解曉飛,王 巖

(天津石油職業(yè)技術學院,天津市 301607)

基于GPRS 的土壤及大氣環(huán)境腐蝕性實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

解曉飛,王 巖

(天津石油職業(yè)技術學院,天津市 301607)

管道、容器等地面設施金屬腐蝕的主要原因是管道、容器所處土壤及大氣環(huán)境的腐蝕性?；?GPRS遠程傳輸?shù)耐寥兰按髿猸h(huán)境腐蝕性實時監(jiān)測系統(tǒng),通過單片機控制M DA-3檢測儀與GPRS技術來了解跟蹤不同地區(qū)土壤及環(huán)境腐蝕狀況。

GPRS;土壤;大氣環(huán)境;腐蝕性

一、建立土壤及大氣環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的意義

對土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的監(jiān)測工作具有地域廣、監(jiān)測點分散、監(jiān)測周期長等特點。監(jiān)測點一般安裝在野外,采用導線傳輸數(shù)據(jù)方式不現(xiàn)實,采用架設中心接收站的方式,不但成本高,而且覆蓋范圍也有限。比較好的解決方案是實現(xiàn)對土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的遠距離監(jiān)測。GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的一種網(wǎng)絡業(yè)務,目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS以其使用方便、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、運行成本低等特點已廣泛應用于社會生產(chǎn)和生活的各個領域,如遠程抄表、健康監(jiān)控等。利用廣泛覆蓋的移動通信網(wǎng)絡提供的GPRS技術實現(xiàn)對現(xiàn)場采集的土壤及大氣環(huán)境腐蝕性數(shù)據(jù)進行傳輸就成為解決土壤及大氣環(huán)境腐蝕性的監(jiān)測工作問題的完美解決方案,是GPRS在應用領域的又一次拓展與開發(fā)。筆者參與研究的大慶油田設計院土壤防腐辦公室立項開發(fā)課題“土壤及大氣環(huán)境腐蝕性實時采集及監(jiān)測系統(tǒng)”就是一個比較成功的案例。系統(tǒng)設計的基本思路是:運用GPRS技術通過高精度的數(shù)據(jù)采集裝置得到各類土壤環(huán)境數(shù)據(jù),通過無線網(wǎng)絡遠程傳輸?shù)奖O(jiān)測中心,利用專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理,實現(xiàn)對土壤腐蝕性及大氣環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測,提高土壤及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)管理的自動化、信息化水平,并通過給用戶提供各區(qū)域的土壤及大氣腐蝕特性信息,來指導地面設施腐蝕防護工作的開展,以延長設備使用壽命,節(jié)約生產(chǎn)成本。

二、系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

項目的總體目標是:建立一套完善的、有實際應用價值的、安全可靠的無人值守土壤及大氣環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對監(jiān)測區(qū)域合理布點,運用高精度的數(shù)據(jù)采集裝置得到各類土壤環(huán)境數(shù)據(jù),如土壤的氧化還原電位 Eh、腐蝕電位、電位梯度、含水率、鹽份、電阻率、溫度、ph值等,并采用先進高效的GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)遠傳到中心站,并利用微機對檢測數(shù)據(jù)進行綜合管理,對數(shù)據(jù)做各種專業(yè)的統(tǒng)計分析,得出用戶所需的直觀顯示和文字描述的分析統(tǒng)計結果報告。

系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)集中收發(fā)、遠程傳輸及數(shù)據(jù)管理分析軟件四個子系統(tǒng)組成。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)實現(xiàn)對野外現(xiàn)場土壤腐蝕性及大氣環(huán)境腐蝕參數(shù)的采集;數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)用于控制采集器M DA-3的采集和數(shù)據(jù)儲存,同時負責數(shù)據(jù)的發(fā)送和設備故障監(jiān)測;遠程傳輸子系統(tǒng)用于將已經(jīng)數(shù)字化的檢測數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫;數(shù)據(jù)管理分析子系統(tǒng)實現(xiàn)對各類環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和分析統(tǒng)計,并輸出各類統(tǒng)計報表和分析報告。系統(tǒng)結構圖如圖1所示:

