组IP和X.25网关时采用数据分组交换，并且由用户提供链接。

它拥有与GSM技术相同的频率、带宽、传输结构、无线调制、跳帧和时分多址数据框架。

GPRS可以看成是由两部分组成的：

无线接入部分和主要网络部分。

无线接入部分是负责联通移动节点和BSS（基站子系统）的，而主要网络是负责联通标准数字通信网络中的路由器和BBS的。

GPRS的优势是：

（1）不需要额外的网络，仅利用公用移动通信网络中的用户即可。

（2）极大地覆盖了公共通信网络并且扩展了公共通信网络。

（3）费用可以依据流量或者包月收取。

用户可以持续上网，费用是通过计算流量收取的。

当没有数据传输时即使用户连接网络也不会收取费用。

用户同样可以包月使用，这样是没有流量限制的。

（4）传输速率高

无线通信网络利用了公共通信网络成本低、可扩展、无约束、错误率低、系统稳定的优点和标准。

GPRS特别适合数据率低，但是使用频率高的数据的传输，比如水质相关数据的传输（WAVECOM公司，2001）。

3.系统设计

基于GPRS技术的水质自动测量和监测系统包括三部分：

水质数据采集器、GPRS网络和数据处理监测中心，如图1所示。

该系统是基于无线数字数据网络（DDN）设计而成的。

DDN是一个信息传输网络，它的通信平台就是移动通信网络，网络接入设备就是GPRS终端。

水质数据采集仪可以通过水质传感器采集数据，接收监测中心的指令并执行特定操作。

监测中心通过特定的方式连接GPRS网络，数据服务器接收来自移动终端的数据，并为方便用户查询将其存放在数据库中。

监测中心操作站由局域网连接。

用户可以查询实时水质数据和历史数据，它可以在操作站中以多种方式显示。

在外地的用户可以通过移动终端访问监测中心，由GPRS提供的无线访问。

用户同样可以通过电脑网页来浏览数据。

图1系统的总体结构

3.1水质数据采集仪

水质数据采集仪会自动收集水质信息，它包括多参数水质传感器、微型处理器、GPRS无线数据终端单元（DTU）和太阳能给电系统，如图所示。

图2水质数据采集仪结构

水质数据采集仪的主要部分就是微处理器。

水质传感器实时取样，单片机负责将数据打包成用户定义的格式，然后通过串口连接到GPRS无线数据终端。

内嵌的微处理器将之前处理过的数据打包成TCP/IP数据包。

数据包通过GPRS无线网络传送到数据处理和监测中心。

我们使用的是由美国YSI公司出品的YSI-6系列多参数数值检测仪。

它可以使用自身的传感器和数据采集仪来检测水质。

该仪器同样可以通过RS-232串口与其他智能设备相连，可以通过内部配置或者外部命令使其进行数据的采集或像其他设备发送数据。

它可以跟踪多个水质参数，比如含氧量、导电率、温度、酸碱度、氨氮含量、浊度、盐度、总溶解度、硝酸盐、氮氨氯含量。

多参数水质测量仪有以下特点：

（1）拥有可存储150000数据的内部存储器；

（2）自动校正温度和盐度；

（3）工作条件广：

地表水，海水，已污染水均可使用；

（4）电源要求：

12V直流或者干电池；

（5）数据采集方式：

有线、无线均可；

（6）拥有8组传感器和14个参数；

（7）可变浮标点通过有线方式或像GSM/GPRS一样的无线方式与基站相连。

远程自动测量可以用来连续测量湖泊，河流以及地下水的水质参数。

台湾华邦公司出品的W77E58芯片具有双串口和CMOS高速静态特性，该芯片经常当做无线通讯数据终端的处理器使用。

微处理器W77E58可以高速兼容MCS-51系列。

在相同的时钟频率下运行相同命令，它的速度是MCS-51系列的1.5到3倍。

它的工作电压为4.5-5.5V，有32KROM和1KSRAM的CMOS设计而成的。

其最高频率可达到40MHz。

它具有双重指针、双串口中断、13个中断源和3个16位定时器。

W77E58直接与GPRS无线数据终端相连，可以直接启动无线数据终端和无线数据收发器。

由深圳宏电公司开发的无线数字通信系统H7000经常用在无线数据领域。

每一个采样点都有一个安装了移动通信公司的SIM卡模块，并且像手机一样在移动通信网络中拥有独一无二的ID。

就网络方面而言，SIM卡和接入点是相互依存的。

无线数据传输终端和监测中心通过中国移动公司提供的接入点来访问无线网络。

使用SIM卡的手机用户不能与APN用户建立连接（深圳宏电技术有限公司.2003）。

3.2GPRS网络

水库有自身的水质采样系统。

数据传输使用的是GPRS无线网络。

GPRS网络通过一个由宏电公司出品的一对多式调制解调器与数据终端相连。

有若干水质采样仪的数据已经封装成IP数据包格式，并且已经通过GPRS无线网络发送到数据处理和监测中心了。

GPRS网络会在信息中心中根据数据终端的IP地址为数据包分配新的固定IP地址，并为其建立数据通路。

