基于GPRS技术的水环境监测系统设计Word文档格式.docx
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第1层为现场数据采集层,主要包括视频监视设备、数据传感器、数据采集单元等,以及DTU等通信设备.第2层为各监测分中心管理层,主要包括各个管理处、水
图2系统模型图
备.利站、各处监测分中心.第3层为水利局总监测调度层,包括水利局水情监测调度中心、GPRS数据处理终端、防汛信息处理终端.
水情监测系统的遥测站一般安装在野外用来监测和采集当地的雨量、水位等水情信息,遥测站具有远程数据发送功能,定时向信息处理中心发送水情信息数据[2].由于水情遥测站地理位置分散,信息采集功
能要求稳定,安全性要求较高.以前大部分采取人工采集、电话报数等方法,收集信息数量少、处理慢、传递不及时,难以保证汛期水情信息的实时性和优化调度.遇上暴雨、台风等突发性天气,反应迟钝,可能造成不可弥补的损失.GPRS模块通过中国移动GPRS无线数据传输网络及时传递各个遥测站的水情信息,为水情分析和决策提供充分的科学依据.由于汛期水雨情变化比较大,因此对数据传输的可靠性和实时性有较高要求.同时GPRS系统为无线通信,系统具有较好的可扩展性.为了实现水情数据及时可靠的传输,采用GPRS技术,通过公共的GPRS移动通信网络实现遥测站和信息处理中心之间的数据传输,大大提高了数据传输的准确性和实时性,显著降低人力成本,有利于汛期的水资源优化调度[3].
2系统功能的实现
总的来说,该系统就是一个从现场实时数据采集到数据逐层向上传输、上级的控制命令向下传输的过程.各监测站的实时数据发送给信息处理中心的同时,也接受信息处理中心发来的指令.水利局信息处理中心也可在Internet上发布相关信息,各监测分中心通过网络对所属监测站的相关数据信息进行接受和处理.遥测站将各项水情数据实时采集后通过GPRS模块将数据发送到中国移动GPRS网络中.移动GPRS网络将各个遥测站的采集数据传送到指定的信息处理中心上进行数据处理,信息处理中心完成对遥测站的监视控制、水情警戒以及历史曲线显示等功能.
系统功能模块分为3部分.
(1)数据采集模块由遥测站完成水位、雨量等数据采集功能;
(2)信息传输模块由GPRS模块将遥测站采集到的水情信息发送到移动GPRS网络中,完成水情信息传输功能;
(3)存储分析模块由信息处理中心完成水情信息的存储、历史分析、趋势显示以及参数分析等功能.
2.1数据采集模块
数据采集模块组成结构见图3.在数据采集模块中,传感器检测水位、雨量等水情信号,这些信号转换为相应幅值的电信号;
经过传感器处理后的电信号通过输入保护电路,除去其中的干扰信号,由采集卡完成电信号的采集功能;
处理器接收到采集卡的电信号,经过处理以后发送到GPRS模块,由GPRS模块完成信息传输功能.
图3数据采集模块组成结构图
2.2信息传输模块
信息传输模块是通过GPRS移动网络将水情信息传送到公共移动网络,由公共移动网络将数据传送到信息处理中心.GPRS模块采用DTU(数据传输单元模块),以中国移动GPRS网络为通信平台,通过无线信息传输网络,提供数据传输通道,满足水情信息数据传输的应用需求.
2.3存储分析模块
存储分析模块完成水位、雨量等水情信息的接收、存储、分析、显示、打印、报警以及趋势等.各个功能子模块,见图4.
图4存储分析模块功能框图
各个子模块功能如下:
(1)水情信息接收子模块.通过电信网络实时接收各个遥测站采集到的水位、雨量等水情数据,并根据需要删除异常数据;
(2)水情信息存储子模块.根据遥测站站码和监测时间保存所有河流、水库的水情信息;
(3)水情信息分析子模块.根据当前的水位数据和历史水情参数,综合分析当前的形势,为水资源调度提供科学依据;
(4)水情信息显示、打印子模块.显示并打印遥测站的水情参数;
(5)水情信息报警子模块.根据当前采集到的水位、雨量数据和设定的警戒值进行比较,当超过警戒值时,发出报警指示;
(6)水情信息趋势子模块.由于水位、雨量等具有历史性规律,因此,结合历史水情参数,判断一段时间内的水情变化情况,为决策提供参考.
3系统特点
通过实际的应用和不断改进,GPRS网络数据通信技术在水情监测系统中表现出显著的优势如下:
(1)实时的数据传输,及时获取水雨情信息,提高系统的可用性;
(2)更合理地按流量计算费用,使运行费用更加低廉,降低成本;
(3)网络覆盖范围广,布点方便,扩容简单快速;
(4)系统兼容性强,组网简单而迅速,易于实现,开发周期短;
(5)安全性高,维护费用低廉.
