无线GPRS水质监测系统设计方案.docx

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无线GPRS水质监测系统设计方案

GPRS无线水质检测系统

技术案书

GPRS无线水质检测系统技术案书

1、无线监测的必要性

水质监测是五水共治工作的重要组成部分，是检验工作成果的基础和技术支持。

水环境实时自动监测系统的研制在我国还不普及，欧美一些发达在这面已趋向成熟，例如美国等一些工业发达，几乎在重要水质监测点都安装了有关监测仪器，对水处理设施的运行情况以及排水流量、PH值、DO、电导、浊度、温度、余氯等值进行自动监控，在监控中心可以随时知道相关水质情况。

我国目前大部分地区的水环境监测主要是以化学化验为主。

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。

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。

该系统可以对水体的PH值、DO、温度、溶氧、余氯、电导和排水流量进行实时监控，通过GPRS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。

2、系统组成和原理

系统主要是由一个监测中心，若干个固定监测站和专用GPRS无线终端组成。

监测中心对各个监测站进行控制指挥，各监测站收集各种现场参数，两者间的控制信号和监测数据通过GPRS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、分析仪器、PLC可编程自动控制器和GPRS无线终端等组成。

3、GPRS网络简介

GPRS是在GSM基础上发展起来的一种2.5G的数字通信技术。

GPRS在移动用户和数据网络之间提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。

如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，数据速率最高可达164kb/s。

GPRS的最大优势在于其数据传输速度不是GSM所能比拟的。

目前的GSM移动通信网的传输速度为每秒9.6K字节，GPRS理论上目前更是达到了115Kbps（此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍）。

除了速度上的优势，GPRS还有“永远在线”的特点，即用户随时与网络保持联系。

图1GPRS网络构成原理图

GPRS系统可提供广域的无线IP连接。

在电信公司的GPRS业务平台上构建水质监控系统，实现监控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩短建设期，降低建设成本的优点，而且设备安装便、维护简单。

　　GPRS无线监控系统具备如下特点：

●良好的实时响应与处理能力。

由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，系统能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

●远程仪器设备控制：

由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能；

●建设成本低：

可充分利用现有GSM网络，设备安装即接通，不需要考虑现场环境，不需要配备天线铁架等附属设备。

●安装调试简单，建设期短：

利用现有成熟GSM网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。

●覆盖围广。

构建水质监控系统要求数据通信覆盖围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足城区、乡镇和跨地区的接入需求。

●数据传输速率高。

GPRS网络传送速率理论上可达171.2kbit/s，实际应用时数据传输速率在40Kbps-80Kbps左右。

●系统的传输容量大。

监控中心站要和每一个监控点实现实时连接。

系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

●通信费用低。

由于GPRS采用包月计费的式，运营维护成本低，月通信费用较低。

●GPRS网络经过几年建设已日臻成熟，地区的覆盖率超过90%，GPRS信号达到了无盲区覆盖。

●支持点对点、点对多点、双向实时数据传输：

GPRS终端可以实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输，传输时延一般小于1秒。

●永远在线：

GPRS终端一开机就能自动登录到GPRS网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。

●按流量计费：

GPRS终端一直在线，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用。

3、GPRS接入式

GPRS无线数据监测系统是集计算机技术、通信技术及数据采集技术于一体综合系统，通过GPRS无线终端，获取各现场的水质数据，采用通信接口及传输设备将其传输到数据业务中心，实现对各终端的全面监控。

基于GPRS网络的无线系统主要由三大部分组成：

数据终端设备：

数据采集终端设备和无线数据终端设备；

传输网络：

GPRS无线网络；

数据业务中心：

实时数据收发服务器、实时数据库服务器及用户控制操作界面等。

一般常用的GPRS组网接入式有以下三种。

3.1、VPN专线接入

中国电信提供VPN业务，可为用户组建基于GPRS的虚拟专有数据网络，通过分配一个固定IP地址网段，如IP地址段为172.17.1.0~172.17.1.255，子网掩码为255.255.255.0，表示为用户提供256个GPRS固定IP地址，这些地址只能在该用户的VPN部之间通信，不能与其他用户的VPN节点通信，也不能与通过Internet接入的用户节点通信。

图2数据中心专线接入示意图

电信公司可为每一台GPRSDTU的SIM卡分配固定IP地址，数据中心根据每台DTU的ID号或IP地址进行通讯。

也可不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，在指定网段动态获得IP地址，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯。

用户的数据监控中心经数据专线（或光纤）直接连接至电信公司GGSN服务器。

这种接入法的特点：

●数据安全性好，在用户VPN网络部通信，与外界任环节无关。

●数据中心数据传输带宽能够保证，使用数据专线式，带宽可达2M。

●网络延时小、稳定性高，直接在GPRS网络部通信，减少了转接的环节，也降低了数据传输延时，能够最可靠地保证数据传输的稳定性，降低丢包概率。

●接入成本和费用较高，接入的专线或光缆费用较高，另外用户需要支付专线的月使用费。

3.2、ADSL拨号连接

中国电信GPRS网络与Internet互联网是无缝连接的，数据监控中心可通过ADSL拨号式登录Internet互联网，获得公网IP地址，与现场采集点GPRSDTU实现数据通信。

