摘 要：針對我國主要的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)存在水質(zhì)采樣能力弱、數(shù)據(jù)處理不及時、缺乏水質(zhì)變化預警機制等問題，提出了一種基于GPRS技術的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。描述了系統(tǒng)組成，重點介紹了GPRS模塊的工作過程以及監(jiān)控中心子系統(tǒng)的關鍵部分。同時對水質(zhì)采集子系統(tǒng)的軟件設計進行了著重的闡述，提出多狀態(tài)、多任務、多線程的軟件設計思想，詳細分析了GPRS模塊流程，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。測試表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，時效性好，運行成本低，適合新形勢下的水質(zhì)監(jiān)測需要。 關鍵詞：GPRS;水質(zhì)監(jiān)測;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，加強水資源管理已是刻不容緩的現(xiàn)實問題。其中，加強水質(zhì)監(jiān)測尤為重要，它是水資源管理的基礎，為水資源的管理提供有效依據(jù)。 　　目前，我國主要的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)采用現(xiàn)場采集-實驗室分析的方法。該方法存在水質(zhì)采樣不足、缺乏自動測報能力、水質(zhì)監(jiān)測信息處理時效性差、沒有對突發(fā)性污染事故的預警能力等問題[2]。當前也有針對上述問題提出的采用有線電話撥號通訊以及無線MODEM、SMS短消息通訊的自動監(jiān)測系統(tǒng)。但同樣存在問題：有線電話撥號系統(tǒng)受自然條件限制，無線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)運行成本高且由于通訊原理所限不能實現(xiàn)真正的監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸。 　　因此，如何有效、可靠地對水質(zhì)實時監(jiān)測已成為一個必須解決的問題。針對上述問題，文章提出基于GPRS的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)運用GPRS技術，借助現(xiàn)有的移動通訊網(wǎng)絡對分散的水域水質(zhì)實現(xiàn)實時遠程監(jiān)測，具有不受地理環(huán)境、氣候等因素限制，監(jiān)測范圍廣，運行成本低，實時性好等優(yōu)勢，應用前景廣闊。 1 系統(tǒng)組成 　　水質(zhì)自動監(jiān)測系統(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)自動監(jiān)測系統(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、單片機以及GPRS模塊構(gòu)成。該子系統(tǒng)通過水質(zhì)傳感器將實時水質(zhì)信息轉(zhuǎn)換成模擬信號，再由A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并由單片機讀取，水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)再經(jīng)GPRS模塊發(fā)送至初級監(jiān)控中心子系統(tǒng)進行分析處理，根據(jù)水質(zhì)變化情況適時啟動應急預案，發(fā)出預警信息，達到對水質(zhì)的實時采樣、數(shù)據(jù)的及時處理以及水質(zhì)變化預警的目的。并把分析處理數(shù)據(jù)存儲到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中用于長期水質(zhì)變化分析，同時把水質(zhì)信息上傳至高級監(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)的關鍵模塊及子系統(tǒng)作為重點闡述如下。 　　1.1 GPRS通信模塊 　　GPRS是在GSM（Global System for Mobile communication全球移動通信系統(tǒng)）的基礎上開發(fā)的一種新的承載業(yè)務，能為移動用戶提供高速無線IP[3]。GPRS充分利用現(xiàn)有中國移動通信的GSM網(wǎng)絡，具有覆蓋率高、實時性好、傳輸速率高、運行費用低、安全可靠及支持IP協(xié)議等優(yōu)點。它運用了分組交換技術，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又能由多個用戶共享，因而可有效利用資源，數(shù)據(jù)傳輸速率高達160Kbps。另外，GPRS采用全雙工操作，間隙收發(fā)，永遠在線的工作方式，只有在收發(fā)數(shù)據(jù)時才占用系統(tǒng)資源，計費方式以數(shù)據(jù)傳輸量為依據(jù)[4]。與GMS網(wǎng)絡下的SMS短消息傳輸方式相比較，實時性更好、系統(tǒng)運行成本更低。 　　GPRS模塊是無線通訊的關鍵設備，是構(gòu)成水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)的基礎。