也就是说，我们不用为其设置特定的数据传输通道，我们需要做的只是基于原系统对收集到的水质数据进行整理。

3.3数据处理和监测中心

数据处理监测中心工作站是主要的控制环节，主要包括主服务器和数据处理服务器。

主服务器装载了WINDOWSSERVER2000操作系统和SQLSERVER2000数据管理软件。

监测中心服务器申请固定IP地址，并使用由移动通信公司提供的数字专用网络来连接GPRS网络。

因为数字专用网络可以提供较高的带宽，当数据收集网点的数量增加时，监测中心不用增加容量就可以满足要求。

当收到GPRS网络发来的数据时，服务器首先加以验证，然后将数据送到主控计算机中，由系统软件将数据恢复并加以处理。

3.3.1监测中心的网络结构

监测中心的网络结构已经在图2中给出。

监测中心通过以太网协议与局域网相连，服务器通过路由器访问互联网，GPRS无线网络仅仅作为备用服务频道。

监测中心包括数据服务器和操作站两部分。

服务器通过遥测终端来接收实时数据，并通过互联网或无线网络将数据存储在数据库中。

服务器数据库中存储了实时数据和历史收据。

用户可以通过互联网或者GPRS无线网络来查询数据库中的数据。

用户可以通过安装监测应用程序来实现监测中心工作站和服务器之间的数据交换。

图3监控中心网络结构

3.3.2监测中心与GPRS无线网络的连接

以何种方式将监测中心与GPRS网络相连是系统设计的关键。

合理的连接方式不仅可以提高安全性，提高数据的传输速度，还对系统的整体性能有重要影响。

有多种方式可以使用，比如无线数字数据网方式、专用线路方式、直连方式、虚拟专用方式、互联网方式等。

无线数字数据网方式在数据传输和采集方面为很多行业的用户提供了多种解决方案，像水利、电力、石油开采、运输业及其他行业。

图4中已经展示出来了。

图4DDN专用连接方式

DDN方式可以作为一个平台用在中国移动公司的GSM/GPRS网络中，实现内部设备与外部设备之间或在外部设备和中央节点之间通过GPRS、SMS、USSD、CSD等承载方式实现点对点，或一点对多点连接。

这种方式对于流量小、突然性强、使用频率高的数据特别适用。

监测中心的GPRS终端需要绑定一个固定的IP地址。

由于其便利性和廉价性这种方式被广泛的使用。

监测中心有固定的网络连接时适合采用互联网方式。

这种方式有设备投资低、区域影响小等优势。

根据水质监测中心的特点来看，使用的方法是无线DDN方式和互联网方式。

这两种方式共同发挥数据的相互备份功能，提高了数据传输的可靠性。

3.4系统的功能

水质监测和处理中心的主要功能在图5中给出。

图5系统功能图

（1）数据采集站的管理

维护水质监测站的主要信息。

（2）通信管理

连接局域网从而实现信息的分享和多级通信。

（3）实时测量信息

实时接收从远程测量点发送的水质信息，自动检测数据格式，根据ID划分不同的数据类型，不同的数据类型存储到不同的实时数据库中并加以显示。

（4）历史信息管理

将实时数据库中的实时数据发送到历史信息库中，在年月日时间的基础上分析实测数据，从而得出水质变化曲线，同时绘制出信息统计曲线图。

（5）水质评测

可以智能的分析测量统计数据，评测水质污染状况，确定污染程度和污染类型，从而为水资源的利用和保护提供参考。

（6）水质预测

根据水质数据分析水污染现状，预测预报污染发展，为水污染的控制和水环境评价提供参考，并直接为人类生活、工农业生产、环境保护提供有一定质量保障的水。

（7）报警机制

建立水质报警阈值，根据设定值自动提供声光报警。

4.实验结果

通过在雪野水库的现场模拟，此系统运行稳定可靠，可以满足对水库水质的远程监测要求。

图6是监测中心计算机显示的水质监测变化曲线的一部分。

图62009年3月15日水质监测数据曲线

5.总结

通过对综合水污染数据的监测，基于GPRS技术的水质自动监测系统实现了对水库水污染状态的连续实时监测。

该系统不仅可以为评定水环境质量提供原始数据，也可以快速发现突发水污染事件和自然灾害，此系统通过通信网络将异常的水质信息发送给监测中心，为决策部门评定灾害状态，出台预防政策提供了参考。

参考文献：

[1]《水质在线测量在虚拟仪器中的研究和应用》，王海宝，吴光杰，中国研究仪器科技期刊。

[2]《GPRS技术在数据采集和检测系统中的应用》，韩冰，李芬华，电子技术出版社。

[3]《GPRS用户手册》，WAVECOM公司。

[4]《基于GPRS的水文遥测监控系统》，李云，杨云峰，传感器与仪表出版社。

[5]《H7000无线数据终端用户手册》，深圳宏电技术有限公司。

致谢

这项研究是由山东水利局出资，由山东水资源专项基金会和山东农业大学提供支持（编号：

33415），雪野水库为提供研究数据的，在此我们表以衷心的感谢。

版权申明

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