上海正偉GPRS無線水質監(jiān)測系統(tǒng)方案|DTU

分類：解決方案日期：2009-08-21 09:09:15 來源：廠商

1. 概述

環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護工作的重要組成部分，是環(huán)境管理的基礎和技術支持。隨著我國工業(yè)化和城市化的迅速發(fā)展，環(huán)境保護也相應大力發(fā)展起來。這樣就迫切需要加快全國環(huán)境管理基礎能力的建設，提高環(huán)境監(jiān)測能力和環(huán)境監(jiān)督執(zhí)法管理水平。

排污口水環(huán)境實時自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制在我國剛剛起步，歐美一些發(fā)達國家在這方面已趨向成熟，例如美國等一些工業(yè)發(fā)達國家，幾乎在每個排污口都安裝了有關監(jiān)測儀器，對污水處理設施的運行情況以及排污流量、PH值、DO、電導、燭度、溫度等值進行自動監(jiān)控，在監(jiān)控中心可以隨時知道排污口染物的排放情況。在韓國已有50％的企業(yè)做到了對以下四項指標的實時自動監(jiān)控：污水處理設備運行情況、流量、PH值和溶氧。

我國目前大部分地區(qū)的水環(huán)境監(jiān)測主要是以化學化為主。即人工定期（或不定期）的現(xiàn)場采樣、化驗、水質分析。這樣工作量大且具有隨機性，不能準確反映整個水量水質的變化過程，因而不能做到為水環(huán)境評價和環(huán)境治理的可靠依據(jù)。

由于我國經(jīng)濟發(fā)展過程中出現(xiàn)越來越多的水環(huán)境污染問題，近年來國家已充分重視和加強對環(huán)境污染的治理。為了配合這項工作，改進水環(huán)境監(jiān)測手段和方法已顯得尤為重要。

上海正偉數(shù)字技術有限公司在充分調研、考察、征詢客戶意見等基礎上，研制開發(fā)了集自動化、即時化、智能化于一體的經(jīng)濟實用的水質量無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對排污口污水的PH值、DO、溫度、電導和排污流量進行實時監(jiān)控，通過GPRS/CDMA無線終端將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心和環(huán)境管理部門，工作人員可以在監(jiān)控中心或辦公室進行遠程監(jiān)測，隨時得到即時數(shù)據(jù)報告，實現(xiàn)遠端無人值守。同時運用GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡還可把中心采集的水質信息發(fā)送到LED顯示屏上，且可隨時更新屏幕的內容。

2. 系統(tǒng)組成、工作原理

系統(tǒng)主要是由一個監(jiān)測中心，若干個固定監(jiān)測站，若干個LED顯示屏和專用GPRS/CDMA無線終端組成。監(jiān)測中心對各個監(jiān)測站進行控制指揮，各監(jiān)測站收集各種污染參數(shù)，兩者間的控制信號和監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA無線終端傳送完成。監(jiān)測中心既是各監(jiān)測站的指揮中心，又是監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯集、處理的存儲的數(shù)據(jù)庫。各監(jiān)測站可設置為自動向監(jiān)測中心發(fā)送信息；也可設置為平時處于待機狀態(tài)，在收到監(jiān)測中心的指令后才開始啟動工作，將信息發(fā)送給監(jiān)控中心。各監(jiān)測站有數(shù)據(jù)采集。命令識別、數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。監(jiān)控中心又可將收集回來的數(shù)據(jù)信息通過GPRS/CDMA無線終端傳送到各地的LED顯示屏上。同時，監(jiān)測中心可通過軟件隨時對LED屏實施遠程修改和更新信息。LED顯示屏顯示信息可以有多種顯示方式，如：移動，翻屏，展入，展出，開屏等多種方式。顯示屏具有表面平整、顯示均勻、發(fā)光亮度好、顯示效果清晰穩(wěn)定, 配有十幾種循環(huán)變化方式。高亮度、寬視覺、長壽命、重量輕、模塊化結構、安裝方便、易于維護等特點；支持中英文全兼容顯示，還可顯示其它各國文字及簡單圖形。

