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GPRS无线水质监测系统方案
时间:2015-05-15 15:03:41  点击:2416

GPRS无线水质监测系统方案


1. 概述

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能力的建设,提高环境监测能力和环境监督执法管理水平。
排污口水环境实时自动监测系统的研制在我国刚刚起步,欧美一些发达国家在这方面已趋向成熟,例如美国等一些工业发达国家,几乎在每个排污口都安装了有关监测仪器,对污水处理设施的运行情况以及排污流量、PH值、DO、电导、烛度、温度等值进行自动监控,在监控中心可以随时知道排污口染物的排放情况。在韩国已有50%的企业做到了对以下四项指标的实时自动监控:污水处理设备运行情况、流量、PH值和溶氧。
我国目前大部分地区的水环境监测主要是以化学化为主。即人工定期(或不定期)的现场采样、化验、水质分析。这样工作量大且具有随机性,不能准确反映整个水量水质的变化过程,因而不能做到为水环境评价和环境治理的可靠依据。
由于我国经济发展过程中出现越来越多的水环境污染问题,近年来国家已充分重视和加强对环境污染的治理。为了配合这项工作,改进水环境监测手段和方法已显得尤为重要。
上海正伟数字技术有限公司在充分调研、考察、征询客户意见等基础上,研制开发了集自动化、即时化、智能化于一体的经济实用的水质量无线监测系统。该系统可以对排污口污水的PH值、DO、温度、电导和排污流量进行实时监控,通过GPRS/CDMA无线终端将数据传送到监控中心和环境管理部门,工作人员可以在监控中心或办公室进行远程监测,随时得到即时数据报告,实现远端无人值守。同时运用GPRS/CDMA无线网络还可把中心采集的水质信息发送到LED显示屏上,且可随时更新屏幕的内容。

2. 系统组成、工作原理

系统主要是由一个监测中心,若干个固定监测站,若干个LED显示屏和专用GPRS/CDMA无线终端组成。监测中心对各个监测站进行控制指挥,各监测站收集各种污染参数,两者间的控制信号和监测数据通过GPRS/CDMA无线终端传送完成。监测中心既是各监测站的指挥中心,又是监测站监测数据的汇集、处理的存储的数据库。各监测站可设置为自动向监测中心发送信息;也可设置为平时处于待机状态,在收到监测中心的指令后才开始启动工作,将信息发送给监控中心。各监测站有数据采集。命令识别、数据发送的功能。监控中心又可将收集回来的数据信息通过GPRS/CDMA无线终端传送到各地的LED显示屏上。同时,监测中心可通过软件随时对LED屏实施远程修改和更新信息。LED显示屏显示信息可以有多种显示方式,如:移动,翻屏,展入,展出,开屏等多种方式。显示屏具有表面平整、显示均匀、发光亮度好、显示效果清晰稳定, 配有十几种循环变化方式。高亮度、宽视觉、长寿命、重量轻、模块化结构、安装方便、易于维护等特点;支持中英文全兼容显示,还可显示其它各国文字及简单图形。
监测中心由功能较齐全的计算机外围设备如显示器、打印机、绘图机等组成。各监测站由各种采集参数的探头、PAC可编程自动控制器和GPRS/CDMA无线终端组成。LED显示屏由显示屏体,LED控制系统和GPRS/CDMA无线终端组成

3. 系统方案说明:

在水质系统中,常常需要对众多的排污口污水的PH值、DO、温度、电导和排污流量进行实时监控实时监测,大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散,分布范围广,而且大多设置在环境较恶劣的地区,通过电话线传送数据往往事倍功半,通过GPRS/CDMA/EDGE无线网络进行数据传输,成为水质监测部门选择的通信手段之一。污染源监测设备可将采集到的污染数据和告警信息通过GPRS/CDMA无线网络同时发送到多个水质监测部门,实现对排污单位或个人的及时管理,可以大大提高环保部门的工作效率。

3.1系统结构图:(如图1)


3.2. 系统方案组成

3.2.1.水质监控中心
监控中心服务器通过ADSL或电话拨号接入Internet,或申请配置专线,通过光纤、DDN
等数据专线直接和移动中心机房的GPRS/CDMA 网络连接。监控中心服务器上安装相关监控系统软件。监控系统软件包括监控中心服务器、数据库服务器两个部分。
1、监控中心服务器实现实时监控、数据管理分析、业务管理等功能;
2、数据库服务器进行数据存储、备份;
具体实现时,监控中心服务器、数据库服务器可以安装在一台服务器中,也可以安装在
不同服务器中。
软件系统特点:
1、 纯JAVA系统设计:采用JAVA技术进行设计开发,具有强大的稳定性、安全性、兼容性、
可扩展性;
2、 先进的B/S结构:系统使用先进的B/S结构,用户只需要使用浏览器就可以通过环保内
部的网络完成污染源管理和污染源监控功能。使用BS 结构不仅极大的方便了环保部门
相关人员的使用,而且为环保局未来向公众公公布环境数据提供了方便。
3、 管理决策支持:基于完整的、实时的业务数据,智能的决策支持系统可以为管理者提供
丰富的决策支持信息,实现业务运营的有效管理。
4、功能扩展性:整个系统具有极强的开放性和可伸缩性,可以方便的与各类数据分析软件连接,为环保局和其他政府部门共享信息提供了方便。
3.2.2、GPRS/CDMA无线传输终端
水质监控仪器通过RS232或RS485串口直接与正伟环保专用GPRS/CDMA无线传输数传设备(智能型GPRS/CDMA调制解调器)连接,并由其建立无线数据连接与监控中心进行双向数据通信。水质监控仪器如污水流量计、COD(含氧量)/BOD(生物耗氧量)、PH 探头等测量仪可根据系统实际监控地点的需求选择对应测量仪器。
设备技术参数
正伟GPRS终端的外形示意图如图2所示:

