GPRS 技术在供水工程无线监测系统中的应用

武 建，徐永兵，刘 艋，于淼淼

（山东省水利勘测设计院， 山东 济南 250013）

0 引言

由于供水管网地理位置分散，采集、控制功能对稳定性和安全性要求较高。过去通常采用人工抄表、电话报数、现场手动操作的原始调度方法，供水管网中的故障只能靠人工巡检来完成，对工人的职业操守和责任心依赖较大，存在信息量少，不便于收集，处理效率低等弊端；带来的结果则是调度能力差，无法适应新时期优化调度的要求，尤其遇到爆漏等突发事件时，无法立即获取情报。总的来说只能停留在不缺水或保持正常运行的层面上。

建设无线供水监测系统的主要目的是解决上述难题，对分散在各个管网测点的工作状况进行监控和管理，并及时采集重要的水量等信息，为城市供水优化调度提供科学的数据依据。无线传输方式有多种，在此，讨论目前技术较为成熟且运行成本相对低廉的 GPRS 技术在无线供水监测系统中的应用。

1 无线 GPRS 通讯

GPRS 在许多方面都具有显著的优势，主要用于实时性高数据量较大的远程数据传输过程，如环保监测、水文检测、车辆定位系统等领域，具有可靠性高和成本低等优势[1]。

无线数据通信选用 GPRS 网络作为通信平台，监测中心服务器通过公用网与无线 GPRS 网络连接。

1.1 服务器作为 TCP 连接的服务端

监控中心服务器的 GPRS 服务程序启动后，作为 TCP 连接的服务端始终处于指定端口侦听服务状态，等待所有远端 GPRS 模块作为客户端与其注册连接。

1.2 监测点的 GPRS 模块作为 TCP 连接的客户端

监测终端的 GPRS 模块上网后得到的 IP 地址是由移动公司动态随机分配的，而监测中心的 ADSL 的 IP 地址是固定不变的，因此该模块需要主动向监控中心进行 TCP 连接，实现双向的 TCP 网络通信[2]。

监测中心的固定 IP 及端口号，通过初始化程序将其配置到 GPRS 模块中，模块掉网后，通过自复位电路和程序重新上网与监控中心进行连接。

1.3 监测中心交换机的作用

监测中心交换机是 ADSL 外网与内网的桥梁，负责 ADSL 掉网后自动拨号上网，把一个端口映射给服务器，同时具有防火墙可以拒绝或关闭非法用户访问或不用的端口，另外它也是服务器与局域网的桥梁[2-3]。

1.4 GPRS 数据传输

监控中心和监测终端的 GPRS 模块建立联接成功后，监控中心自动按指定的时间间隔（初始系统默认值为 5 min）轮询各监测点；另外，监测中心还可以用手动方式随时向各监测点发指令，如全部召测、分组召测、随机抽测等。监测点通过 GPRS 模块除接收执行，并回传中心指令外，还自动上报各类超限报警[4]，组成如图 1 所示。

图1 GPRS 系统的组成

2 临沂城供水工程计算机检测系统概况及工作原理

2.1 系统概况

临沂城 30 万 m3/d 供水工程引水部分由水源地岸堤水库引水，基本沿临蒙公路穿越蒙阴、沂南、兰山 3 个县区，至新建水厂。

输水段：输水部分由水源地岸堤水库引水，基本沿临蒙公路穿越蒙阴、沂南、兰山 3 个县区，至新建水厂，总长 48.8 km。工程设计引水规模为 33 万 m3/d。

供水段：供水部分由新建水厂至青年路，总长约 17.2 km。

本实时监测系统分为前端和中心 2 部分。前端由传感器、传感器变送、数据采集和传输等部分组成，中心由数据接收部分、中心软件分析处理系统组成。

2.2 检测系统工作原理

供水管网远端压力流量监测系统由监测中心、无线 GPRS 通讯、监测点采集与传输设备和仪表设备组成。

输水段长约 45 km，起点和终点各设置 2 个监测点，中间每隔 3 km 设 2 个测点（双路管道），另外在界牌、垛庄、双候及青驼 4 乡镇的分水口各设 1 个测点，共设 36 个测点。

供水段长约 17.2 km，起点和终点各设置 2 个测点，中间每隔 3 km 设 2 个测点，合计 14 个测点。

取水口设置 1 台高速智能球和 1 台固定枪型摄像机及编解码设备，通过无线网桥将信息传输至岸堤水库管理局，再通过广域网将信号传输至水厂。

监测中心设在公司供水中心。硬件部分由 2 台服务器组成的双机热备系统、1 台工业控制机、1 台ASDL 外网宽带调制解调器、1 台带防火墙的交换机和 1 个 GPRS 通讯设备组成，服务器做成磁盘镜像系统；软件部分由三维力控组态和供水监测应用管理 2 个软件组成。