4具体设计
监测系统设计:
开发一套水环境监测系统,对水体中的温度、含氧量、pH值、含氮量等关键因子进行监测,该系统的结构图如图1所示。
本环境监测系统主要由环境监控中心服务器和终端数据采集设备组成。
分布在各监测点终端负责采集各点的环境参数,并将参数传递给单片机,并通过嵌入在GPRS模块中的TCP/IP协议栈将数据打包,再由GPRS模块通过基站传到GPRS网络,GPRS网络通过路由器与Intemet相连,最后将数据包发送到具有固定IP地址的环境监控中心服务器端口,以便在监控中心实时监测水体情况。
当有异常情况时,中心控制计算机会立即报警。
监测终端设计:
本系统的终端设备硬件设计结构框图如图2所示,主要包括:
传感器模块、单片机模块、GPRS模块和电源模块。
传感器模块卑片菪L模块c,PRs模块图2终端硬件结构
由传感器将采集到的模拟参数送入各自的信号调理单元进行放大、滤波等前期调理。
调理后的信号经MUX多路开关进入12位A/D转换器,最后送入单片机。
由于参数较多,所以单片机通过控制MUX多路转换开关并采用定时循环方式采集各个传感器的参数。
采集到的数据经过单片机处理后,通过嵌入GPRS的TCP/IP协议栈打包处理。
再由GPRS模块将数据传输到GPRS网络。
电源模块提供5v直流电压给单片机供电,除了给单片机供电外,还要将5V直流电压转换成4V以供GPRs模块使用。
单片机模块:
主控单片机采用PICl6F877A单片机。
该单片机可在线调试和编程,便于开发,而且功耗很低,适合应用于对功耗敏感的场合。
主控单片机主要完成信号A/D转换并与GPRS模块进行通信,还负责外扩FI船h存储器和实时时钟的管理。
PICl6F877A单片机具有10位片内A/D转换器,其工作方式和转换结果存放格式通过寄存器ADCON0和ADCONl进行设置,A/D转换结果则存于寄存器ADRESH和ADRESL中。
在本设计中,选择系统时钟作为A/D转换时钟,RA0作为模拟输入通道。
转换结果格式为左对齐,即高8位存于ADRESH中,低2位存于ADRESL中。
考虑到A/D转换本身存在的误差以及压缩无线模块发送数据量的要求,在设计中忽略ADRESL寄存器中的数据,即只采用转换结果的高8位。
环境监控中心信号的采样频率为500Hz,采用定时器TMRO完成2ms定时。
单片机片外扩展了4MBFlash存储器,用于缓存数据,经过一定时间后由无线模块集中发送,用户也可以选择在A/D转换后不经缓存就直接发送。
GPRS无线模块、GPRS(GeneralPacketRadioService,通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术。
是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者x.25连接。
GPRS可提供Intemet、多媒体、电子商务等业
务;
可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业;
另外,还能提供种类繁多、功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业
务和基于WAP的各种应用。
GPRS无线模块采用Wavecom公司的WISMOQuikQ2406B。
该模块工作频带为双频EGSM900/GSMl800MHz或GSM850/GSM1900MHz,支持GPRS多时隙class10,可提供语音、数据、传
真和短信息服务功能。
模块射频部分和基带部分可共用一个电源,电压范围为3.3~4.5V。
模块基带部分内嵌了GSM/GPRS协议
栈,可由用户选择是否嵌入TCP/IP协议栈。
GPRS无线模块与单
片机连接如图3所示。
监测终端软件设计:
系统中单片机的主要任务是完成所采集信号的A/D转换并与GPRS无线模块进行通信以完成数据传输。
终端软件流程图如图4所示。
控中心软件设计:
监控中心硬件由一台PC机、打印机和一台小型数据库服务器构成。
PC机的软件流程图如图5所示。
监控中心采用VC与sql2000来对终端采集到的数据进行显示、存储、打印等。
由于本系统将对多个监测点的数据进行监控,所以在软件设计时应对每个检测点设一个线程,每个线程监听不同的端口,同时独立接收和处理数据。
数据处理包括将接收到的各个参数存储到数据库中。
同时在主界面上用曲线实时地显示出来。
本系统对每个参数设置了警戒线,一旦超过该警戒线,计算机将立刻报警。
此外,该系统还可以对录入数据库的数据产生报表并打印。
5结语
利用GPRS实现远程数据监测,在网络覆盖范围、使用的便捷性等方面,具有很强的优势和宽广的应用前景,但也存在一些问题.
4.1网络的可靠性
基于GPRS技术的水情监测系统的稳定性和可靠性是与GPRS网络的稳定性和可靠性密不可分的.由于移动通信网络可能存在无法拨入或拨号成功后掉线率比较高等现象,应采取相应的措施存储数据同时通过短消息或其他方式通知信息处理中心,以避免移动通信数据网的问题而导致的损失.
4.2数据的安全性
基于GPRS的无线数据传送,其安全性问题不可忽视.采用VPN安全技术,用户通过接入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,避免非法入侵,提高网络安全性和保密性;
同时在数据终端采取链路认证、数据加密及数字签名等方式保证数据的安全性.
4.3传输的实时性
基于GPRS的数据传输系统存在一定的延时,而网络的平均延时与传输数据包的大小成正比关系.由于水利监测调度的数据量较少,基于GPRS的水情监测系统的实时性足以满足用户的要求.综上所述,基于GPRS技术的水利监测系统设计方案相对于传统的基于有线连接或基于GSM短消息的远程监控系统具有很多优势,如:
永远在线,连接时间短,实时性强;
设备成本不高,维护费用小;
收费合理、价格便宜;
连接速度快,适合不定期、长时间的数据传输.但是基于GPRS的系统也具有一定的缺点,例如:
现在GPRS网还不够稳定,有丢包的现象;
基于互联网的解决方案保密性较差等.不过这些问题经过精
心的设计是可以解决与避免的.
昆明滇池河水环境状况是城市形象的重要组成部分,其城市景观用水也应具备优良的水环境.但由于城市内河水污染的复杂性,单一的治理方法难以取得很好效果.为此,需要多部门通力合作,采取多种方法和技术手段,进行综合性治理才能收到成效.
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