摘 要：針對(duì)我國(guó)主要的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在水質(zhì)采樣能力弱、數(shù)據(jù)處理不及時(shí)、缺乏水質(zhì)變化預(yù)警機(jī)制等問(wèn)題，提出了一種基于GPRS技術(shù)的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。描述了系統(tǒng)組成，重點(diǎn)介紹了GPRS模塊的工作過(guò)程以及監(jiān)控中心子系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。同時(shí)對(duì)水質(zhì)采集子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了著重的闡述，提出多狀態(tài)、多任務(wù)、多線程的軟件設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)分析了GPRS模塊流程，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。測(cè)試表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，時(shí)效性好，運(yùn)行成本低，適合新形勢(shì)下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)需要。 關(guān)鍵詞：GPRS;水質(zhì)監(jiān)測(cè);調(diào)度器;操作系統(tǒng) Abstract: In response to the problems in Chinese major monitoring system of water quality such as weak sampling capability of water quality, untimely data processing, and lack of early warning mechanism of water quality change, based on GPRS technology, the design scheme of an automatic water quality monitoring system was proposed. The system composition was described, and the working process of GPRS module, together with the key part of the sub-system of monitoring center was introduced in detail. Meanwhile, the software design of the sub-system of water quality collection was explained, advancing the multi-state, multi-task, multithreading software designing idea. The GPRS module flow was analyzed and the systematic function was achieved. Tests showed that the system had stable performance, good timeliness and low operation cost, which can meet the need of water quality monitoring under the new situation. Key words: GPRS; monitoring water quality; scheduler; operation system 0 引言 　　水是人類賴以生存的一種自然資源。但隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、人口的快速增加，污染物排放量持續(xù)增加，水污染日趨嚴(yán)重，影響人們的生活、生產(chǎn)秩序，給生態(tài)環(huán)境造成不可逆的影響[1]。因此，加強(qiáng)水資源管理已是刻不容緩的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。其中，加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)尤為重要，它是水資源管理的基礎(chǔ)，為水資源的管理提供有效依據(jù)。 　　目前，我國(guó)主要的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)采集-實(shí)驗(yàn)室分析的方法。該方法存在水質(zhì)采樣不足、缺乏自動(dòng)測(cè)報(bào)能力、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理時(shí)效性差、沒(méi)有對(duì)突發(fā)性污染事故的預(yù)警能力等問(wèn)題[2]。當(dāng)前也有針對(duì)上述問(wèn)題提出的采用有線電話撥號(hào)通訊以及無(wú)線MODEM、SMS短消息通訊的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但同樣存在問(wèn)題：有線電話撥號(hào)系統(tǒng)受自然條件限制，無(wú)線MODEM系統(tǒng)網(wǎng)路覆蓋范圍有限且數(shù)據(jù)傳輸慢，SMS短消息系統(tǒng)運(yùn)行成本高且由于通訊原理所限不能實(shí)現(xiàn)真正的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。 　　因此，如何有效、可靠地對(duì)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為一個(gè)必須解決的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出基于GPRS的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)運(yùn)用GPRS技術(shù)，借助現(xiàn)有的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)對(duì)分散的水域水質(zhì)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，具有不受地理環(huán)境、氣候等因素限制，監(jiān)測(cè)范圍廣，運(yùn)行成本低，實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。 1 系統(tǒng)組成 　　水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水質(zhì)采集子系統(tǒng)和監(jiān)控中心子系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。 [align=center] 圖1 基于GPRS水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架 Fig 1 Framework of automated monitoring system of water quality based on GPRS[/align] 　　水質(zhì)采集子系統(tǒng)主要由水質(zhì)傳感器集合、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)以及GPRS模塊構(gòu)成。