監(jiān)測中心由功能較齊全的計算機外圍設備如顯示器、打印機、繪圖機等組成。各監(jiān)測站由各種采集參數(shù)的探頭、PAC可編程自動控制器和GPRS/CDMA無線終端組成。LED顯示屏由顯示屏體，LED控制系統(tǒng)和GPRS/CDMA無線終端組成

3. 系統(tǒng)方案說明

在水質系統(tǒng)中，常常需要對眾多的排污口污水的PH值、DO、溫度、電導和排污流量進行實時監(jiān)控實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過電話線傳送數(shù)據(jù)往往事倍功半，通過GPRS/CDMA/EDGE無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，成為水質監(jiān)測部門選擇的通信手段之一。污染源監(jiān)測設備可將采集到的污染數(shù)據(jù)和告警信息通過GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡同時發(fā)送到多個水質監(jiān)測部門，實現(xiàn)對排污單位或個人的及時管理，可以大大提高環(huán)保部門的工作效率。

3.1系統(tǒng)結構圖：(如圖1)

3.2. 系統(tǒng)方案組成

3.2.1.水質監(jiān)控中心

監(jiān)控中心服務器通過ADSL或電話撥號接入Internet，或申請配置專線，通過光纖、DDN等數(shù)據(jù)專線直接和移動中心機房的GPRS/CDMA 網(wǎng)絡連接。監(jiān)控中心服務器上安裝相關監(jiān)控系統(tǒng)軟件。監(jiān)控系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控中心服務器、數(shù)據(jù)庫服務器兩個部分。

1、監(jiān)控中心服務器實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理分析、業(yè)務管理等功能；

2、數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)存儲、備份；

具體實現(xiàn)時，監(jiān)控中心服務器、數(shù)據(jù)庫服務器可以安裝在一臺服務器中，也可以安裝在不同服務器中。

軟件系統(tǒng)特點：

1、純JAVA系統(tǒng)設計：采用JAVA技術進行設計開發(fā)，具有強大的穩(wěn)定性、安全性、兼容性、可擴展性；

2、先進的B/S結構：系統(tǒng)使用先進的B/S結構，用戶只需要使用瀏覽器就可以通過環(huán)保內部的網(wǎng)絡完成污染源管理和污染源監(jiān)控功能。使用BS 結構不僅極大的方便了環(huán)保部門相關人員的使用，而且為環(huán)保局未來向公眾公公布環(huán)境數(shù)據(jù)提供了方便。

3、管理決策支持：基于完整的、實時的業(yè)務數(shù)據(jù)，智能的決策支持系統(tǒng)可以為管理者提供豐富的決策支持信息，實現(xiàn)業(yè)務運營的有效管理。

4、功能擴展性：整個系統(tǒng)具有極強的開放性和可伸縮性，可以方便的與各類數(shù)據(jù)分析軟件連接，為環(huán)保局和其他政府部門共享信息提供了方便。

3.2.2、GPRS/CDMA無線傳輸終端

水質監(jiān)控儀器通過RS232或RS485串口直接與正偉環(huán)保專用GPRS/CDMA無線傳輸數(shù)傳設備（智能型GPRS/CDMA調制解調器）連接，并由其建立無線數(shù)據(jù)連接與監(jiān)控中心進行雙向數(shù)據(jù)通信。水質監(jiān)控儀器如污水流量計、COD（含氧量）/BOD（生物耗氧量）、PH 探頭等測量儀可根據(jù)系統(tǒng)實際監(jiān)控地點的需求選擇對應測量儀器。

設備技術參數(shù)