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，具有標準AT命令接口，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以提供GSM語音、SMS短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務，具有較好的性價比，應用范圍十分廣泛。GPRS模塊與單片機之間采用標準的RS-232串行接口通信進行數(shù)據(jù)傳遞。具有固定IP地址的監(jiān)控中心計算機接入移動公司提供的專網(wǎng)，登錄到Internet。GPRS模塊由SGSN節(jié)點登錄到GPRS網(wǎng)絡，通過GGSN網(wǎng)關進入到Internet網(wǎng)絡，找到監(jiān)控中心計算機IP進行數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)了遠程數(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，把實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心上位機系統(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)負責對各水質(zhì)采集子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理，要求服務器連接在移動公司提供的專用網(wǎng)絡上。一方面可以保證服務器的IP地址固定不變。由于GPRS終端連接的IP地址具有唯一性，當服務器的IP地址不固定時，則GPRS模塊將不能連接上服務器，從而導致GPRS模塊不能把監(jiān)測數(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，但與移動公司專網(wǎng)相比，公網(wǎng)IP的租賃費用高，造成整個系統(tǒng)的運行成本提高[5]。另一方面，采用移動公司專網(wǎng)，可以保證服務器不被其他具有GPRS功能終端的干擾。因為只有使用移動公司提供的專用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終端有意或無意的對監(jiān)控中心子系統(tǒng)的干擾[6]，保證了系統(tǒng)運行安全。 2 系統(tǒng)軟件設計 　　系統(tǒng)軟件分為兩個部分：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語言編寫;監(jiān)控中心子系統(tǒng)軟件部分采用Visual Basic語言編寫。本文對兩部分軟件描述如下，其中，對水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件部分進行重點闡述。 　　2.1水質(zhì)采集子系統(tǒng)軟件 　　該子系統(tǒng)沒有采用目前常用的多處理器硬件設計，而由一個單片機獨立處理所有的事務。當面對一個多狀態(tài)、多任務、多線程的處理難題時，系統(tǒng)在沒有使用操作系統(tǒng)的情況下，利用調(diào)度器的概念，模擬了一個簡易的操作系統(tǒng)，并將該子系統(tǒng)軟件拆成多個任務模塊，每個任務又被分成多個簡單步驟，根據(jù)任務的需要和設計者要求來進行調(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、信號采集模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊 、實時時鐘和存儲器模塊等。本文就該子系統(tǒng)整體設計思想和GPRS模塊的設計詳細介紹如下。 　　2.1.1 子系統(tǒng)軟件整體設計思想 　　該子系統(tǒng)以程序設計模塊化為原則，超級循環(huán)為框架，調(diào)度器為簡易的操作系統(tǒng)，并且始終貫穿多級任務與多狀態(tài)任務的設計思想，構(gòu)成了整個子系統(tǒng)軟件的設計。其中超級循環(huán)和調(diào)度器的程序流程如圖2、圖3所示。 [align=center] 圖2 超級循環(huán)程序流程圖 Fig 2 Flow chart of super cycle[/align] 　　每個功能模塊依靠自己的標識來識別,而標識由系統(tǒng)的調(diào)度器來設定。調(diào)度器實際是主循環(huán)程序中調(diào)用的一個函數(shù)，該函數(shù)是以一個定時器為基本時間單位，根據(jù)任務執(zhí)行時間間隔的不同而設置不同標識的計數(shù)器，它使任務在特定時刻被調(diào)度運行。為保證實時監(jiān)測，將時間要求嚴格的任務設置成搶斷式任務，優(yōu)先執(zhí)行，對耗時長對時間要求又不高的任務拆分成多級任務逐次完成，從而減少延時時間，把主循環(huán)時間控制在幾個毫秒內(nèi)，保障了系統(tǒng)快速流暢地運行。 [align=center] 圖3 調(diào)度器程序流程圖 Fig 3 Flow chart of scheduler[/align] 　　2.1.2 GPRS模塊設計 　　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：定時傳輸模式和中心呼號模式。根據(jù)實時監(jiān)測水質(zhì)的要求，本系統(tǒng)選用定時傳輸模式。該模式下，GPRS模塊上電后，初始化模塊，登陸GPRS網(wǎng)絡，成功連接數(shù)據(jù)中心后，間隔一定的時間（分鐘）傳輸一次實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。