周萌，鳳蔚，任曉霞，楊淑云

(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

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基于工業(yè)通訊和云主機(jī)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周萌，鳳蔚，任曉霞，楊淑云

(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

當(dāng)前，高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等多方面帶來了革命性升級。該文設(shè)計(jì)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)可利用工業(yè)通訊技術(shù)自動(dòng)采集傳感器中的數(shù)據(jù)，形成基于OPC規(guī)范的數(shù)據(jù)集，并被云主機(jī)的組態(tài)軟件引用和記錄，實(shí)現(xiàn)地下水信息存儲(chǔ)至服務(wù)器的功能。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化升級，極大提高單服務(wù)器控制的監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量，具備實(shí)現(xiàn)大規(guī)模動(dòng)態(tài)監(jiān)測的能力，以滿足對地下水環(huán)境信息數(shù)據(jù)的需求。

地下水；監(jiān)測；工業(yè)通訊；云主機(jī)

0 引言

地下水是當(dāng)前非常重要的飲用水和工業(yè)用水來源，但目前我國某些地方出現(xiàn)了大規(guī)模的地下水超采和污染問題，地下水資源被嚴(yán)重破壞[1-2]。為了及時(shí)遏制水資源與環(huán)境問題，國務(wù)院于2015年4月2日發(fā)布了《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡稱“水十條”)，明確了要“完善水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”，提出了提升對地下水環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)支撐能力的要求[1]。2015年6月，國家發(fā)改委正式批復(fù)了《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報(bào)告》的初步設(shè)計(jì)概算，此工程將建設(shè)地下水監(jiān)測站點(diǎn)10103個(gè)，建設(shè)省級節(jié)點(diǎn)31個(gè)。表明了國家對地下水監(jiān)測的高度重視，反映了全面推進(jìn)地下水監(jiān)測的迫切性。

在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，迅速發(fā)展工業(yè)傳感器和工業(yè)通訊領(lǐng)域以高精度、采用公眾標(biāo)準(zhǔn)、穩(wěn)定性好、技術(shù)體系完善等特點(diǎn)，逐步向非工業(yè)領(lǐng)域開疆拓土，形成了普及多種行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)[3-4]。例如：無人值守的停車場或高速公路收費(fèi)口，無人值守或可遠(yuǎn)程控制的養(yǎng)魚池，電力行業(yè)的遠(yuǎn)程抄表，甚至是孩子身上的守護(hù)定位儀，反映傳感器的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)通訊的網(wǎng)絡(luò)交互質(zhì)量均達(dá)到了非常高的水平，物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代已經(jīng)到來。

地下水監(jiān)測行業(yè)以傳統(tǒng)的短信為信息載體，頻率為1天1次或者n天1次，且同一接收端僅能連接30～40個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，可拓展性差。部分監(jiān)測項(xiàng)目采用DTU/RTU數(shù)據(jù)傳輸方式，但一臺(tái)接收端一般只能接受8個(gè)發(fā)射端。利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式，若要收集10103點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需采購約250套短信接收端或1200套R(shí)TU接收端，投資和管理成本極其巨大。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測分析頻率一般為數(shù)月或1年1次，需定期采樣并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，然后人工將分析結(jié)果遞交監(jiān)測單位[5-6]。若進(jìn)行頻繁監(jiān)測，傳統(tǒng)的方式將使工作人員不堪重負(fù)?？梢?，進(jìn)行大規(guī)模的監(jiān)測部署和實(shí)施，需對當(dāng)前的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。

基于在線監(jiān)測傳感器、工業(yè)通訊和彈性計(jì)算技術(shù)，設(shè)計(jì)了適用于海量監(jiān)測點(diǎn)和多指標(biāo)在線監(jiān)測的強(qiáng)健、穩(wěn)定和安全的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，拋磚引玉，為相關(guān)研究者提供參考。

1 在線監(jiān)測項(xiàng)目需求

在線監(jiān)測，是指安裝在地下水開發(fā)設(shè)備上的各類監(jiān)測儀表，在不影響生產(chǎn)的前提下對地下水進(jìn)行周期性的實(shí)時(shí)測量，并將所得數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)接收端的監(jiān)測方式。在線監(jiān)測比普通監(jiān)測的頻率要高很多，適用于需要對監(jiān)測目的密切關(guān)注的案例。隨著對地下水水質(zhì)和資源狀況關(guān)注度的提升，有必要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測。