图表 2
终端的接口和参数如下:
电源接口:直流5-16V;
SIM卡接口,3VSIM卡;
天线接口;
LED接口,DB9母接口;
输入输出控制接口,RJ45接口;
MICPHONE接口;
功耗:0.1-2W。
3.2.3. LED显示屏
显示屏设置在需要发布信息的各个远程位置,每个显示屏均配置一个信息发布终端,信息发布终端通过SM或者GPRS与中心计算机通信。采用GPRS方式时,终端通过GPRS方式连接到INTERNET互联网,同时,用于发布信息的计算机也通过专线、ISDN、ADSL、拨号等多种方式连接到INTERNET网络,通过互联网的沟通连接,中心计算机就可以以TCP/IP的方式与各个显示屏进行集中的数据传输和发布,无论显示屏是否放置在同一个城市、同一个区域,都可以在管理中心集中进行廉价的信息发布,实现信息发布的统一管理和维护。
系统可以方便不同地域或者众多显示屏的实时信息发布。
功能特点:
除电源外无需任何布线,节省材料及施工成本
不受时间、地域、气候限制,屏幕可以随处放置
管理中心远程信息更新,无需任何现场操作
可以远程修改屏幕参数及更新屏幕信息
更新速度快,可以随时修改信息,与现场修改相比具有明显优势
信息更新可以统一对全部屏幕操作,也可以对任意一个或几个操作
运作费用低,与人工修改信息相比,没有后期使用成本
发布软件可以保存发布的信息和发布人信息,方便查询,便于系统维护
所有屏幕统一管理,维护,提高维护效率,降低维护成本
整个系统更可控、可靠,充分发挥系统的效率和优越性
通过修改软件提供其他需要的功能
异步图文控制卡参数如下:
适用范围 单色/双基色
扫描占空比 1/4
最大控制点 124K (K=1024)
横向最大点 1280
纵向最大点 96
存储容量 标配512KB(最大可定制1MB)
时钟显示 有
串移时钟 仅支持16点1个CK
时钟频率 11MHz、5.5M、3.7M、2.8M
场扫描频率 >90Hz
供电电源 5V
LED显示屏如图3 :



图3

3.3系统功能

实时监控
对企业监测点的排污量、设备运行等情况进行实时监控,并以人性化的界面显示有关数据;
数据接收
数据接收方式有两种,一种是监测点通信控制器定时向中心返回监测数据(一般按1个小时
返回,也可以通过用户设置);一种是通过中心向监测点通信控制器发送查询指令,监测点
通信控制器返回当前监测的实时数据;
报警处理
当监测到排污超标、检测设施非正常关闭等事故时,软件能自动识别事故类型,并及时向环
境监理部门发送报警信息,使环境监理部门能够以最快的速度及时对企业的违规行为进行纠
正、制止,从而保证了环境监理信息传递的顺畅、完整;
统计分析
a) 对所选择污染源监测点的监测数据进行各种分析,以曲线图、直方图和表格等形式进行
显示。可选择行业、区域、时间段等条件。包括污染源分析、污染源对比分析、综合分析、
综合对比分析和监理报告资料分析等;
b)污染源分析可根据条件对污染物排放量和污水排放量进行分析;
c) 污染源对比分析可根据条件对某一污染源进行按月分析和按年分析;
d) 综合分析可根据条件对污染物、污染类型(水)和治理设备(运行时间)进行分析;
e) 综合对比分析可根据条件对污染物、污染类型(水)和治理设备(运行时间)进行按月分析和按年分析;
数据存储
本设备能自动监测、记录、存储、传送数据,实时采集各类环保测量仪器的输出信号,并将测量数据通过无线远程发送至环保监控中心,同时将数据保存在本机大容量数据存储器中。
参数设置
1、可按照设置的时段采集一组数据,并实时发送至环保监控中心。GPRS/CDMA 网络是全球分布最广的无线网络,使用GPRS/CDMA 的优势在于实时、无线、远程、误码率极低、安装简便无需布线等特点。
2、可按照设置的时段采集一组数据,并保存在本机内部大容量数据存储器中;
3、可以通过串行接口对系统各项运行参数进行设置。对每个通道的采样数据进行物理量的换算对应,从而使终端保存或发送的数据都是符合现场测量指标的数据;
4、可通过串行接口访问机内大容量存储器中的数据。将终端保存数据保存到计算机数据库中,以备分析备案;
5、可按照条件设置系统各通道的报警条件,触发报警,并可实时将报警信号发送至监控中心。
软件模拟界面

