GPRS在监控浙江省地下水开采中的应用

沈凯华,陈立辉

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 浙江省地下水监测的现状

浙江省各个地区都不同程度地存在过量开采地下水问题。杭嘉湖地区超采地下水引起地面沉降的问题尤为突出。地下水超采引发地面沉降等地质灾害,严重影响经济社会的可持续发展。在地面沉降严重的地区,洪涝灾害加剧,桥梁净空减少,水准高程失真,部分水利工程效益衰减,城市基础设施建设受到严重影响。为切实保护地下水资源,控制地面沉降,实现地下水资源可持续利用,有必要对地下水进行实时数据监测。

地下水监测是水资源统一管理和保护的基本内容和重要基础,是一项长期的基础性、公益性工作,是认识和掌握地下水动态变化特征、科学评价地下水资源、合理开发利用与有效保护地下水的科学基础。在地下水监测中为了实现信息的传输,所采用的信道一般有:PSTN公用电话网、超短波、GPRS移动通信网络、卫星通信等。在各种通信信道中,卫星系统设备复杂,适合于较重要或偏远的测站;超短波技术成熟,但易受频率干扰,而且设立中继站使得维护比较麻烦;PSTN从可靠经济的角度是不错的选择,但对于较偏远的山区,拉设电话线不容易,而且防雷也是一个问题。目前应用广泛的GPRS移动通信网络提供了一种新的选择。

2 GPRS数据业务

GPRS是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准,它可以提供高达115 kbps的空中接口传输速率。GPRS使若干移动用户能够同时共享一个无线信道,一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际不发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源。有了GPRS,用户的呼叫建立时间大为缩短,几乎可以做到 “永远在线” (always online)。此外,GPRS的营运商能够以传输的数据量而不是连接时间为计费基准,从而令每个用户的服务成本更低。

GPRS的主要特点有:①覆盖范围广。目前GPRS已覆盖浙江省内大部分地区,能够满足各个系统对覆盖范围的要求。②数据传输速率高。GPRS为用户提供从9 kbps到171.2 kbps的接入速率,实际数据传输速率一般在40 kbps左右,各系统地下水信息量并不大,因而完全能满足各系统对数据传输速率的要求。③系统的传输容量大。数据中心站与每一个终端实现实时连接,系统能满足突发性数据传输的需要,GPRS技术特别适用于连续的、突发性的和频繁的少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。④通信费用低。GPRS仅按数据流量计费,也就是说,只要不进行数据传输,哪怕一直“在线”,也无需付费。⑤良好的实时响应与处理能力。由于GPRS具有实时在线特性,系统无时延,可很好地满足系统对数据采集和传输的实时性要求。

3 地下水监测系统结构

地下水监测系统由地下水传感器、遥测终端、YRGPRS通信模块、GPRS网络、中心站等组成,地下水监测系统结构见图1。

(1)地下水传感器。采集水位、温度、流量等各种地下水参数的传感测量,水位传感器最常用的是浮子式、压力式传感器;部分压力式传感器自带温度传感器。

(2)遥测终端。遥测终端将采集到的地下水数据进行存储和传输控制。

(3)YR-GPRS通信模块。系统通过YR-GPRS通信模块进行信息传输,采样自报应答兼容体制。

(4)GPRS网络。地下水监测系统利用公网的移动通信设备进行数据传输。

(5)中心站。各中心站将地下水信息进行接收、整理、存贮,根据数据的编码方式进行解码,然后输入数据库。

图1 地下水监测系统结构图

3.1 遥测终端

遥测终端是遥测系统的重要组成部分,遥测系统硬件结构见图2。遥测终端机采用多微处理器技术,模块化、低功耗以及多重抗干扰和防护设计方案。设备可连接多种类型地下水传感器,实行太阳能供电,保证在无人值守条件下长期稳定运行;可通过遥调或现场调试的方式进行功能设置、读写数据等操作,进行人工干预和人机对话;可灵活配置的模块化结构,适应各种不同的需求。设备能够保证在极端气候 (包括高温、冰冻、潮湿、雷电等)条件下正常运行。

遥测终端是地下水信息传输的核心设备,是一种通用的RTU终端设备。作为通信中枢,遥测终端控制通信设备,完成与数据中心(平台)的通信链接任务。

图2 遥测系统硬件结构图

遥测终端机是地下水信息传输的关键设备,因此遥测终端机应具备以下功能:

(1)数据自动上报。遥测站可定时自报或按设定的条件主动上传数据;

(2)自动响应中心站召测指令。遥测站响应中心站要求或指令,上传数据;

(3)现场全中文显示数据水雨情数据。包括当前数据、历史数据、系统信息;

(4)手机读取实时测站信息;

(5)具有记录功能,可按设定的要求,记录各类数据。大容量数据固态存储,可由中心站远端调用或现场读取;

(6)现场手动设置各种运行模式和参数;

(7)接受中心站远程设置和控制指令;

(8)实时时钟自动校对和调整功能。

3.2 YR-GPRS通信模块

移动技术的发展带来了网络、终端、应用类型和客户群等各方面的变化和发展。采用无线终端所进行的无线应用种类较多,遍及各个系统和领域。虽然有着众多的嵌入式移动通信模块,但是,具体的应用开发基本上可以归纳为2种方式:一种是由外部控制设备或者外部MCU通过串行接口,利用AT指令控制嵌入式移动通信模块工作;另一种是利用嵌入式移动通信模块中的MCU控制模块的工作。采样方式可以提高系统的稳定性,降低开发成本,缩短开发周期。在地下水监测系统中YR-GPRS通信模块开发就是这种采样方式。

地下水监测系统中遥测终端机使用的YR-GPRS通信模块由Wavecom Model嵌入式移动通信模块Q24 Plus、YRGPRSB板、天线等组成。

Q24 Plus具有的基本功能及主要技术参数:

(1)语音功能:支持FR/EFR/AMR多种语音编码方式,VDA2C高品质语音;

(2)短信功能:支持TEXT和PDU;

(3)数据功能:支持内嵌TCP/IP;支持虚拟在线,GSM上行速率42.8 kbps,下行速率85.6 kbps;

(4)输入电压3.2～4.5 V;

(5)待机电流:10mA;

(6)睡眠电流:2.5mA;

(7)发射功率:GSM850,EGSM900:Class4(2W)

GSM850,EGSM900:Class4(2W)。

4 工程实例

在嘉兴市地下水监测系统中,采样几种不同类型的水位传感器(浮子式和压力式等),在压力式传感器中也采样了2种不同厂家的传感器。通过该系统证明,GPRS移动通信网络可以作为地下水信息传输的主要通信方式。GPRS首先引入了分组交换的传输模式,使得原来采用的电路交换模式的GSM传输数据方式发生了根本性的变化,在整个连续期内,无论是否传送数据都将独自占用无线信道。嘉兴世贸站通过GPRS移动通信网络传输的水位变化见图3。嘉兴市地下水监测系统的建成,能更好地反映全市地下水动态变化情况,探索地下水运动规律,提高水资源管理调度水平,为嘉兴市地下水保护和开采总量管理提供了科学、可靠的依据。为浙江省地下水信息采集提供了示范。

图3 嘉兴世贸站地下水位变化图

5 结 语

通过对目前国际上现有的通讯通道的分析比较,并经过嘉兴市地下水信息传输多年的实践,发现GRRS作为浙江省地下水信息传输的通道,具有费用低、无延时、不怕雷击、覆盖范围广等特点,可在浙江省其它地下水开采信息传输中推广,这对切实保护浙江省地下水资源,控制地面沉降,实现地下水资源可持续利用具有重要意义。