基于GPRS 的土壤及大气环境腐蚀性实时监测系统研究

解晓飞,王 岩

(天津石油职业技术学院,天津市 301607)

基于GPRS 的土壤及大气环境腐蚀性实时监测系统研究

解晓飞,王 岩

(天津石油职业技术学院,天津市 301607)

管道、容器等地面设施金属腐蚀的主要原因是管道、容器所处土壤及大气环境的腐蚀性。基于 GPRS远程传输的土壤及大气环境腐蚀性实时监测系统,通过单片机控制M DA-3检测仪与GPRS技术来了解跟踪不同地区土壤及环境腐蚀状况。

GPRS;土壤;大气环境;腐蚀性

一、建立土壤及大气环境信息监测系统的意义

对土壤及大气环境腐蚀性的监测工作具有地域广、监测点分散、监测周期长等特点。监测点一般安装在野外,采用导线传输数据方式不现实,采用架设中心接收站的方式,不但成本高,而且覆盖范围也有限。比较好的解决方案是实现对土壤及大气环境腐蚀性的远距离监测。GPRS(General Packet Radio Service)是在现有GSM系统基础上发展起来的一种网络业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据传输。GPRS以其使用方便、数据传输稳定、运行成本低等特点已广泛应用于社会生产和生活的各个领域,如远程抄表、健康监控等。利用广泛覆盖的移动通信网络提供的GPRS技术实现对现场采集的土壤及大气环境腐蚀性数据进行传输就成为解决土壤及大气环境腐蚀性的监测工作问题的完美解决方案,是GPRS在应用领域的又一次拓展与开发。笔者参与研究的大庆油田设计院土壤防腐办公室立项开发课题“土壤及大气环境腐蚀性实时采集及监测系统”就是一个比较成功的案例。系统设计的基本思路是:运用GPRS技术通过高精度的数据采集装置得到各类土壤环境数据,通过无线网络远程传输到监测中心,利用专业软件对数据进行分析处理,实现对土壤腐蚀性及大气环境参数的实时监测,提高土壤及大气环境数据管理的自动化、信息化水平,并通过给用户提供各区域的土壤及大气腐蚀特性信息,来指导地面设施腐蚀防护工作的开展,以延长设备使用寿命,节约生产成本。

二、系统的设计与实现

项目的总体目标是:建立一套完善的、有实际应用价值的、安全可靠的无人值守土壤及大气环境信息监测系统。该系统通过对监测区域合理布点,运用高精度的数据采集装置得到各类土壤环境数据,如土壤的氧化还原电位 Eh、腐蚀电位、电位梯度、含水率、盐份、电阻率、温度、ph值等,并采用先进高效的GPRS网络将数据远传到中心站,并利用微机对检测数据进行综合管理,对数据做各种专业的统计分析,得出用户所需的直观显示和文字描述的分析统计结果报告。

系统由现场数据采集、数据集中收发、远程传输及数据管理分析软件四个子系统组成。

现场数据采集子系统实现对野外现场土壤腐蚀性及大气环境腐蚀参数的采集;数据集中收发子系统用于控制采集器M DA-3的采集和数据储存,同时负责数据的发送和设备故障监测;远程传输子系统用于将已经数字化的检测数据传送到监测中心数据库;数据管理分析子系统实现对各类环境数据的管理和分析统计,并输出各类统计报表和分析报告。系统结构图如图1所示:

图1 土壤及大气腐蚀性实时监测系统结构图

1.现场数据采集子系统

本子系统实现对野外现场土壤腐蚀性及大气环境多种参数的数据采集。首先在确定好的监测地点安放各类检测传感器,并通过高精度的A/D转换装置将其转换为数字信号。本部分中考虑到较远距离的检测时信号的衰减情况,为保证检测数据的可靠性,采取了必要的措施保证检测信号的有效传输。具体实现方法是:在检测传感器后端安装信号放大器,然后将放大的信号传送到检测数据处理转换设备,该设备采用中科院南京土壤所技术服务中心生产的 M DA-3多通道数据采集系统。为保证检测数据的准确性,在将模拟信号输入M DA-3前需要将信号还原为初始检测信号。信号采集与传送的结构图如图2所示:

2.数据集中收发子系统

本子系统主要功能有三个:

(1)通过发送数据采集和传输命令,控制采集器M DA-3腐蚀数据的采集,并负责储存数据。为保证数据在掉电后不会丢失,系统采用f lash存储器,最长可储存3个月的数据。同时数据存储器采用插座式安装,当设备出现故障时用户可以采用直接读取芯片数据的方法提取数据,增加了数据的安全性。

(2)负责控制GPRS终端装置D TU发送数据及提示管理员提取数据。此功能有三个可选方式,一是定时发送提示短信通知管理员提取数据;二是定时跟中心站联系向中心站发送数据,此方式是D TU主动连接中心站,系统连接2-3次未能连接时放弃连接,等待下次继续连接,此功能避免了由于D TU连接中心站而造成的流量浪费,如中心站一直没有上线,当数据将满时,系统会通过短信提示管理员提取数据;三是储存的数据将满时每天向管理员发送提示信息,通知管理员提取数据。

