摘 要：針對我國主要的水質監測系統存在水質采樣能力弱、數據處理不及時、缺乏水質變化預警機制等問題，提出了一種基于GPRS技術的水質自動監測系統設計方案。描述了系統組成，重點介紹了GPRS模塊的工作過程以及監控中心子系統的關鍵部分。同時對水質采集子系統的軟件設計進行了著重的闡述，提出多狀態、多任務、多線程的軟件設計思想，詳細分析了GPRS模塊流程，實現了系統功能。測試表明系統性能穩定，時效性好，運行成本低，適合新形勢下的水質監測需要。 關鍵詞：GPRS;水質監測;調度器;操作系統 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。但隨著經濟的高速發展、人口的快速增加，污染物排放量持續增加，水污染日趨嚴重，影響人們的生活、生產秩序，給生態環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實問題。其中，加強水質監測尤為重要，它是水資源管理的基礎，為水資源的管理提供有效依據。 　　目前，我國主要的水質監測系統采用現場采集-實驗室分析的方法。該方法存在水質采樣不足、缺乏自動測報能力、水質監測信息處理時效性差、沒有對突發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測系統。但同樣存在問題：有線電話撥號系統受自然條件限制，無線MODEM系統網路覆蓋范圍有限且數據傳輸慢，SMS短消息系統運行成本高且由于通訊原理所限不能實現真正的監測數據的實時傳輸。 　　因此，如何有效、可靠地對水質實時監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的水質自動監測系統的設計方案。該系統運用GPRS技術，借助現有的移動通訊網絡對分散的水域水質實現實時遠程監測，具有不受地理環境、氣候等因素限制，監測范圍廣，運行成本低，實時性好等優勢，應用前景廣闊。 1 系統組成 　　水質自動監測系統由水質采集子系統和監控中心子系統兩部分組成，如圖1所示。 [align=center] 圖1 基于GPRS水質自動監測系統框架 Fig 1 Framework of automated monitoring system of water quality based on GPRS[/align] 　　水質采集子系統主要由水質傳感器集合、A/D轉換器、單片機以及GPRS模塊構成。該子系統通過水質傳感器將實時水質信息轉換成模擬信號，再由A /D轉換器轉換為數字信號并由單片機讀取，水質監測數據再經GPRS模塊發送至初級監控中心子系統進行分析處理，根據水質變化情況適時啟動應急預案，發出預警信息，達到對水質的實時采樣、數據的及時處理以及水質變化預警的目的。并把分析處理數據存儲到監控中心數據庫中用于長期水質變化分析，同時把水質信息上傳至高級監控中心，從而形成全方位、一體化的水質監控模式。本文就系統的關鍵模塊及子系統作為重點闡述如下。 　　1.1 GPRS通信模塊 　　GPRS是在GSM（Global System for Mobile communication全球移動通信系統）的基礎上開發的一種新的承載業務，能為移動用戶提供高速無線IP[3]。GPRS充分利用現有中國移動通信的GSM網絡，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協議等優點。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，數據傳輸速率高達160Kbps。另外，GPRS采用全雙工操作，間隙收發，永遠在線的工作方式，只有在收發數據時才占用系統資源，計費方式以數據傳輸量為依據[4]。與GMS網絡下的SMS短消息傳輸方式相比較，實時性更好、系統運行成本更低。 　　GPRS模塊是無線通訊的關鍵設備，是構成水質自動監測系統的基礎。本系統選擇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，內嵌TCP/IP協議，可以提供GSM語音、SMS短消息和GPRS上網等業務，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據傳遞。具有固定IP地址的監控中心計算機接入移動公司提供的專網，登錄到Internet。GPRS模塊由SGSN節點登錄到GPRS網絡，通過GGSN網關進入到Internet網絡，找到監控中心計算機IP進行數據交換，從而實現了遠程數據傳輸的功能。在本系統中，水質采集子系統依據特定的規約，把實時監測數據通過GPRS網絡傳輸到監控中心上位機系統中，等待系統分析處理。 　　1.2 監控中心子系統 　　監控中心子系統負責對各水質采集子系統監測數據的分析處理，要求服務器連接在移動公司提供的專用網絡上。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模塊不能把監測數據傳輸到監控中心子系統上。目前，保證IP地址固定還可以采用公網IP，但與移動公司專網相比，公網IP的租賃費用高，造成整個系統的運行成本提高[5]。另一方面，采用移動公司專網，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，所以避免了使用普通SIM的GPRS終端有意或無意的對監控中心子系統的干擾[6]，保證了系統運行安全。 2 系統軟件設計 　　系統軟件分為兩個部分：水質采集子系統軟件部分和監控中心子系統軟件部分。水質采集子系統軟件部分采用C語言編寫;監控中心子系統軟件部分采用Visual Basic語言編寫。本文對兩部分軟件描述如下，其中，對水質采集子系統軟件部分進行重點闡述。 　　2.1水質采集子系統軟件 　　該子系統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、多任務、多線程的處理難題時，系統在沒有使用操作系統的情況下，利用調度器的概念，模擬了一個簡易的操作系統，并將該子系統軟件拆成多個任務模塊，每個任務又被分成多個簡單步驟，根據任務的需要和設計者要求來進行調度執行。