該子系統(tǒng)通過(guò)水質(zhì)傳感器將實(shí)時(shí)水質(zhì)信息轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再由A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并由單片機(jī)讀取，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再經(jīng)GPRS模塊發(fā)送至初級(jí)監(jiān)控中心子系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，根據(jù)水質(zhì)變化情況適時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，發(fā)出預(yù)警信息，達(dá)到對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)采樣、數(shù)據(jù)的及時(shí)處理以及水質(zhì)變化預(yù)警的目的。并把分析處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)中用于長(zhǎng)期水質(zhì)變化分析，同時(shí)把水質(zhì)信息上傳至高級(jí)監(jiān)控中心，從而形成全方位、一體化的水質(zhì)監(jiān)控模式。本文就系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊及子系統(tǒng)作為重點(diǎn)闡述如下。 　　1.1 GPRS通信模塊 　　GPRS是在GSM（Global System for Mobile communication全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種新的承載業(yè)務(wù)，能為移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP[3]。GPRS充分利用現(xiàn)有中國(guó)移動(dòng)通信的GSM網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋率高、實(shí)時(shí)性好、傳輸速率高、運(yùn)行費(fèi)用低、安全可靠及支持IP協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)。它運(yùn)用了分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道，同一無(wú)線信道又能由多個(gè)用戶共享，因而可有效利用資源，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)160Kbps。另外，GPRS采用全雙工操作，間隙收發(fā)，永遠(yuǎn)在線的工作方式，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才占用系統(tǒng)資源，計(jì)費(fèi)方式以數(shù)據(jù)傳輸量為依據(jù)[4]。與GMS網(wǎng)絡(luò)下的SMS短消息傳輸方式相比較，實(shí)時(shí)性更好、系統(tǒng)運(yùn)行成本更低。 　　GPRS模塊是無(wú)線通訊的關(guān)鍵設(shè)備，是構(gòu)成水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)選擇PIML-900/1800作為GPRS通訊模塊。該模塊是TechFaith Wireless推出的GSM/DCS雙頻模塊，具有標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以提供GSM語(yǔ)音、SMS短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)，具有較好的性價(jià)比，應(yīng)用范圍十分廣泛。GPRS模塊與單片機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)的RS-232串行接口通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。具有固定IP地址的監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)接入移動(dòng)公司提供的專網(wǎng)，登錄到Internet。GPRS模塊由SGSN節(jié)點(diǎn)登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GGSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)入到Internet網(wǎng)絡(luò)，找到監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)IP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。在本系統(tǒng)中，水質(zhì)采集子系統(tǒng)依據(jù)特定的規(guī)約，把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機(jī)系統(tǒng)中，等待系統(tǒng)分析處理。 　　1.2 監(jiān)控中心子系統(tǒng) 　　監(jiān)控中心子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)各水質(zhì)采集子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，要求服務(wù)器連接在移動(dòng)公司提供的專用網(wǎng)絡(luò)上。一方面可以保證服務(wù)器的IP地址固定不變。由于GPRS終端連接的IP地址具有唯一性，當(dāng)服務(wù)器的IP地址不固定時(shí)，則GPRS模塊將不能連接上服務(wù)器，從而導(dǎo)致GPRS模塊不能把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心子系統(tǒng)上。目前，保證IP地址固定還可以采用公網(wǎng)IP，但與移動(dòng)公司專網(wǎng)相比，公網(wǎng)IP的租賃費(fèi)用高，造成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本提高[5]。另一方面，采用移動(dòng)公司專網(wǎng)，可以保證服務(wù)器不被其他具有GPRS功能終端的干擾。因?yàn)橹挥惺褂靡苿?dòng)公司提供的專用SIM卡的GPRS終端才能登陸專網(wǎng)，所以避免了使用普通SIM的GPRS終端有意或無(wú)意的對(duì)監(jiān)控中心子系統(tǒng)的干擾[6]，保證了系統(tǒng)運(yùn)行安全。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)軟件分為兩個(gè)部分：水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件部分和監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件部分。