监测中心的服务器与专用交换机相连，专用交换机通过防火墙与 ADSL 的外网接入设备相连，同时专用交换机与公司局域网连接。这样，局域网内的任何计算机终端均可通过 Windows 系统的 IE 浏览器进行 Web 方式查询浏览；服务器的组态软件通过相应的 GPRS 组件通过 GSM 无线网与监测终端的 GPRS 模块相连，服务器中相应的供水管网监测管理程序则利用组态软件平台完成供水管网远端的监测管理任务，同时通过 IIS 提供 Web 查询浏览服务[5-6]，如图 2 所示。

图2 系统组成结构

监测中心服务器可以驱动 GPRS 通信模块向监测点 RTU 下发初始化信息、配置信息、控制命令，以及接收下位机上报的数据及报警信息，同时对采集的压力、流量等数据进行保存和管理，提供查询、统计、报表等功能。

实时和历史时间点（段）的数据将由 Web 站点向分配权限的用于提供不同级别的在线服务，用户通过浏览器登陆 Web 可以查看实时和历史时间点（段）数据。通过该系统的使用，动态掌握输水管线的运行情况，做到合理调度，降低生产成本，提高生产效率及公司的生产管理水平。

3 系统功能

1）数据的实时监测与处理功能。系统能够以图示和报表的形式实时展现各监测点的数据信息，并可依据用户需求统计、分类和存储测算的最值，均值，累加值等信息。

2）监测中心具有在线统计分析功能。根据采集的各监测点数据统计分析出供水的运行状态 ，显示经济负荷、超负荷管段，以及水厂水流的方向、供水低压区、高压区、合格水压区等信息。

3）自动超限报警功能。在实测过程中，对监测出超预设值的数据发出提示报警，供管理人员及时采取必要措施。管理人员可定义多种报警级别，组态多种报警方式。

4）综合分析各监测点压力、流量的变化曲线，总结出管网供水压力变化调节规律，计算出水厂变频泵的压力目标值，最终实现实时控制变频供水泵目标压力，合理调整管网供水压力，既满足用户用水的需要又达到节能降耗的目标。

5）监测中心服务器数据库的监测数据，在整个局域网内是共享的，只要被授权就可以通过本机的IE 浏览器，通过 Web 方式进行查询显示浏览打印，以便于相关部门使用。

6）自动报表生成功能。可以根据不同的时间生成所需报表供管理人员查询及打印。

4 结语

该系统的实施已比较成熟，完全可以满足目前的需求，系统中的 GPRS 无线数据传输部分采用双自复位技术，确保不死机、掉网重新上网，为稳定运行提供保障；运用先进的数据库管理技术，可方便数据管理和存储，保证系统的优化和改进；未来升级扩充方面，因为采用可扩充性设计，将来可随新技术的发展很容易地将设备（模块）扩充进去，具有良好的扩展和兼容能力。

不选用更为先进的 3G 网络服务的原因在于本系统完成所遵循的效果是智能、经济、易于实现。就目前来看，3G 业务在运营成本方面不及 GPRS，且由于项目实施阶段 3G 服务并未达到如 GPRS 成熟的状态（包括信号强度、覆盖范围、服务质量等）[7]。以开发 GSM 短信业务为基础的监控系统已经可以满足本系统的需要，并且更为容易设计和实现，可以作为短期的一个过渡。因此最终选择 GPRS 服务。

[1] 武建，于淼淼，钱继兵. GSM 与 GPRS 技术在水文行业无线监测工作的比较[J]. 山东水利，2010 (6): 9-11.

[2] 陈琦，丁天怀，李成，等. 基于 GPRS/GSM 的低功耗无线远程测控终端设计[J]. 清华大学学报（自然科学版），2009 (2): 65-67, 73.

[3] 陈星，刘利. 基于 SMS 的执行器无线监控终端的设计[J].微计算机信息，2008 (4): 51, 124-125.

[4] 王祖印，王树海. 关于水利信息化管理平台的设计与研究[J]. 水利天地，2009 (3): 23-25.

[5] 杨斌. 基于污水监测系统中 GPRS 无线数据传送的应用[J]. 科技资讯，2008 (23): 17-19.

[6] 李春晋，张伟. GPRS 通信技术在温州水文自动遥测系统中的应用[J]. 吉林水利，2009 (7): 61-63.

[7] 王欢，王侦，季金胜. 基于 GPRS 和 3G 通信的粮仓温湿度远程监测系统[J]. 软件，2011 (10): 58-60, 66.