圖1 土壤及大氣腐蝕性實時監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

1.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)實現(xiàn)對野外現(xiàn)場土壤腐蝕性及大氣環(huán)境多種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。首先在確定好的監(jiān)測地點安放各類檢測傳感器,并通過高精度的A/D轉換裝置將其轉換為數(shù)字信號。本部分中考慮到較遠距離的檢測時信號的衰減情況,為保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性,采取了必要的措施保證檢測信號的有效傳輸。具體實現(xiàn)方法是:在檢測傳感器后端安裝信號放大器,然后將放大的信號傳送到檢測數(shù)據(jù)處理轉換設備,該設備采用中科院南京土壤所技術服務中心生產(chǎn)的 M DA-3多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為保證檢測數(shù)據(jù)的準確性,在將模擬信號輸入M DA-3前需要將信號還原為初始檢測信號。信號采集與傳送的結構圖如圖2所示:

2.數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)主要功能有三個:

(1)通過發(fā)送數(shù)據(jù)采集和傳輸命令,控制采集器M DA-3腐蝕數(shù)據(jù)的采集,并負責儲存數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)在掉電后不會丟失,系統(tǒng)采用f lash存儲器,最長可儲存3個月的數(shù)據(jù)。同時數(shù)據(jù)存儲器采用插座式安裝,當設備出現(xiàn)故障時用戶可以采用直接讀取芯片數(shù)據(jù)的方法提取數(shù)據(jù),增加了數(shù)據(jù)的安全性。

(2)負責控制GPRS終端裝置D TU發(fā)送數(shù)據(jù)及提示管理員提取數(shù)據(jù)。此功能有三個可選方式,一是定時發(fā)送提示短信通知管理員提取數(shù)據(jù);二是定時跟中心站聯(lián)系向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),此方式是D TU主動連接中心站,系統(tǒng)連接2-3次未能連接時放棄連接,等待下次繼續(xù)連接,此功能避免了由于D TU連接中心站而造成的流量浪費,如中心站一直沒有上線,當數(shù)據(jù)將滿時,系統(tǒng)會通過短信提示管理員提取數(shù)據(jù);三是儲存的數(shù)據(jù)將滿時每天向管理員發(fā)送提示信息,通知管理員提取數(shù)據(jù)。

(3)設備故障監(jiān)測功能。此功能主要負責對數(shù)據(jù)采集終端的設備進行監(jiān)測,當設備出現(xiàn)故障時,顯示故障的線路,并向管理員手機發(fā)送報警信息。

系統(tǒng)還增加了實時時鐘模塊,為系統(tǒng)提供時間,使系統(tǒng)能夠準確地判斷采集的時間和發(fā)送提示短信的時間,采集到的數(shù)據(jù)有準確的時間,便于存儲和查詢。

圖2 信號采集與傳送系統(tǒng)結構圖

由于單片機與M DA-3與D TU數(shù)據(jù)傳輸均采用串行通訊模式,而單片機只有一個串行通訊口,系統(tǒng)需要進行串口擴展。擴展采用SP2338實現(xiàn)。SP2338是一種新型的單片機串口擴展芯片,該芯片能將普通的51系列單片機的一個串口擴展為三個獨立的全雙工串口,并且三個串口的波特率達到了9600bps。SP2338共有四個串口,一個母串口,三個子串口,它們都是全雙工的串行通信口,允許同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。母串口與需要擴展的51單片機的串口相連,子串口與其他串口設備相連,這樣就實現(xiàn)了只有一個串口的單片機可與三個串口設備相連。各功能模塊如圖3所示:

圖3 數(shù)據(jù)集中收發(fā)子系統(tǒng)功能模塊圖

3.遠程傳輸子系統(tǒng)