水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫;監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件部分采用Visual Basic語(yǔ)言編寫。本文對(duì)兩部分軟件描述如下，其中，對(duì)水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件部分進(jìn)行重點(diǎn)闡述。 　　2.1水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件 　　該子系統(tǒng)沒(méi)有采用目前常用的多處理器硬件設(shè)計(jì)，而由一個(gè)單片機(jī)獨(dú)立處理所有的事務(wù)。當(dāng)面對(duì)一個(gè)多狀態(tài)、多任務(wù)、多線程的處理難題時(shí)，系統(tǒng)在沒(méi)有使用操作系統(tǒng)的情況下，利用調(diào)度器的概念，模擬了一個(gè)簡(jiǎn)易的操作系統(tǒng)，并將該子系統(tǒng)軟件拆成多個(gè)任務(wù)模塊，每個(gè)任務(wù)又被分成多個(gè)簡(jiǎn)單步驟，根據(jù)任務(wù)的需要和設(shè)計(jì)者要求來(lái)進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行。水質(zhì)采集子系統(tǒng)主要的功能模塊有鍵盤掃描和LCD 顯示模塊、GPRS通信模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊 、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和存儲(chǔ)器模塊等。本文就該子系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想和GPRS模塊的設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹如下。 　　2.1.1 子系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)思想 　　該子系統(tǒng)以程序設(shè)計(jì)模塊化為原則，超級(jí)循環(huán)為框架，調(diào)度器為簡(jiǎn)易的操作系統(tǒng)，并且始終貫穿多級(jí)任務(wù)與多狀態(tài)任務(wù)的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)成了整個(gè)子系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。其中超級(jí)循環(huán)和調(diào)度器的程序流程如圖2、圖3所示。 [align=center] 圖2 超級(jí)循環(huán)程序流程圖 Fig 2 Flow chart of super cycle[/align] 　　每個(gè)功能模塊依靠自己的標(biāo)識(shí)來(lái)識(shí)別,而標(biāo)識(shí)由系統(tǒng)的調(diào)度器來(lái)設(shè)定。調(diào)度器實(shí)際是主循環(huán)程序中調(diào)用的一個(gè)函數(shù)，該函數(shù)是以一個(gè)定時(shí)器為基本時(shí)間單位，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行時(shí)間間隔的不同而設(shè)置不同標(biāo)識(shí)的計(jì)數(shù)器，它使任務(wù)在特定時(shí)刻被調(diào)度運(yùn)行。為保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將時(shí)間要求嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)置成搶斷式任務(wù)，優(yōu)先執(zhí)行，對(duì)耗時(shí)長(zhǎng)對(duì)時(shí)間要求又不高的任務(wù)拆分成多級(jí)任務(wù)逐次完成，從而減少延時(shí)時(shí)間，把主循環(huán)時(shí)間控制在幾個(gè)毫秒內(nèi)，保障了系統(tǒng)快速流暢地運(yùn)行。 [align=center] 圖3 調(diào)度器程序流程圖 Fig 3 Flow chart of scheduler[/align] 　　2.1.2 GPRS模塊設(shè)計(jì) 　　由于系統(tǒng)采用的PIML-900/1800雙頻GPRS模塊具有SMS短消息和GPRS上網(wǎng)功能，則GPRS通訊可以有兩種工作模式：定時(shí)傳輸模式和中心呼號(hào)模式。根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)的要求，本系統(tǒng)選用定時(shí)傳輸模式。該模式下，GPRS模塊上電后，初始化模塊，登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)，成功連接數(shù)據(jù)中心后，間隔一定的時(shí)間（分鐘）傳輸一次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由于GPRS終端連接在網(wǎng)絡(luò)上且無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)自動(dòng)掉線（掉線時(shí)間由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)決定），為了保證GPRS終端一直在線，文章提出GPRS心跳包的概念。GPRS心跳包由GPRS終端每隔4分鐘發(fā)送一次給監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心收到心跳后應(yīng)答回復(fù)，從而保證GPRS終端一直在線。若GPRS終端掉線，則水質(zhì)采集子系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新登陸監(jiān)控中心系統(tǒng)，恢復(fù)在線狀態(tài)，進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。 　　GPR模塊在建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)中間都需要一定間隔的等待時(shí)間，如果完成某一次操作，系統(tǒng)就會(huì)在GPRS模塊等待期間“無(wú)所事事”。所以，本子系統(tǒng)采用多任務(wù)思想，將該模塊任務(wù)拆分成七個(gè)簡(jiǎn)短的步驟，每次模塊運(yùn)行只需完成一個(gè)步驟，然后釋放CPU資源給其他任務(wù)，在下一次模塊訪問(wèn)時(shí)完成下一個(gè)步驟，直到所有的步驟都完成。這樣，一方面可以滿足GPRS芯片的等待要求，另一方面系統(tǒng)也可以降低一次循環(huán)的時(shí)間消耗，利用這段時(shí)間完成對(duì)其他模塊的訪問(wèn)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。 　　GPRS模塊通訊流程如圖4所示。在兩個(gè)步驟之間設(shè)置模擬定時(shí)器，在時(shí)間未到之前系統(tǒng)不允許對(duì)進(jìn)行下一步驟的操作，模擬定時(shí)器嵌套在調(diào)度器中來(lái)完成。 　　