电子论文-一种基于GPRS技术的远程水质监测系统

导读:一种基于GPRS技术的远程水质监测系统,在现代工业控制、环境监测等应用中,人们普遍采用远程监测技术,把监测仪放在现场,将监测数据远程传输到本地控制室以便观察和决策,介绍了一种基于GPRS技术的远程水质监测系统,主要论述了该系统中数据传输网络和数据管理系统的设计与应用,实践证明系统运行稳定可靠,关键字:远程监测,远程水质监测系统在水资源监管及用水安全保障中有着广阔的应用前景,随着远程监测技术的广

电子论文-一种基于GPRS技术的远程水质监测系统

一种基于GPRS技术的远程水质监测系统

摘要:

在现代工业控制、环境监测等应用中,人们普遍采用远程监测技术,把监测仪放在现场,将监测数据远程传输到本地控制室以便观察和决策。介绍了一种基于GPRS技术的远程水质监测系统,主要论述了该系统中数据传输网络和数据管理系统的设计与应用。实践证明系统运行稳定可靠,维护简单、费用低,适合推广使用。 关键字:远程监测,GPRS,数据传输终端

A Remote Water- Quality Monitoring System Based on GPRS

Abstract:

In modern industrial controlling environmental monitoring, and other applications, it is common to adopt remote monitoring technology. Monitor on-site, remote monitoring data will be transferred to local control room in order to observe and make decisions. A remote water-quality monitoring system based on GPRS technology is introduced. A design and implementation of the data transmission network and data management system is discussed. it is proved that the system is stable, reliable, low cost, easy to be maintained and suitable to be used wildly. Keywords: Remote monitoring, GPRS, Data transmission unit 中图分类号:TP368.1;TV213.4 文献标识码:A

(武汉科技大学)王朋 刘毅敏 徐望明

(Wuhan University of Science and Technology)WANG PENG LIU YIMIN

XU WANGMING 1 引言

远程水质监测系统在水资源监管及用水安全保障中有着广阔的应用前景。随着远程监测技术的广泛应用,监测中测点数量多、地理位置分散、测点条件的不可预测等特点成为远程监测系统设计中不可忽视的因素。目前,无线通信技术已经相当成熟和稳定,而计算机网络技术作为最方便的信息获取方式已经无处不在,结合这两种技术就能实现便利地无线监测。

在工业领域,GPRS技术是发展最快、应用最为广泛的一种无线通信技术。GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务,是基于现有的GSM网络为用户提供高效、低成本的分组形式的数据业务,具有实时在线、按量计费、高速稳定传输等特点,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输[1]。相对于其他无线通信网络,GPRS网络具有抗干扰性好、数据可靠性高、通信费用低廉、无需考虑信道的维护问题等优点。GPRS技术在远程监测系统中的广泛应用,将大大提高系统的监测效率和可维护性。

2 远程水质监测系统概述

远程水质监测系统主要分为数据采集、数据传输和数据分析三个部分,系统结构框图如图1所示。系统的现场单元通过在线监测仪表(如传感器)实时采集到各项数据,并将数据打包、保存在存储器中,然后由无线通信模块经GPRS数据传输网络把数据传输集中到Internet服务器的数据中心DSC。当需要掌握监测点的情况时,监控人员可以在终端PC上通过数据管理系统来查看、统计和分析服务器上数据中心DSC的各项数据。当某参数超过警告值时,报警装置随时随地作出反应。

数据中心. .

图1 系统结构框图

现场单元主要是由测量仪表、传感器、无线通信模块DTU和控制单元组成。其中,测量仪表提供监控点瞬时流量、累计流量等数据;传感器提供PH值、浊度值等;无线通信模块DTU与GPRS 网络进行通信,负责传输现场单元的仪表和传感器的测量数据;控制单元由PLC及外部电路组成,是现场单元的核心部分,负责协调测量仪表、各传感器和无线通信模块的资源,使它们有条不紊地工作。

保障饮水安全非常重要。因此,系统的数据中心和报警装置是相互独立的。当水质不达标时就需要即时处理,独立的报警装置能不受其他因素影响提示监测人员。监测人员采取相应得措施保证水的安全。

3 系统GPRS数据传输网络的设计与实现

远程监测系统的工作方式和性能主要取决于GPRS无线数据传输系统的网络构架。因此,设计一种合适的网络架构,对于系统的运行和维护有着十分重要的意义。 3.1 GPRS数据传输网络构架的设计

GPRS网络是通过在现有GSM网络中增加了GPRS网关支持节点(GGSN)和GPRS服务支持节点(SGSN)来实现的,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据[2]。GPRS移动终端与GSM基站通信,但与电路交换式数据呼叫不同,GPRS分组数据是从基站发送到服务GPRS支持节点(SGSN)。GGSN对分组数据进行协议转换,通过GPRS骨干网发送到远端的TCP/IP或者X.25网络。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息,并且在移动台(MS)和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。网关GGSN主要是起网关作用,是连接GSM网络和外部分组交换网(如因特网和局域网)的网关,也可将GGSN称为GPRS路由器[3]。