本子系統(tǒng)的功能是將已經(jīng)數(shù)字化的檢測數(shù)據(jù)傳送到中心站數(shù)據(jù)庫。采用GPRS-M OD EM—GPRS—D TU的組網(wǎng)方式,組網(wǎng)靈活,中心站移動方便。根據(jù)本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸cGPRS-D TU端采用多種上線方式:中心站喚醒上線方式、短信喚醒方式、振鈴方式、硬件控制方式。中心站喚醒方式是通過中心站軟件喚醒D TU上線或通過固定電話喚醒D TU上線;短信喚醒方式是用戶以短信方式向D TU端發(fā)送命令,喚醒D TU上線;振鈴方式是用手機撥打D TU端電話號碼,喚醒其上線;硬件控制方式是采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)方式時使用的一種喚醒方法,以硬件控制D TU上線與中心站聯(lián)系,當數(shù)據(jù)傳送完畢時,控制D TU自動下線。

經(jīng)過論證比較,此部分采用了(GM S,CDM A)公網(wǎng)GPRS無線傳輸方式實現(xiàn)。GPRS允許用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù),而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源。從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GPRS理論帶寬可達171.2Kb/s,實際應用帶寬大約在10～70Kb/s,在此信道上提供TCP/IP連接,可以用于IN TERN ET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢谩閷崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制和正確接收,在接收端開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)接收軟件模塊。系統(tǒng)遠程數(shù)據(jù)傳輸過程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸工作原理

4.數(shù)據(jù)管理分析軟件子系統(tǒng)

軟件子系統(tǒng)是一個土壤及大氣腐蝕性數(shù)據(jù)專業(yè)應用的管理軟件,用于實現(xiàn)對檢測得到的各類土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進行綜合管理,并依據(jù)數(shù)學模型對檢測信息進行分析統(tǒng)計,并輸出各類統(tǒng)計報表和分析報告,提供腐蝕性分布等技術信息。軟件功能主要包括:

(1)數(shù)據(jù)采集控制功能。通過GRPS向遠程數(shù)據(jù)檢測終端發(fā)送控制命令、設置檢測參數(shù)、起動檢測過程,并接收檢測終端發(fā)送回來的檢測數(shù)據(jù)、保存到服務器數(shù)據(jù)庫中。

(2)信息查詢功能。根據(jù)需要,有選擇的查詢各類土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息,包括實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),查詢結果可以以報表格式顯示,也可以以數(shù)據(jù)變化曲線圖的形式顯示。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。對各類檢測到的土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進行分類統(tǒng)計,如按時間統(tǒng)計、按技術指標統(tǒng)計、按區(qū)域統(tǒng)計等,輸出統(tǒng)計結果。

(4)專業(yè)分析功能。結合土壤防護和環(huán)境監(jiān)控專業(yè)知識,建立科學的數(shù)學分析模型,對土壤腐蝕性及大氣環(huán)境信息進行專業(yè)技術分析,輸出各類分析結果報告,為國家地面建設提供參考依據(jù)。

(5)用戶管理。包括用戶登錄管理、用戶信息管理、權限管理等。

三、應用測試與討論

本系統(tǒng)于2008年底在新疆油田、大港油田進行應用性測試。測試中,傳送的土壤腐蝕性及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)都準確無誤地到達了接收方,傳輸質量非常穩(wěn)定,且傳輸距離可以達到GSM網(wǎng)絡能達到的地方。GPRS能實現(xiàn)“永遠在線”,所以一旦建立GPRS連接,就可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù),不需再撥號。由于土壤腐蝕性及大氣環(huán)境數(shù)據(jù)量不大(一般每小時采集一組數(shù)據(jù)),所以耗費的GPRS通信費也是很少的,根據(jù)目前中國移動的資費標準,以采用20元包月送1M bytes的資費方式、采集10個監(jiān)測點計算,每月花費大概在200元左右。

[1]朱洪波,等譯.J R(Bud)Bates.通用分組無線業(yè)務(GPRS)技術與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2]唐山藍迪通信科技有限公司.DG6000-GPRS D TU技術手冊.

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

解曉飛(1969-),男,河北高陽人,天津石油職業(yè)技術學院自動化教研室副主任,碩士,研究方向:控制理論與控制工程;王巖(1971-),女,天津市人,天津石油職業(yè)技術學院教師,碩士,研究方向:高職學生心理咨詢與心理健康教育。