2.2　監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件 　　監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件主要包括GPRS數(shù)據(jù)接收/發(fā)送、數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表、曲線圖、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)保持連接在專網(wǎng)上，接收各水質(zhì)采集子系統(tǒng)發(fā)回的數(shù)據(jù)，根據(jù)特定的規(guī)約解析數(shù)據(jù)包。所解析數(shù)據(jù)指導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行心跳應(yīng)答、水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析處理以及根據(jù)水質(zhì)變化情況適時(shí)啟動(dòng)緊急預(yù)案、發(fā)出預(yù)警信息。數(shù)據(jù)庫(kù)功能用以保存和管理各個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及各個(gè)流域水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。并且各級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)共享數(shù)據(jù)資源，不僅有利于水質(zhì)監(jiān)測(cè)的集中統(tǒng)一管理，還保證水質(zhì)監(jiān)測(cè)的全方位、一體化。報(bào)表、曲線圖功能形象反映各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、各個(gè)水域、各個(gè)流域的水質(zhì)變化情況，有利于水質(zhì)變化的準(zhǔn)確判別，為決策者提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的水質(zhì)變化信息。數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能用于配合指定打印機(jī)的紙質(zhì)數(shù)據(jù)輸出，便于備檔管理。 [align=center] 圖4 GPRS模塊通訊流程圖 Fig 4 Flow chart of communication of GPRS module[/align] 3 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析 　　為測(cè)試系統(tǒng)的綜合性能，在某運(yùn)河的某一航段對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)航段中每隔5公里的水質(zhì)進(jìn)行采樣、傳輸、分析處理。 　　在系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，考慮到可能影響系統(tǒng)傳輸性能的各方面因素，針對(duì)不同時(shí)間段、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸記錄試驗(yàn)和性能分析。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能指標(biāo)如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明在市級(jí)規(guī)模的初級(jí)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸性能較好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理及時(shí)，監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高;從無(wú)線傳輸角度出發(fā)，GPRS傳輸速率比的無(wú)線MODEM快3倍，比SMS短消息運(yùn)行成本低47%。GPRS無(wú)線傳輸系統(tǒng)的整體性能優(yōu)于無(wú)線MODEM和SMS短消息系統(tǒng)。 [align=center]表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)性能指標(biāo) TAB 1 Monitering indicators of of the system [/align] 4 結(jié)束語(yǔ) 　　本研究設(shè)計(jì)是基于GPRS的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸不受地理氣候限制、數(shù)據(jù)處理及時(shí)、出現(xiàn)水質(zhì)變化預(yù)警及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。采用GPRS通訊技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，為環(huán)境監(jiān)測(cè)部門提供全面、實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息，并且系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用較低，節(jié)省大量人力、物力、財(cái)力。該系統(tǒng)已在某運(yùn)河部分水域試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，并體現(xiàn)出比較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有良好的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 吳紅艷.水質(zhì)監(jiān)測(cè)在水資源保護(hù)中的作用[J].電力學(xué)報(bào),2007,22（4）:509-511. 　　[2] 黃毅,黎杰.基于GPRS的水廠實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版）,2008,31（5）:705-707. 　　[3] 鄭萬(wàn)溪,黃元慶,張?chǎng)蔚?基于GPRS通信技術(shù)的遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27（2）:83-85. 　　[4] 唐慧強(qiáng),徐芳.基于GPRS的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)儀[J].儀表技術(shù)與傳感器,2008（1）:74-76. 　　[5] 丁暉.GPRS技術(shù)在電力SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電測(cè)與儀表,2007（8）:25-28. 　　[6] R.J.（Bud） Bates.通用分組無(wú)線業(yè)務(wù) （GPRS） 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