沈凱華,陳立輝

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 浙江省地下水監(jiān)測的現(xiàn)狀

浙江省各個地區(qū)都不同程度地存在過量開采地下水問題。杭嘉湖地區(qū)超采地下水引起地面沉降的問題尤為突出。地下水超采引發(fā)地面沉降等地質災害,嚴重影響經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。在地面沉降嚴重的地區(qū),洪澇災害加劇,橋梁凈空減少,水準高程失真,部分水利工程效益衰減,城市基礎設施建設受到嚴重影響。為切實保護地下水資源,控制地面沉降,實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用,有必要對地下水進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。

地下水監(jiān)測是水資源統(tǒng)一管理和保護的基本內容和重要基礎,是一項長期的基礎性、公益性工作,是認識和掌握地下水動態(tài)變化特征、科學評價地下水資源、合理開發(fā)利用與有效保護地下水的科學基礎。在地下水監(jiān)測中為了實現(xiàn)信息的傳輸,所采用的信道一般有:PSTN公用電話網(wǎng)、超短波、GPRS移動通信網(wǎng)絡、衛(wèi)星通信等。在各種通信信道中,衛(wèi)星系統(tǒng)設備復雜,適合于較重要或偏遠的測站;超短波技術成熟,但易受頻率干擾,而且設立中繼站使得維護比較麻煩;PSTN從可靠經(jīng)濟的角度是不錯的選擇,但對于較偏遠的山區(qū),拉設電話線不容易,而且防雷也是一個問題。目前應用廣泛的GPRS移動通信網(wǎng)絡提供了一種新的選擇。

2 GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務

GPRS是歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標準,它可以提供高達115 kbps的空中接口傳輸速率。GPRS使若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道,一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶僅占很小一部分網(wǎng)絡資源。有了GPRS,用戶的呼叫建立時間大為縮短,幾乎可以做到 “永遠在線” (always online)。此外,GPRS的營運商能夠以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量而不是連接時間為計費基準,從而令每個用戶的服務成本更低。

GPRS的主要特點有:①覆蓋范圍廣。目前GPRS已覆蓋浙江省內大部分地區(qū),能夠滿足各個系統(tǒng)對覆蓋范圍的要求。②數(shù)據(jù)傳輸速率高。GPRS為用戶提供從9 kbps到171.2 kbps的接入速率,實際數(shù)據(jù)傳輸速率一般在40 kbps左右,各系統(tǒng)地下水信息量并不大,因而完全能滿足各系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。③系統(tǒng)的傳輸容量大。數(shù)據(jù)中心站與每一個終端實現(xiàn)實時連接,系統(tǒng)能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?GPRS技術特別適用于連續(xù)的、突發(fā)性的和頻繁的少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。④通信費用低。GPRS僅按數(shù)據(jù)流量計費,也就是說,只要不進行數(shù)據(jù)傳輸,哪怕一直“在線”,也無需付費。⑤良好的實時響應與處理能力。由于GPRS具有實時在線特性,系統(tǒng)無時延,可很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)膶崟r性要求。

3 地下水監(jiān)測系統(tǒng)結構

地下水監(jiān)測系統(tǒng)由地下水傳感器、遙測終端、YRGPRS通信模塊、GPRS網(wǎng)絡、中心站等組成,地下水監(jiān)測系統(tǒng)結構見圖1。

(1)地下水傳感器。采集水位、溫度、流量等各種地下水參數(shù)的傳感測量,水位傳感器最常用的是浮子式、壓力式傳感器;部分壓力式傳感器自帶溫度傳感器。

(2)遙測終端。遙測終端將采集到的地下水數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸控制。

(3)YR-GPRS通信模塊。系統(tǒng)通過YR-GPRS通信模塊進行信息傳輸,采樣自報應答兼容體制。

(4)GPRS網(wǎng)絡。地下水監(jiān)測系統(tǒng)利用公網(wǎng)的移動通信設備進行數(shù)據(jù)傳輸。

(5)中心站。各中心站將地下水信息進行接收、整理、存貯,根據(jù)數(shù)據(jù)的編碼方式進行解碼,然后輸入數(shù)據(jù)庫。

圖1 地下水監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

3.1 遙測終端

遙測終端是遙測系統(tǒng)的重要組成部分,遙測系統(tǒng)硬件結構見圖2。遙測終端機采用多微處理器技術,模塊化、低功耗以及多重抗干擾和防護設計方案。設備可連接多種類型地下水傳感器,實行太陽能供電,保證在無人值守條件下長期穩(wěn)定運行;可通過遙調或現(xiàn)場調試的方式進行功能設置、讀寫數(shù)據(jù)等操作,進行人工干預和人機對話;可靈活配置的模塊化結構,適應各種不同的需求。設備能夠保證在極端氣候 (包括高溫、冰凍、潮濕、雷電等)條件下正常運行。