4. 无线水质监测系统的优势

中国移动或者中国联通GPRS/CDMA系统可提供广域的无线IP连接。在移动或联通通信公司的GPRS/CDMA业务平台上构建水质监测采集传输系统,实现水质监测采集点的无线数据传输具有可充分利用现有网络,缩短建设周期,降低建设成本的优点,而且设备安装方便、维护简单。经过比较分析,我们选择中国移动的GPRS/CDMA系统作为水质监测采集传输系统的数据通信平台。
GPRS/CDMA无线水质监测系统具备如下优势:
1、实时性强:
GPRS/CDMA具有实时在线特性,系统无时延,无需轮巡就可以同步接收、处理多个或所有监测点的各种数据。可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
2、可对各监测点仪器设备进行远程控制:
通过GPRS/CDMA双向系统还可实现对仪器设备进行反向控制,如:时间校正、状态报告、开关等控制功能,并可进行系统远程在线升级。
3、建设成本少低:
由于采用GPRS/CDMA公网平台,无需建设网络,只需安装好设备就可以,建设成本低。
4、监控范围广:
构建水质监测采集传输系统要求数据通信覆盖范围广,扩容无限制,接入地点无限制,能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。由于水质信息采集点数量众多,分布在全省范围内,部分水质信息采集点位于偏僻地区,而且地理位置分散。
5、具有良好的可扩展性:
由于目前GPRS/CDMA网络已覆盖省内绝大部分地区,基本不存在盲区,可实现大范围的在线监控,满足水质信息采集传输系统对覆盖范围的要求。
6、系统的传输容量大:
水质监测中心站要和每一个水质信息采集点实现实时连接。由于水质数据信息采集点数量众多,系统要求能满足突发性数据传输的需要,而GPRS/CDMA技术能很好地满足传输突发性数据的需要。
7、数据传送速率高:
每个水质信息采集点每次数据传输量在10Kbps之内。GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s,目前GPRS实际数据传输速率在40Kbps左右,完全能满足本系统数据传输速率(≥10Kbps)的需求。
8、通信费用低:
采用包月计费方式,运营成本低。

5. 安全措施:

由于水质监测系统的特殊性,本系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环,网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行,即使出现硬件和软件故障,系统也不能中断运行。 以GPRS为例,数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网,采用VPN方式成本比较低,企业不用租用专线,还可以利旧使用原有的VPN设备,移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式,客户端在连接应用服务器前,要经过Radius服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护,安全性比较高,可充分保障速度和网络服务质量。另外,数据中心也可以采用APN接入方式,租用专线接入到移动公司的GGSN设备上,这种成本高,安全性高、稳定可靠。对于安全性要求非常高的系统,可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式,进一步提高系统的安全性。
1、VPN虚拟专网模式:企业内部网络中配置VPN服务器,移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术,用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离,可对整个数据传送过程进行加密保护,有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性:对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权,在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定,划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN,移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入,普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。
3、对于特定用户:可通过数据中心分配特定的用户ID和密码, 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统,系统的安全性进一步增强。
4、数据加密:通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。
5、网络接入安全鉴定机制:采用防火墙软件,设置网络鉴权和安全防范功能,保障系统安全。

6. 系统成本

一套完整系统的所有设备和软件及建设成本列表如下:
按照20个监测点计算。
序号
项目
数量
单价(元)
功能
1
GPRS无线传输设备
20
GPRS传输,每监测点一个
2
LED显示屏
20
3
中心控制设备
1
设置参数
4
中心软件
1
中心管理、控制
5
电子地图
1
电子地图显示监控点
6
计算机
1
0
自备
7
SIM卡
41
自备
8
ADSL上网
1
0
自备
9
固定IP地址
1
0
自备
10
安装费用
11
运输费用
12
税收费用
13
合计

7、结论:

采用有线方式,租用静态   IP目前费用比较高约800~1500元/月。采用GPRS/CDMA无线方式,系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费方式,GPRS按流量计算0.01元K,而包月制20元/月有50M流量,可满足省水质监测局目前水质数据采集系统的实际数据量,估计日后其费用会逐步降低。对于水质监测局等用户来说,由于通信费用较低,享受到了实惠。另外,由于接入设备可以移动,当水质观测站和水质信息采集点搬迁时设备可随之迁移并可继续使用,可以保护用户原有投资,适合于水质信息采集工作的特点。

采用GPRS/CDMA构建水文数据采集系统,不仅能很好地满足水质信息采集监测的需求,而且,做为网络运营商的移动或联通通信公司也将因此获得业务稳定的集团用户,随着用户数量的增加,移动或联通通信公司的营收也随之增加,调动了运营商的积极性,符合网络建设和网络应用同步发展的要求。