由于GPRS終端連接在網(wǎng)絡上且無數(shù)據(jù)傳輸時會自動掉線（掉線時間由移動網(wǎng)絡決定），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)測中心，監(jiān)測中心收到心跳后應答回復，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)會自動重新登陸監(jiān)控中心系統(tǒng)，恢復在線狀態(tài)，進行水質(zhì)監(jiān)測的實時數(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間，如果完成某一次操作，系統(tǒng)就會在GPRS模塊等待期間“無所事事”。所以，本子系統(tǒng)采用多任務思想，將該模塊任務拆分成七個簡短的步驟，每次模塊運行只需完成一個步驟，然后釋放CPU資源給其他任務，在下一次模塊訪問時完成下一個步驟，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)的時間消耗，利用這段時間完成對其他模塊的訪問，提高系統(tǒng)運行效率。 　　GPRS模塊通訊流程如圖4所示。在兩個步驟之間設置模擬定時器，在時間未到之前系統(tǒng)不允許對進行下一步驟的操作，模擬定時器嵌套在調(diào)度器中來完成。 　　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、報表、曲線圖、數(shù)據(jù)導出等功能。監(jiān)控中心計算機保持連接在專網(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)指導監(jiān)控系統(tǒng)進行心跳應答、水質(zhì)數(shù)據(jù)的分析處理以及根據(jù)水質(zhì)變化情況適時啟動緊急預案、發(fā)出預警信息。數(shù)據(jù)庫功能用以保存和管理各個水質(zhì)監(jiān)測點的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及各個流域水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)。并且各級數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)資源，不僅有利于水質(zhì)監(jiān)測的集中統(tǒng)一管理，還保證水質(zhì)監(jiān)測的全方位、一體化。報表、曲線圖功能形象反映各個監(jiān)測點、各個水域、各個流域的水質(zhì)變化情況，有利于水質(zhì)變化的準確判別，為決策者提供實時準確的水質(zhì)變化信息。數(shù)據(jù)導出功能用于配合指定打印機的紙質(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)性能測試與分析 　　為測試系統(tǒng)的綜合性能，在某運河的某一航段對該系統(tǒng)進行試驗運行。系統(tǒng)對航段中每隔5公里的水質(zhì)進行采樣、傳輸、分析處理。 　　在系統(tǒng)測試時，考慮到可能影響系統(tǒng)傳輸性能的各方面因素，針對不同時間段、數(shù)據(jù)長度及監(jiān)測點數(shù)量，進行了數(shù)據(jù)傳輸記錄試驗和性能分析。系統(tǒng)監(jiān)測性能指標如表1所示。測試結(jié)果表明在市級規(guī)模的初級監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸性能較好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理及時，監(jiān)測準確度高;從無線傳輸角度出發(fā)，GPRS傳輸速率比的無線MODEM快3倍，比SMS短消息運行成本低47%。GPRS無線傳輸系統(tǒng)的整體性能優(yōu)于無線MODEM和SMS短消息系統(tǒng)。 [align=center]表1 系統(tǒng)監(jiān)測性能指標 TAB 1 Monitering indicators of of the system [/align] 4 結(jié)束語 　　本研究設計是基于GPRS的水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，具有水質(zhì)監(jiān)測采樣范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸不受地理氣候限制、數(shù)據(jù)處理及時、出現(xiàn)水質(zhì)變化預警及時的優(yōu)點。采用GPRS通訊技術實時監(jiān)測水質(zhì)變化，為環(huán)境監(jiān)測部門提供全面、實時水質(zhì)監(jiān)測信息，并且系統(tǒng)運行和維護費用較低，節(jié)省大量人力、物力、財力。該系統(tǒng)已在某運河部分水域試運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，并體現(xiàn)出比較高的經(jīng)濟效益和社會效益，具有良好的應用前景。 參考文獻: 　　[1] 吳紅艷.水質(zhì)監(jiān)測在水資源保護中的作用[J].電力學報,2007,22（4）:509-511. 　　[2] 黃毅,黎杰.基于GPRS的水廠實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學 版）,2008,31（5）:705-707. 　　[3] 鄭萬溪,黃元慶,張鑫等.基于GPRS通信技術的遠程檢測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27（2）:83-85. 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