正偉GPRS終端的外形示意圖如圖2所示：

圖表 2

終端的接口和參數(shù)如下：

電源接口：直流5－16V；

SIM卡接口，3VSIM卡；

天線接口；

LED接口，DB9母接口；

輸入輸出控制接口，RJ45接口；

MICPHONE接口；

功耗：0.1-2W

3.2.3. LED顯示屏

顯示屏設置在需要發(fā)布信息的各個遠程位置，每個顯示屏均配置一個信息發(fā)布終端，信息發(fā)布終端通過SM或者GPRS與中心計算機通信。采用GPRS方式時，終端通過GPRS方式連接到INTERNET互聯(lián)網(wǎng)，同時，用于發(fā)布信息的計算機也通過專線、ISDN、ADSL、撥號等多種方式連接到INTERNET網(wǎng)絡，通過互聯(lián)網(wǎng)的溝通連接，中心計算機就可以以TCP/IP的方式與各個顯示屏進行集中的數(shù)據(jù)傳輸和發(fā)布，無論顯示屏是否放置在同一個城市、同一個區(qū)域，都可以在管理中心集中進行廉價的信息發(fā)布，實現(xiàn)信息發(fā)布的統(tǒng)一管理和維護。系統(tǒng)可以方便不同地域或者眾多顯示屏的實時信息發(fā)布。

功能特點：

除電源外無需任何布線，節(jié)省材料及施工成本

不受時間、地域、氣候限制，屏幕可以隨處放置

管理中心遠程信息更新，無需任何現(xiàn)場操作

可以遠程修改屏幕參數(shù)及更新屏幕信息

更新速度快，可以隨時修改信息，與現(xiàn)場修改相比具有明顯優(yōu)勢

信息更新可以統(tǒng)一對全部屏幕操作，也可以對任意一個或幾個操作

運作費用低，與人工修改信息相比，沒有后期使用成本

發(fā)布軟件可以保存發(fā)布的信息和發(fā)布人信息，方便查詢，便于系統(tǒng)維護

所有屏幕統(tǒng)一管理，維護，提高維護效率，降低維護成本

整個系統(tǒng)更可控、可靠，充分發(fā)揮系統(tǒng)的效率和優(yōu)越性

通過修改軟件提供其他需要的功能

異步圖文控制卡參數(shù)如下：

適用范圍: 單色/雙基色

掃描占空比:1/4

最大控制點: 124K (K=1024)

橫向最大點: 1280

縱向最大點: 96

存儲容量: 標配512KB（最大可定制1MB）

時鐘顯示: 有

串移時鐘:僅支持16點1個CK

時鐘頻率:11MHz、5.5M、3.7M、2.8M

場掃描頻率:>90Hz

供電電源: 5V

LED顯示屏如圖3 ：

圖3

3.3系統(tǒng)功能

實時監(jiān)控

對企業(yè)監(jiān)測點的排污量、設備運行等情況進行實時監(jiān)控，并以人性化的界面顯示有關數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收方式有兩種，一種是監(jiān)測點通信控制器定時向中心返回監(jiān)測數(shù)據(jù)（一般按1個小時返回，也可以通過用戶設置）；一種是通過中心向監(jiān)測點通信控制器發(fā)送查詢指令，監(jiān)測點通信控制器返回當前監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)；

報警處理

當監(jiān)測到排污超標、檢測設施非正常關閉等事故時，軟件能自動識別事故類型，并及時向環(huán)境監(jiān)理部門發(fā)送報警信息，使環(huán)境監(jiān)理部門能夠以最快的速度及時對企業(yè)的違規(guī)行為進行糾正、制止，從而保證了環(huán)境監(jiān)理信息傳遞的順暢、完整；

統(tǒng)計分析

a) 對所選擇污染源監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行各種分析，以曲線圖、直方圖和表格等形式進行顯示。可選擇行業(yè)、區(qū)域、時間段等條件。包括污染源分析、污染源對比分析、綜合分析、綜合對比分析和監(jiān)理報告資料分析等；

b)污染源分析可根據(jù)條件對污染物排放量和污水排放量進行分析；

c) 污染源對比分析可根據(jù)條件對某一污染源進行按月分析和按年分析；

d) 綜合分析可根據(jù)條件對污染物、污染類型（水）和治理設備（運行時間）進行分析；

e) 綜合對比分析可根據(jù)條件對污染物、污染類型（水）和治理設備（運行時間）進行按月分析和按年分析

數(shù)據(jù)存儲

本設備能自動監(jiān)測、記錄、存儲、傳送數(shù)據(jù)，實時采集各類環(huán)保測量儀器的輸出信號，并將測量數(shù)據(jù)通過無線遠程發(fā)送至環(huán)保監(jiān)控中心，同時將數(shù)據(jù)保存在本機大容量數(shù)據(jù)存儲器中。