数据传输网络的设计需要考虑数据量、时延、可靠性、网络状况等因素。远程水质监测系统的监测点非常多,一般要同时监测几个参数,实时性要求不高,但数据传输的时间间隔很短,在长期运行中数据量很大。经过对多种网络接入方式比较和改进,本系统采用一种适合远程水质监测系统的数据传输的网络构架。

系统的数据传输网络的构架[3]如图2所示,首先由数据采集端DTU向数据中心发起连接,此时GGSN会分配给该DTU一个公网IP和端口,GGSN上的NAT表单会添加这个通信链路的IP端口对照项,将DTU的GPRS网内部IP与分配的公网IP端口相对应。此后数据中心发向DTU的包只需发向该公网IP及端口, GGSN则将其顺利转发到数据采集端DTU,整个通信链路就能顺利传输数据了[3]。

图2 数据传输网络的构架

由于数据中心宽带接入,带宽大,系统能够扩展较多的数据采集端DTU,提高了系统容量。但数据传输需要经过GPRS网络和公网,数据传输质量受到公网情况的影响,并且延时加大,而且公网上的数据安全性显然较差。因此该方案适合数据点比较多,对安全性和实时性要求不高的情况。

从水质监测的特殊性考虑,系统需要一个实时性的报警功能。该功能产生的数据量很小,但要求实时性好。因此实际系统在本方案的基础上增加了短消息业务(SMS)来实现报警信号的发送。

3.2 GPRS数据传输网络的实现

GPRS数据传输网络中GSM网络和因特网(Internet)都是现有的,两者之间的连接通信是组网的关键。GPRS模块运行功耗低,非常适合用电池或用太阳能供电的野外作业系统。 系统采用了H7110系列GPRS无线DDN数据终端作为移动终端,实现GSM网络与因特网(Internet)的连接。通过终端对相关参数进行配置就可以实现组网,避开了软件调试过程,在软件菜单上对终端进行管理与调试[1]。

利用GPRS接入因特网和通过PC机拨号上网原理类似,如图3所示是GPRS终端数据发送流程框图。首先配置GPRS模块初始化,然后发送AT指令到基站服务器,通过双方协商、认证建立PPP连接[4]。连接成功后,GPRS终端就会从移动基站服务器上获得一个IP地址,接着在PPP协议框架中嵌入TCP/IP数据包,用socket 编程实现与Internet上的数据中心进行传输[3]。如果GPRS终端与Internet连接断线,可按流程图重拨恢复连接。

图3 GPRS终端数据发送流程图

要使数据中心DSC能够接收和管理移动终端DTU发送来的数据,需要对DTU进行二次开发。通常无线通信模块制造商都提供了齐全、完善的开发工具,还提供功能完善的数据中心软件开发工具包和数据中心服务程序[1] ,使得二次开发简便、实用。

本系统是基于VC编程语言对DTU进行二次开发,实现动态连接和传输操作。DTU与数据中心之间的操作界面由VC程序运行生成,其中包括连接状态、发送/接收信息状态和实时数据显示。这些控制操作直接影响到通信模块的通信状况甚至导致通信失败,因此只在数据中心服务器上可用,是针对数据中心管理员的。 4 数据中心管理系统设计

为了使一般监测管理人员也能很方便的使用查看等一般操作,系统采用B/S结构来访问和查看数据中心DSC的数据。这样用户PC可以无需任何软件,在任何地方都可以直接在Internet上实现监测。其中,这个管理系统和服务器上的DTU的数据监控中心用同一个数据中心,即访问同一个数据库。如下图6是该系统的框架图。

监测数据管理系统登陆

报警设置

实时数据

报警上限

实时数据

实时曲线

天数据查询

数据查询

数据报表统计曲线

数据报表统计曲线

数据报表统计曲线

更改操作员密码

N

添加操作员

删除操作员

历史数据

统计报表

图6 B/S结构数据管理系统的框架图

主要包括下面几个部分:

① 报警设置:对过大数据和过小数据给出提示;

② 实时数据:按用户要求用数据或曲线显示当前的数据状态; ③ 历史数据:按日期、月份、年份查看以前的数据;

④ 统计报表:按日期、月份、年份统计以前的数据并生成统计曲线,同时生成数据报

表可供打印存档;

⑤ 系统管理:包括操作员管理、高级数据管理(其中,除修改密码之外的其他功能只

对高级操作员可用);

高级数据管理主要是设置曲线参数(横坐标单位、同时显示曲线条数等)、已存数据的查看管理(删除多余数据和出错数据、补充缺损数据)。

这样,监测数据被传送到服务器数据中心DSC后,再由程序将数据提取存入Excel表中。在管理系统中,普通操作员能很方便的查询数据、统计数据、生成打印报表。高级操作员可进行删除错误数据,补充某时间段数据等操作。 5 结论

针对无线通信技术和数据采集技术发展现状,设计实现了一种基于GPRS技术的远程数据监测系统。系统采用GPRS技术实现远程水质监测数据传输,极大地提高了水质监控的实时性、连续性、可统计性。采用B/S结构使数据监测管理便利有效。整个系统传输结构简单稳定,投资和运营成本低,适合推广使用。在某自来水厂近一年的使用期间,系统运行稳定可靠,符合水质远程监测中数据传输的要求。

随着远程监测在各领域的应用,对系统中数据传输的要求不尽相同,采用适当的数据传

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