一般ADSL拨号式获得的公网IP地址是动态的，可在数据中心申请固定域名，在DTU中设置数据中心的域名，通过域名解析法，实现数据传输。

图3数据中心ADSL拨号接入示意图

另外，电信公司也不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。

这种接入法的特点：

●通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。

●数据中心数据传输带宽能够保证，一般ADSL宽带上网的带宽都在几百Kbit/s左右。

●接入成本和费用较低，非常便。

●系统中引入了域名解析过程，多了一个不稳定的因素。

3.3、固定公网IP连接

与上述ADSL拨号获得公网动态IP地址式类似，很多公司都有一台连接Internet的服务器，并有固定公网IP地址，但是考虑到服务器的稳定运行问题，通常不允在服务器上安装其他应用软件。

通过NAT端口映射式，数据中心系统可以作为网中的一台服务器实现与现场采集点GPRSDTU实现数据通信。

同样电信公司也不必为每一台GPRSDTU分配固定IP地址，DTU连接GPRS网络后，所分配的IP地址是动态的，这种情况下，数据中心根据每台DTU的ID号进行注册和通讯，不必担心由于DTU掉线后上线再次分配的动态IP不同而不能与数据中心取得联系。

图4数据中心固定公网IP地址接入示意图

这种接入法的特点：

●数据监控中心能够提供固定公网IP地址，不必借助DNS域名解析服务器。

●通过Internet互联网进行数据转接，数据安全性差、稳定性差。

●数据中心数据传输带宽能够保证，一般宽带上网的带宽都在100Kbit/s左右。

●接入成本和费用较低，非常便。

4、系统案说明

在水质系统中，常常需要对众多的水体的PH值、DO、温度、电导和排水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，分布围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过线传送数据往往事倍功半，通过GPRS/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。

现场源监测设备可将采集到的现场数据和告警信息通过GPRS无线网络同时发送到多个水质监测部门，实现对排水单位或个人的及时管理，可以大大提高相关部门的工作效率。

系统结构图：

图5案拓扑示意图

整个系统的组成非常简洁明了，系统实施，后期维护，都简单高效。

系统中涉及到的设备和仪器如下图所示。

图6案设备示意图

5、系统案组成

5.1水质监控中心

监控中心服务器通过ADSL或拨号接入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、最流行的系统设计：

采用最新数据库技术和软件技术进行设计开发，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部的网络完成现场源管理和现场源监控功能。

使用BS结构不仅极大的便了部门相关人员的使用，而且为未来向公众公布环境数据提供了便。

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，可以便的与各类数据分析软件连接，为局和其他政府部门共享信息提供了便。

软件部分常用功能：

●遥测管理：

数据控制中心GPRS调度系统软件可实现遥测遥信管理，报警，参数设置，运算式设置，校时，复位，选呼。

●能够自动巡检，在规定的时间对系统所有测点遥测或遥信一遍，数据能显示和存储在数据库；能够选点自动巡检，在规定时间对系统部分测点进行动态巡检。

●数据管理：

数据控制中心GPRS调度系统软件，发出各种命令，能够将各DTU终端检测到的有效数据实时采集，采集后数据存入数据库，对数据库进行各种计算，处理，统计，分析。

●系统维护：

快速维护、远程故障诊断、远程维护、用户设置、权限设置、数据库维护。

●报表管理：

具有报表功能。

现场状态和数据、报警及处理等数据。

●统计分析数据：

最大值、最小值、平均值、条件过滤、累计、标准偏差、相关性分析补水累计等。

●历史曲线：

显示24小时测点压力直图；显示某一测点日出水量/电量直图。

5.2、GPRS无线传输终端

水质监控仪器通过RS232串口直接与专用GPRS无线传输数据设备（智能型GPRS数据终端）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。

水质监控仪器包括池水流量计、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）、余氯、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，设置对应的检测参数。

5.3、系统功能

●实时监控

对企业监测点的排水量、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

当监测到排水超标、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；

●统计查询

对所选择现场源监测点的监测数据进行各种查询等；

●数据存储

能自动监测、记录、存储、传送数据，实时采集各类测量仪器的输出信号，并将测量数据通过无线远程发送至监控中心，同时将数据保存在本机大容量数据存储器中。

●参数设置

硬件、软件参数的远程设置，系统各通道的报警条件，触发报警等设置。

6、系统的优势

中国电信GPRS系统可提供广域的无线IP连接。

在电信公司的GPRS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，缩短建设期，降低建设成本的优点，而且设备安装便、维护简单。

经过比较分析，我们选择中国电信的GPRS系统作为水质监测采集传输系统的数据通信平台。

GPRS无线水质监测系统具备如下优势：

1、实时性强：

GPRS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、监控围广：

构建水质监测采集传输系统要求数据通信覆盖围广，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，分布在全省围，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网络已覆盖省绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大围的在线监控，满足水质信息采集传输系统对覆盖围的要求。

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。

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：

采用包月计费式，运营成本低。

7、系统安全性

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，通过VPN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接入式，租用专线接入到电信公司的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接入式的混合接入式，进一步提高系统的安全性。

用SIM卡的唯一性：

对用户SIM卡手机进行鉴别授权，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电信分配的专门的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。

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。

数据加密：

通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。

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功能，保障系统安全。

8、系统成本

由我司根据业主实际建设需要进行设计并核算。

9、结论

采用GPRS无线式，系统流量费用目前有包月制和按数据量两种收费式，可满足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构建水质数据采集系统，不仅能很好地满足水质信息采集监测的需求。