參數(shù)設置

1、可按照設置的時段采集一組數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送至環(huán)保監(jiān)控中心。GPRS/CDMA 網(wǎng)絡是全球分布最廣的無線網(wǎng)絡，使用GPRS/CDMA 的優(yōu)勢在于實時、無線、遠程、誤碼率極低、安裝簡便無需布線等特點。

2、可按照設置的時段采集一組數(shù)據(jù)，并保存在本機內部大容量數(shù)據(jù)存儲器中；

3、可以通過串行接口對系統(tǒng)各項運行參數(shù)進行設置。對每個通道的采樣數(shù)據(jù)進行物理量的換算對應，從而使終端保存或發(fā)送的數(shù)據(jù)都是符合現(xiàn)場測量指標的數(shù)據(jù)；

4、可通過串行接口訪問機內大容量存儲器中的數(shù)據(jù)。將終端保存數(shù)據(jù)保存到計算機數(shù)據(jù)庫中，以備分析備案；

5、可按照條件設置系統(tǒng)各通道的報警條件，觸發(fā)報警，并可實時將報警信號發(fā)送至監(jiān)控中心。

軟件模擬界面

4.無線水質監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢

中國移動或者中國聯(lián)通GPRS/CDMA系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動或聯(lián)通通信公司的GPRS/CDMA業(yè)務平臺上構建水質監(jiān)測采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)水質監(jiān)測采集點的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡，縮短建設周期，降低建設成本的優(yōu)點，而且設備安裝方便、維護簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS/CDMA系統(tǒng)作為水質監(jiān)測采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。
GPRS/CDMA無線水質監(jiān)測系統(tǒng)具備如下優(yōu)勢：
1、實時性強：
GPRS/CDMA具有實時在線特性，系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個或所有監(jiān)測點的各種數(shù)據(jù)。可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。
2、可對各監(jiān)測點儀器設備進行遠程控制：
通過GPRS/CDMA雙向系統(tǒng)還可實現(xiàn)對儀器設備進行反向控制，如：時間校正、狀態(tài)報告、開關等控制功能，并可進行系統(tǒng)遠程在線升級。
3、建設成本少低：
由于采用GPRS/CDMA公網(wǎng)平臺，無需建設網(wǎng)絡，只需安裝好設備就可以，建設成本低。
4、監(jiān)控范圍廣：
構建水質監(jiān)測采集傳輸系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于水質信息采集點數(shù)量眾多，分布在全省范圍內，部分水質信息采集點位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。
5、具有良好的可擴展性:
由于目前GPRS/CDMA網(wǎng)絡已覆蓋省內絕大部分地區(qū)，基本不存在盲區(qū)，可實現(xiàn)大范圍的在線監(jiān)控，滿足水質信息采集傳輸系統(tǒng)對覆蓋范圍的要求。
6、系統(tǒng)的傳輸容量大：
水質監(jiān)測中心站要和每一個水質信息采集點實現(xiàn)實時連接。由于水質數(shù)據(jù)信息采集點數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS/CDMA技術能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。
7、數(shù)據(jù)傳送速率高：
每個水質信息采集點每次數(shù)據(jù)傳輸量在10Kbps之內。GPRS網(wǎng)絡傳送速率理論上可達171.2kbit/s，目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在40Kbps左右，完全能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
8、通信費用低：
采用包月計費方式，運營成本低。