遙測終端是地下水信息傳輸?shù)暮诵脑O備,是一種通用的RTU終端設備。作為通信中樞,遙測終端控制通信設備,完成與數(shù)據(jù)中心(平臺)的通信鏈接任務。

圖2 遙測系統(tǒng)硬件結構圖

遙測終端機是地下水信息傳輸?shù)年P鍵設備,因此遙測終端機應具備以下功能:

(1)數(shù)據(jù)自動上報。遙測站可定時自報或按設定的條件主動上傳數(shù)據(jù);

(2)自動響應中心站召測指令。遙測站響應中心站要求或指令,上傳數(shù)據(jù);

(3)現(xiàn)場全中文顯示數(shù)據(jù)水雨情數(shù)據(jù)。包括當前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、系統(tǒng)信息;

(4)手機讀取實時測站信息;

(5)具有記錄功能,可按設定的要求,記錄各類數(shù)據(jù)。大容量數(shù)據(jù)固態(tài)存儲,可由中心站遠端調用或現(xiàn)場讀取;

(6)現(xiàn)場手動設置各種運行模式和參數(shù);

(7)接受中心站遠程設置和控制指令;

(8)實時時鐘自動校對和調整功能。

3.2 YR-GPRS通信模塊

移動技術的發(fā)展帶來了網(wǎng)絡、終端、應用類型和客戶群等各方面的變化和發(fā)展。采用無線終端所進行的無線應用種類較多,遍及各個系統(tǒng)和領域。雖然有著眾多的嵌入式移動通信模塊,但是,具體的應用開發(fā)基本上可以歸納為2種方式:一種是由外部控制設備或者外部MCU通過串行接口,利用AT指令控制嵌入式移動通信模塊工作;另一種是利用嵌入式移動通信模塊中的MCU控制模塊的工作。采樣方式可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。在地下水監(jiān)測系統(tǒng)中YR-GPRS通信模塊開發(fā)就是這種采樣方式。

地下水監(jiān)測系統(tǒng)中遙測終端機使用的YR-GPRS通信模塊由Wavecom Model嵌入式移動通信模塊Q24 Plus、YRGPRSB板、天線等組成。

Q24 Plus具有的基本功能及主要技術參數(shù):

(1)語音功能:支持FR/EFR/AMR多種語音編碼方式,VDA2C高品質語音;

(2)短信功能:支持TEXT和PDU;

(3)數(shù)據(jù)功能:支持內嵌TCP/IP;支持虛擬在線,GSM上行速率42.8 kbps,下行速率85.6 kbps;

(4)輸入電壓3.2～4.5 V;

(5)待機電流:10mA;

(6)睡眠電流:2.5mA;

(7)發(fā)射功率:GSM850,EGSM900:Class4(2W)

GSM850,EGSM900:Class4(2W)。

4 工程實例

在嘉興市地下水監(jiān)測系統(tǒng)中,采樣幾種不同類型的水位傳感器(浮子式和壓力式等),在壓力式傳感器中也采樣了2種不同廠家的傳感器。通過該系統(tǒng)證明,GPRS移動通信網(wǎng)絡可以作為地下水信息傳輸?shù)闹饕ㄐ欧绞健PRS首先引入了分組交換的傳輸模式,使得原來采用的電路交換模式的GSM傳輸數(shù)據(jù)方式發(fā)生了根本性的變化,在整個連續(xù)期內,無論是否傳送數(shù)據(jù)都將獨自占用無線信道。嘉興世貿站通過GPRS移動通信網(wǎng)絡傳輸?shù)乃蛔兓妶D3。嘉興市地下水監(jiān)測系統(tǒng)的建成,能更好地反映全市地下水動態(tài)變化情況,探索地下水運動規(guī)律,提高水資源管理調度水平,為嘉興市地下水保護和開采總量管理提供了科學、可靠的依據(jù)。為浙江省地下水信息采集提供了示范。

圖3 嘉興世貿站地下水位變化圖

5 結 語

通過對目前國際上現(xiàn)有的通訊通道的分析比較,并經(jīng)過嘉興市地下水信息傳輸多年的實踐,發(fā)現(xiàn)GRRS作為浙江省地下水信息傳輸?shù)耐ǖ?具有費用低、無延時、不怕雷擊、覆蓋范圍廣等特點,可在浙江省其它地下水開采信息傳輸中推廣,這對切實保護浙江省地下水資源,控制地面沉降,實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用具有重要意義。