地下水監(jiān)測工作主要有區(qū)域調(diào)查、常規(guī)監(jiān)測和專項(xiàng)監(jiān)測這3種類別[7]。表1列出了區(qū)域調(diào)查和常規(guī)監(jiān)測的指標(biāo)，并列出了在地下水和地表水監(jiān)測項(xiàng)目中已具有成熟在線監(jiān)測技術(shù)的指標(biāo)?？梢钥闯?，“可在線監(jiān)測”項(xiàng)目中，水位、水溫、流量、pH、氨氮、渾濁度和TDS這7項(xiàng)指標(biāo)具有較廣泛的在線監(jiān)測需求，可作為在線監(jiān)測的內(nèi)容。

表1 地下水監(jiān)測項(xiàng)目

2 傳感器工作原理與數(shù)據(jù)采集方式

經(jīng)對設(shè)備市場調(diào)研，上述7個(gè)可在線監(jiān)測指標(biāo)的傳感器工作原理見表2。

表2 傳感器工作原理

與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的地下水水位監(jiān)測設(shè)備的專用數(shù)據(jù)格式或信號協(xié)議不同，普通的工業(yè)傳感器一般以12V電壓下4～20mA的電流值(即反應(yīng)了在被測水樣的影響下，設(shè)備本身電阻的變化)作為模擬數(shù)據(jù)來反映測得的值，高級的傳感器則直接以格式化的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出。憑借規(guī)范的數(shù)據(jù)協(xié)議，工業(yè)傳感器是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代工業(yè)傳感器中最通用的信號表達(dá)方式之一，能與多種數(shù)據(jù)讀取設(shè)備兼容。

該文選用廣州巨控公司的GRM203G系列工業(yè)通訊模塊(以下簡稱GRM模塊)來讀取傳感器中的電流數(shù)據(jù)。GRM模塊是一款嵌入式監(jiān)控終端，是針對需要無人值守和遠(yuǎn)程控制要求的工業(yè)監(jiān)控現(xiàn)場而設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢、GPRS遠(yuǎn)程報(bào)警等功能，廣泛應(yīng)用于機(jī)房報(bào)警、基站監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化控制、環(huán)境監(jiān)測、供水等領(lǐng)域[8-9]。定制的GRM203G-8I4Q模塊可以同時(shí)接收8組電流模擬數(shù)據(jù)，對4組電源進(jìn)行開關(guān)控制，完全可以收取上述7組項(xiàng)目的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)在需要監(jiān)測時(shí)才給傳感器供電。另外還可以定制4I型模塊，即只接收4組電流模擬數(shù)據(jù)輸入，可減少設(shè)備成本(圖1)。

圖1 GRM模塊樣式及接口說明

將各傳感器連接至模塊的信號源線柱并接通電源后，將GRM模塊與PC連接，在PC端專用的GRM Developer軟件中對模塊與傳感器的連接情況進(jìn)行工程配置，并指定相關(guān)的電流與數(shù)值之間的線性轉(zhuǎn)換關(guān)系，將PC段配置好的工程下載到GRM模塊，即可讀取到各傳感器實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)[10]。

將中國移動(dòng)或者中國聯(lián)通的SIM卡裝至GRM模塊的卡槽，并安裝好GPRS天線，信號穩(wěn)定后GRM模塊就已經(jīng)準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。在模塊內(nèi)部，已將各傳感器的地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，作為一個(gè)OPC組態(tài)對象進(jìn)行封裝。模塊讀取工程配置中的服務(wù)器地址，與組態(tài)服務(wù)器通訊并接受數(shù)據(jù)讀寫指令。配置工程默認(rèn)選擇GRM廠家免費(fèi)提供的組態(tài)服務(wù)器，用戶也可以與廠家聯(lián)系進(jìn)行自建平臺(tái)，以維護(hù)數(shù)據(jù)的安全性。

3 云端接收數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)

云主機(jī)是在高性能物理主機(jī)集群的基礎(chǔ)上，利用虛擬機(jī)技術(shù)創(chuàng)建出的不確定數(shù)量的虛擬主機(jī)。相對于傳統(tǒng)的物理服務(wù)器，云主機(jī)具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：①在線保障率可達(dá)99.999%，系統(tǒng)穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)通訊可靠性好；②CPU、帶寬和存儲(chǔ)等主要性能可隨需要的變化而隨時(shí)調(diào)整；③云主機(jī)具有多家主干網(wǎng)運(yùn)營商接入，可適應(yīng)不同運(yùn)營商的客戶端；④具有良好的防火墻保護(hù)服務(wù)，安全性較好；⑤更低的建設(shè)和維護(hù)成本。

