基于GPRS的水质自动在线监测系统

陆 勃 ，董显玲 ，孙晓杰

（1.德州市水利局水利勘察设计研究院，山东 德州 253014；2.德州市水利局水科所，山东 德州 253014)

供水系统中水质的优劣，与居民的健康息息相关，同时也直接影响工农业生产的诸多环节。水质监测的研究与实施，必须依靠最底层的水质数据。而水质监控跨越地域范围广，监测点数量多，数据量小，环境恶劣，采集现场分布离散，不适合搭建有线通讯网络。系统要求通讯可靠，在汛期或灌溉期轮询时间短。GPRS可以满足上述要求。

1 GPRS技术概述

GPRS（General Packet Radio Service）通用分组无线业务是在原有GSM网络基础上增加服务GPRS支持节点 （SGSN）和网关GPRS支持节点（GGSN）以及点对点服务中心（PTMSC）等功能实体，GSM用户提供高效、低成本的无线分组数据业务，特别适合于间断的、突发性的、频繁的、少量的数据传输，同时也比较适合于偶尔的大量数据传输应用场合。

GPRS技术在网络的覆盖程度、传输的实时性、网络的稳定性、建设成本和运营成本、组网简单灵活等方面具有独特优势，比较适合于监测点分布范围广、数据传输频繁、一次性传输数据量小的水质在线自动监测系统应用。

2 系统结构

水质在线自动监测系统利用中国移动的GPRS业务实现了水质监测终端设备与监控中心的数据通信。 GPRS DTU（GPRS Data Terminal Unit）与水质监测设备通讯，将现场水质监测设备的数据和运行信息打包，并通过GPRS网络实时传输到监控中心，实现水质监测设备的远程数据获取和数据的统一管理。

系统在组成结构上分为数据采集模块、数据传输模块、数据处理模块、辅助模块4部分。

2.1 数据采集模块

数据采集模块选用美国YSI公司的智能多参数仪。此为一种多参数水质监测、数据收集分析系统。筒状的多参数主机是一个水体监测装置，放置在水中用于收集水质数据。多参数主机可以配置多种探头，每个探头上有一个或多个传感器。根据需要选择，可以测量电导率、总溶解固体、溶解氧、酸碱度、氨氮、浊度、蓝绿藻等水质参数。

2.2 数据传输模块

选用国产的GPRS DTU和CDMA DTU无线数传模块。GPRS DTU将采集到的水质数据传送到监控中心；CDMA DTU配合一部网络摄像机将智能数据采集仪投放点处的水情视频图像实时传送到监控中心。启动系统并建立可靠通讯链路后，监控中心经过向数据采集仪发送唤醒、采集、休眠等命令操作数据采集仪。GPRS DTU将采集到的数据传送到监控中心的数据处理模块进行分析处理。CDMA DTU实时传送图像，便于监控人员对水体水情的直观了解。

2.3 数据处理模块

监控中心采用固定IP 连接至Internet。数据经公用Internet实现数据的透明传输。监控中心安装4台服务器：通信服务器、监控中心服务器、数据库服务器、WEB服务器。通信服务器负责数据通信协议，数据代理转发通信设备状态监控等功能。数据库服务器进行数据存储、备份。监控中心服务器实现数据分析、存储等功能。WEB服务器对授权的普通GPRS终端的用户提供实时、在线的数据查询服务，用户可以随时随地了解需要的水质数据，以便在水体污染事故发生时缩短反应时间。

2.4 辅助设备模块

UPS电源：可以在停电情况下自动投切，以保证测量站数据采集、传输的供电，保证系统可靠工作。

安防系统：探照灯和红外报警器。在数据采集仪投放处安放。红外报警器和探照灯实现联动，非工作人员无故靠近时，会自动声音告警，并打开照射数据采集仪的探照灯，保证设备安全运行。

浮漂：使用网络摄像机对数据采集仪处实行监控，画面由CDMA视频无线传输终端实时地传送到监控端，以便监控人员对水质采集点的水情实时直观了解。

3 系统运行流程

3.1 数据接收

监控中心经应用软件初始化后呼叫数据采集模块。数据采集模块将采集的数据送至GPRS DTU。DTU将数据打包以UDP包的形式经空中接口传送到移动的服务器，最后经公用Internet网送到监控中心数据服务器。

GPRS数据中心与系统的应用软件接口以动态连接库UDP/IP链路进行数据转发。本系统单次采集的数据量小，安全要求低。因此采用UDP方式，省却建立TCP/IP链路的消耗。

对于不希望对原有系统软件进行改动的应用方式通常可采用虚拟串行口（VSP）的连接方式。其易于网络采集点的扩展，几乎不受网点规模的限制，可以在中国移动的全网覆盖范围内使用。跨省份、跨地区的网络也非常容易组建。可实现集中网络管理，可用SNMP协议实现所有网点设备的集中管理。

3.2 数据处理

监控中心服务器对采集的数据进行分析处理并提供相关的业务服务，包括：基本信息管理、地理信息管理、远程操作管理、水质监测管理、售水业务管理、统计分析管理、报表输出管理等。

本系统水质数据采样周期为一小时。监控中心在接收到数据后，对数据进行整理，汇总形成完整的日报，并实时地绘制出各个水质参数的变化趋势曲线。

3.3 异常数据处理

监控中心数据服务器中安装人工神经网络（ANN）技术编写的应用程序。ANN程序对数据进行长期的跟踪分析，寻找待测水体水质参数变化与外界条件的关系，总结其内在的变化规律。根据推导出的关系，制定出待测水体水质参数正常变化范围表。一旦数据超出此范围立即示警，并通过监控中心服务器自动启动相应处理预案。

遇到汛期，流域水体污染等水质异常情况，监控中心能主动发出预警并启动相应处理预案。数据异常与否取决以下3个方面：1）各探头读数精度的严格取值范围；2）当地水利部门提供的水质基本参数；3）利用ANN总结出的水质正常变化范围表。超出这些值即为异常。

4 结论

本系统已应用于水库水质监测，运行良好。实践证明，利用GPRS移动数据网络实现水质数据的实时采集与传输，实现监控系统的标准化、一体化、层次化、网络化的监控信息网络技术体系。系统运行可靠，扩展更新方便，运行费用低廉。不仅可以在监控中心MIS网内监控系统运行，还可通过Internet实现在家办公，也可通过具备GPRS功能的手机与系统实现无缝接入，做到随时随地了解水质信息，及时处理异常情况。

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