5.安全措施

由于水質監(jiān)測系統(tǒng)的特殊性，本系統(tǒng)需要極高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內外的有意和無意的破環(huán)，網(wǎng)絡安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。以GPRS為例，數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動GPRS網(wǎng)，采用VPN方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經(jīng)過Radius服務器的認證整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡服務質量。另外，數(shù)據(jù)中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設備上，這種成本高，安全性高、穩(wěn)定可靠。對于安全性要求非常高的系統(tǒng)，可考慮在專用APN接入的基礎上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進一步提高系統(tǒng)的安全性。

1、VPN虛擬專網(wǎng)模式：企業(yè)內部網(wǎng)絡中配置VPN服務器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術，用戶通過接入企業(yè)內部虛擬專網(wǎng)的方式與Internet進行隔離，可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護，有效避免非法入侵。

2、用SIM卡的唯一性：對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權，在網(wǎng)絡側對SIM卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機號才能訪問專用APN，移動終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動分配的專門的APN進行無線網(wǎng)絡接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

3、對于特定用戶：可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID和密碼，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。

4、數(shù)據(jù)加密：通過VPN對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。

5、網(wǎng)絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網(wǎng)絡鑒權和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。

6.系統(tǒng)成本

一套完整系統(tǒng)的所有設備和軟件及建設成本列表如下:

序號	項目	數(shù)量	單價（元）	功能
1	GPRS無線傳輸設備	20		GPRS傳輸，每監(jiān)測點一個
2	LED顯示屏	20
3	中心控制設備	1		設置參數(shù)
4	中心軟件	1		中心管理、控制
5	電子地圖	1		電子地圖顯示監(jiān)控點
6	計算機	1	0	自備
7	SIM卡	41		自備
8	ADSL上網(wǎng)	1	0	自備
9	固定IP地址	1	0	自備
10	安裝費用
11	運輸費用
12	稅收費用
13	合計

7.結論

采用有線方式，租用靜態(tài) IP目前費用比較高約800~1500元/月。采用GPRS/CDMA無線方式，系統(tǒng)流量費用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費方式，GPRS按流量計算0.01元K，而包月制20元/月有50M流量，可滿足省水質監(jiān)測局目前水質數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)量，估計日后其費用會逐步降低。對于水質監(jiān)測局等用戶來說，由于通信費用較低，享受到了實惠。另外，由于接入設備可以移動，當水質觀測站和水質信息采集點搬遷時設備可隨之遷移并可繼續(xù)使用，可以保護用戶原有投資，適合于水質信息采集工作的特點。
采用GPRS/CDMA構建水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅能很好地滿足水質信息采集監(jiān)測的需求，而且，做為網(wǎng)絡運營商的移動或聯(lián)通通信公司也將因此獲得業(yè)務穩(wěn)定的集團用戶，隨著用戶數(shù)量的增加，移動或聯(lián)通通信公司的營收也隨之增加，調動了運營商的積極性，符合網(wǎng)絡建設和網(wǎng)絡應用同步發(fā)展的要求。

8.公司簡介

上海正偉數(shù)字技術有限公司是一家注冊于上海高新技術開發(fā)區(qū)內的專業(yè)的技術研發(fā)型公司，公司專注于嵌入式系統(tǒng)領域的技術創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)，專業(yè)提供嵌入式網(wǎng)絡領域、無線網(wǎng)絡領域和嵌入式計算系統(tǒng)領域的軟硬件產(chǎn)品及服務。

公司擁有資深的設計師和專業(yè)的管理者，并具有從博士到專科不同學歷的良好人才結構。公司與眾多廠家、研究所在器件供貨、產(chǎn)品經(jīng)銷、技術創(chuàng)新等方面形成了良好的合作伙伴關系。

憑借其技術、人才、管理優(yōu)勢，本著“踏實創(chuàng)新，追求卓越”的企業(yè)精神，正偉數(shù)字銳意進取，勇于創(chuàng)新，已成為領先的嵌入式網(wǎng)絡領域設備和服務提供商。

“正人正事，偉心偉業(yè)”是公司永恒的信念和追求。