(3)设备故障监测功能。此功能主要负责对数据采集终端的设备进行监测,当设备出现故障时,显示故障的线路,并向管理员手机发送报警信息。

系统还增加了实时时钟模块,为系统提供时间,使系统能够准确地判断采集的时间和发送提示短信的时间,采集到的数据有准确的时间,便于存储和查询。

图2 信号采集与传送系统结构图

由于单片机与M DA-3与D TU数据传输均采用串行通讯模式,而单片机只有一个串行通讯口,系统需要进行串口扩展。扩展采用SP2338实现。SP2338是一种新型的单片机串口扩展芯片,该芯片能将普通的51系列单片机的一个串口扩展为三个独立的全双工串口,并且三个串口的波特率达到了9600bps。SP2338共有四个串口,一个母串口,三个子串口,它们都是全双工的串行通信口,允许同时接收和发送数据。母串口与需要扩展的51单片机的串口相连,子串口与其他串口设备相连,这样就实现了只有一个串口的单片机可与三个串口设备相连。各功能模块如图3所示:

图3 数据集中收发子系统功能模块图

3.远程传输子系统

本子系统的功能是将已经数字化的检测数据传送到中心站数据库。采用GPRS-M OD EM—GPRS—D TU的组网方式,组网灵活,中心站移动方便。根据本系统中数据传输的特点GPRS-D TU端采用多种上线方式:中心站唤醒上线方式、短信唤醒方式、振铃方式、硬件控制方式。中心站唤醒方式是通过中心站软件唤醒D TU上线或通过固定电话唤醒D TU上线;短信唤醒方式是用户以短信方式向D TU端发送命令,唤醒D TU上线;振铃方式是用手机拨打D TU端电话号码,唤醒其上线;硬件控制方式是采用定时发送数据方式时使用的一种唤醒方法,以硬件控制D TU上线与中心站联系,当数据传送完毕时,控制D TU自动下线。

经过论证比较,此部分采用了(GM S,CDM A)公网GPRS无线传输方式实现。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据,而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS理论带宽可达171.2Kb/s,实际应用带宽大约在10～70Kb/s,在此信道上提供TCP/IP连接,可以用于IN TERN ET连接、数据传输等应用。为实现对数据采集的控制和正确接收,在接收端开发了相应的数据接收软件模块。系统远程数据传输过程如图4所示。

图4 系统数据传输工作原理

4.数据管理分析软件子系统

软件子系统是一个土壤及大气腐蚀性数据专业应用的管理软件,用于实现对检测得到的各类土壤腐蚀性及大气环境信息进行综合管理,并依据数学模型对检测信息进行分析统计,并输出各类统计报表和分析报告,提供腐蚀性分布等技术信息。软件功能主要包括:

(1)数据采集控制功能。通过GRPS向远程数据检测终端发送控制命令、设置检测参数、起动检测过程,并接收检测终端发送回来的检测数据、保存到服务器数据库中。

(2)信息查询功能。根据需要,有选择的查询各类土壤腐蚀性及大气环境信息,包括实时监控数据和历史数据,查询结果可以以报表格式显示,也可以以数据变化曲线图的形式显示。

(3)数据统计功能。对各类检测到的土壤腐蚀性及大气环境信息进行分类统计,如按时间统计、按技术指标统计、按区域统计等,输出统计结果。

(4)专业分析功能。结合土壤防护和环境监控专业知识,建立科学的数学分析模型,对土壤腐蚀性及大气环境信息进行专业技术分析,输出各类分析结果报告,为国家地面建设提供参考依据。

(5)用户管理。包括用户登录管理、用户信息管理、权限管理等。

三、应用测试与讨论

本系统于2008年底在新疆油田、大港油田进行应用性测试。测试中,传送的土壤腐蚀性及大气环境数据都准确无误地到达了接收方,传输质量非常稳定,且传输距离可以达到GSM网络能达到的地方。GPRS能实现“永远在线”,所以一旦建立GPRS连接,就可以随时发送数据,不需再拨号。由于土壤腐蚀性及大气环境数据量不大(一般每小时采集一组数据),所以耗费的GPRS通信费也是很少的,根据目前中国移动的资费标准,以采用20元包月送1M bytes的资费方式、采集10个监测点计算,每月花费大概在200元左右。

[1]朱洪波,等译.J R(Bud)Bates.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[2]唐山蓝迪通信科技有限公司.DG6000-GPRS D TU技术手册.

A bs tra c t:Some ground facilities likemetal pipes and vessels are easy to be corroded because of the corrosive nature of the soil and atmospheric environment w here they are located.The app lication of GPRS-based real-time monitoring system makes it possible to track the corrosion situation of various soil and environment.

Ke y w o rd s:GPRS;soil;atmospheric environment;corrosiveness

Research on the GPRS-based Real-time M onito ring System of Soil&A tm ospheric Environm ent’s Corrosiveness

XIE Xiao-fei,WANG Yan

(Tianjin Petroleum Vocational and Technical College,Tianjin 301607 China)

TN 98

A

1673-582X(2011)02-0063-04

2010-11-10

解晓飞(1969-),男,河北高阳人,天津石油职业技术学院自动化教研室副主任,硕士,研究方向:控制理论与控制工程;王岩(1971-),女,天津市人,天津石油职业技术学院教师,硕士,研究方向:高职学生心理咨询与心理健康教育。