水質采集子系統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、數據預處理模塊 、實時時鐘和存儲器模塊等。本文就該子系統整體設計思想和GPRS模塊的設計詳細介紹如下。 　　2.1.1 子系統軟件整體設計思想 　　該子系統以程序設計模塊化為原則，超級循環為框架，調度器為簡易的操作系統，并且始終貫穿多級任務與多狀態任務的設計思想，構成了整個子系統軟件的設計。其中超級循環和調度器的程序流程如圖2、圖3所示。 [align=center] 圖2 超級循環程序流程圖 Fig 2 Flow chart of super cycle[/align] 　　每個功能模塊依靠自己的標識來識別,而標識由系統的調度器來設定。調度器實際是主循環程序中調用的一個函數，該函數是以一個定時器為基本時間單位，根據任務執行時間間隔的不同而設置不同標識的計數器，它使任務在特定時刻被調度運行。為保證實時監測，將時間要求嚴格的任務設置成搶斷式任務，優先執行，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，把主循環時間控制在幾個毫秒內，保障了系統快速流暢地運行。 [align=center] 圖3 調度器程序流程圖 Fig 3 Flow chart of scheduler[/align] 　　2.1.2 GPRS模塊設計 　　由于系統采用的PIML-900/1800雙頻GPRS模塊具有SMS短消息和GPRS上網功能，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。根據實時監測水質的要求，本系統選用定時傳輸模式。該模式下，GPRS模塊上電后，初始化模塊，登陸GPRS網絡，成功連接數據中心后，間隔一定的時間（分鐘）傳輸一次實時監測數據。由于GPRS終端連接在網絡上且無數據傳輸時會自動掉線（掉線時間由移動網絡決定），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分鐘發送一次給監測中心，監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，則水質采集子系統會自動重新登陸監控中心系統，恢復在線狀態，進行水質監測的實時數據傳輸。 　　GPR模塊在建立連接、發送數據、接收數據中間都需要一定間隔的等待時間，如果完成某一次操作，系統就會在GPRS模塊等待期間“無所事事”。所以，本子系統采用多任務思想，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，另一方面系統也可以降低一次循環的時間消耗，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不允許對進行下一步驟的操作，模擬定時器嵌套在調度器中來完成。 　　2.2　監控中心子系統軟件 　　監控中心子系統軟件主要包括GPRS數據接收/發送、數據庫、報表、曲線圖、數據導出等功能。監控中心計算機保持連接在專網上，接收各水質采集子系統發回的數據，根據特定的規約解析數據包。所解析數據指導監控系統進行心跳應答、水質數據的分析處理以及根據水質變化情況適時啟動緊急預案、發出預警信息。數據庫功能用以保存和管理各個水質監測點的水質監測數據以及各個流域水質監測數據。并且各級數據庫共享數據資源，不僅有利于水質監測的集中統一管理，還保證水質監測的全方位、一體化。報表、曲線圖功能形象反映各個監測點、各個水域、各個流域的水質變化情況，有利于水質變化的準確判別，為決策者提供實時準確的水質變化信息。數據導出功能用于配合指定打印機的紙質數據輸出，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 系統性能測試與分析 　　為測試系統的綜合性能，在某運河的某一航段對該系統進行試驗運行。系統對航段中每隔5公里的水質進行采樣、傳輸、分析處理。 　　在系統測試時，考慮到可能影響系統傳輸性能的各方面因素，針對不同時間段、數據長度及監測點數量，進行了數據傳輸記錄試驗和性能分析。系統監測性能指標如表1所示。測試結果表明在市級規模的初級監控中心數據傳輸性能較好，系統運行穩定，數據處理及時，監測準確度高;從無線傳輸角度出發，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無線傳輸系統的整體性能優于無線MODEM和SMS短消息系統。 [align=center]表1 系統監測性能指標 TAB 1 Monitering indicators of of the system [/align] 4 結束語 　　本研究設計是基于GPRS的水質自動監測系統，具有水質監測采樣范圍廣、數據傳輸不受地理氣候限制、數據處理及時、出現水質變化預警及時的優點。采用GPRS通訊技術實時監測水質變化，為環境監測部門提供全面、實時水質監測信息，并且系統運行和維護費用較低，節省大量人力、物力、財力。該系統已在某運河部分水域試運行，系統運行穩定、可靠，并體現出比較高的經濟效益和社會效益，具有良好的應用前景。 參考文獻: 　　[1] 吳紅艷.水質監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的水廠實時遠程監測系統[J].合肥工業大學學報（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[J].傳感器與微系統,2008,27（2）:83-85. 　　[4] 唐慧強,徐芳.基于GPRS的水情自動測報儀[J].儀表技術與傳感器,2008（1）:74-76. 　　[5] 丁暉.GPRS技術在電力SCADA系統中的應用研究[J].電測與儀表,2007（8）:25-28. 　　[6] R.J.（Bud） Bates.通用分組無線業務 （GPRS） 技術與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004.35-47.