无线技术在工业废气监测中的应用

1 概述

随着工业化和城市化建设的发展，各种工厂及汽车等急速增长，工厂、汽车等排出的废气严重污染了大气，对人类的生活产生了极大的危害(图1)。世界各国对此表现出极大的重视，提出了各种保护环境的倡议并制定了各种环境保护的法律法规。

环境监测是环境保护工作的重要组成部分，是环境管理的基础和技术支持。随着我国工业化和城市化的迅速发展，环境保护也相应大力发展起来，这样就迫切需要加快全国环境管理基础设施的建设，提高环境监测能力和环境监督执法水平。

我国目前绝大部分地区依然采用人工采样和实验室分析为主的大气监测手段，这种方式不能及时、准确地监测到污染物的实时排放情况，使得环境监管人员很难在短时间内摸清所有污染区的实际情况，使有些企业得以偷排、漏排污染物。另外对各种突发性污染源及污染现场，也不能做到即时准确的监测和处理。

GPRS通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供了端到端的、广域的无线IP连接。GPRS具有永远在线、传输速度快、实时性强、按流量收费等特点，在各种工业无线监测领域应用得非常广泛。利用GPRS技术的无线废气监测系统具有安装方便、无需铺设通信电缆、传输距离远等特点，完全可以取代传统的废气人工采样监测的方式。

2 系统组成

基于GPRS技术的无线废气监测系统由气体监测站及监控中心组成。气体监测站安装在各监管地点，由气体监测探头对废气进行监测，并把废气的各种参数指标通过GPRS模块发送到监控中心，由监控中心对这些数据进行备案。对于严重超标的监测点，气体监测站可直接通过GPRS模块的短信通道发送告警短信通知监管人员，让监管人员能及时有效地对废气超标排放点进行处理及监管。

整个无线废气监测系统如图2所示。

(1)气体监测站。气体监测站由气体监测探头、用户系统板、GPRS模块等组成。气体监测站能连续自动地监测空气中的烟尘、二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳、氧气等浓度，把废气的监测浓度通过GPRS模块发送到环保监测中心，由环保监测中心记录备案这些监测数据。气体监测站对这些废气浓度值进行分析处理并与设定的浓度门槛值进行比较，如果监测点废气浓度长时间处于超标状态，气体监测站可通过GPRS模块的短信通道发送告警短信给监管人员进行短信息告警，监管人员在接收到告警短信后能第一时间去废气超标点进行处理，减少企业偷排废气等现象。

(2)GPRS DTU。气体监测站使用的通信模块采用由广州致远电子有限公司设计及生产的一款嵌入式GPRS DTU模块ZWG-28DP。它具有小巧的体积和灵活的应用方式，可以非常方便地嵌入到用户的设备中，使用户的设备具有GPRS无线通信功能。ZWG-28DP外观如图3所示。

ZWG-28DP的功能特征如下：

比名片还小的尺寸（66 mm×48 mm）；支持 SMS、GPRS 两种数据传输方式，通过引脚电平控制或参数配置；短信收数时机可控，防止干扰GPRS数据；支持5个手机号码同步发送短信；支持纯英文短信、中英文短信和16进制短信；垃圾短信过滤功能；同时具有配置串口和通信串口；支持备用数据中心；支持数据中心动态域名或IP地址访问；支持APN虚拟专网业务；支持断线自动重连功能；具有连接时机可控功能，节约流量；支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式；支持短信和电话唤醒功能；支持本地和远程图形化界面配置与维护；支持短信配置与维护；支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件；西门子工业级GPRS模块；多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行；可适应高温和低温工作环境，温度范围-25℃～+70℃。

ZWG-28DP具有三种数据传输模式，分别是GPRS方式、SMS方式和引脚控制（PIN）方式。GPRS方式为用户数据通过ZWG-28DP模块的串口使用GPRS通道透明传输到数据中心服务器；SMS方式为用户数据通过ZWG-28DP模块的串口使用短信通道透明传输到数据中心或用户的手机，最多可同时支持向5个手机号码发短信；当选择引脚控制（PIN）方式时，用户的CPU通过控制ZWG-28DP的GPRS/SMS选择引脚（GPRS/SMS_CTR）的高低电平来选择传输方式，高电平时为使用GPRS通道，低电平时为使用SMS通道，而且ZWG-28DP对GPRS和SMS的数据分开处理，互相不影响发送，传输过程如图4所示。

(3)监控中心组网实施。监控中心由数据库、WEB服务器及监测工作站等组成。监测中心通过网络接收GPRS模块发送过来的监测数据，并把监测数据保存到数据库进行统一管理分析，方便环保监管人员调用数据库查看各监管点废气的排放情况并对监管点做出各种监管决策。整个系统采用WEB服务器的管理方式，无需使用专门的监控软件，监管人员可随时通过监测工作站电脑的IE浏览器了解各废气监测点的废气排放情况。整个废气监控系统完全可做到无人职守的方式，比以往人工采集监测废气的方式大大减少了人力和物力。

由于监测站采用了GPRS无线传输的方式，监控中心服务器需要接入到网络接收来自各气体监测站的监测数据，监控中心可采用两种方案进行组网。

①监测中心使用ADSL的方式接入Internet。这种方案是环保监管部门向网络服务提供商申请ADSL网络服务，使用固定IP或动态域名的方式建立服务器，各气体监测站的GPRS DTU即可通过IP地址或域名的方式登录数据中心服务器传送监测数据。这种方案费用低，操作简便，性能稳定，一般推荐使用这种方案。

②监测中心使用APN专线的方式接入网络。这种方案不需要把监测服务器接入到Internet，减少了由于Internet公网的复杂性而出现的黑客攻击等问题，使用APN专线的方式是监测中心服务器直接通过APN专线接入到移动运营商的网关，监测服务器与移动运营商网关之间采用私有IP地址进行广域连接，移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。这种方案比监测中心直接接入Internet要安全，但这种网络组建方案比监测中心直接使用ADSL接入Internet的费用要高很多。

监控中心可根据具体需求选择这两种组网方案。

使用GPRS无线技术的工业废气监测系统，具有安装简单，监测能力强等特点，大大节省了环保监管部门的人力和物力，节约了环保监测成本，并能避免漏检，杜绝了企业的偷排偷放等现象，能很好地对废气排放监管点进行监测管理。