當(dāng)客戶開始選購一臺(tái)云主機(jī)時(shí)，即可定制所需的性能參數(shù)(圖2)。云主機(jī)的價(jià)格隨參數(shù)的不同而浮動(dòng)。針對地下水監(jiān)測的布點(diǎn)規(guī)模和采集頻率，再加上向物理數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)所需帶寬和處理能力，綜合評定所需云主機(jī)性能。

圖2 云主機(jī)選購配置頁面(以阿里云ECS云主機(jī)為例)

云主機(jī)選擇Windows Server 2003或Windows Server 2008為操作系統(tǒng)平臺(tái)，安裝部署GRM模塊專用的OPC管理器軟件系統(tǒng)，安裝同時(shí)即在操作系統(tǒng)內(nèi)注冊了OPC數(shù)據(jù)服務(wù)。錄入GRM模塊的組態(tài)服務(wù)器地址(默認(rèn)為廠家服務(wù)器)及模塊編號和密碼，即可建立云主機(jī)與傳感器數(shù)據(jù)之間的連接通道。GRM OPC管理器理論上可以連接上千個(gè)GRM模塊，即同時(shí)監(jiān)測上千口井，比傳統(tǒng)的短信接收器模式有非常大的容量提升。對于上萬口井，需建立多個(gè)云主機(jī)及相關(guān)配套組態(tài)軟件系統(tǒng)(圖3)。

圖3 OPC管理器界面

另外，在云主機(jī)上部署免USB加密鎖的GiantView(GRM專用版)組態(tài)軟件(圖4)，連接當(dāng)前系統(tǒng)中的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)，即可連接此服務(wù)中各傳感器的地址及實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]。針對各組監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立對應(yīng)的組態(tài)變量，并設(shè)置成“保存數(shù)值”(圖5)，則GiantView組態(tài)將定時(shí)讀取傳感器并將數(shù)據(jù)保存至指定的Firebird數(shù)據(jù)庫中。

圖4 GiantView組態(tài)軟件界面

圖5 變量保存數(shù)值設(shè)置界面

在云主機(jī)上安裝Firebird數(shù)據(jù)庫的ODBC驅(qū)動(dòng)程序后，在系統(tǒng)控制面板中，對新增的“Firebird Server Control”進(jìn)行啟動(dòng)設(shè)置，即可形成數(shù)據(jù)連接通道，具體設(shè)置見圖6。

圖6 Firebird數(shù)據(jù)庫服務(wù)控制臺(tái)

若要在云主機(jī)上本地查看，可安裝專用的Firebird數(shù)據(jù)庫管理工具。該文以FlameRobin為例(圖7)，連接到GiantView組態(tài)工程文件夾下的數(shù)據(jù)庫文件(路徑為“組態(tài)工程名RunTimeDataGvRecDB.FDB”)。

圖7 FlameRobin Firebird數(shù)據(jù)庫管理界面

若想查看數(shù)據(jù)庫中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可點(diǎn)擊界面中Database菜單，再點(diǎn)擊“Run a query…”，輸入如下SQL語句，即可查詢到“變量名”、“變量值”和“記錄時(shí)間”這3個(gè)主要字段的全部數(shù)據(jù)，查詢結(jié)果將顯示在語句下方。

——————代碼開始——————

SELECT TABVARREC.AUTO_ID,

STAB_DICT.VAR_NAME, TABVARREC.VAR_VALUE, TABVARREC.REC_TIME

FROM STAB_DICT

INNER JOIN TABVARREC ON (STAB_DICT.VAR_ID = TABVARREC.VAR_ID)

——————代碼結(jié)束——————

因Firebird數(shù)據(jù)庫一般不是用戶期望的數(shù)據(jù)庫最終保存地點(diǎn)，需要針對各組態(tài)變量將數(shù)據(jù)從Firebird中讀取出來，并轉(zhuǎn)存至地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)中心的物理服務(wù)器中。為實(shí)現(xiàn)此功能，可以開發(fā)專門“搬運(yùn)”數(shù)據(jù)的程序并部署至云服務(wù)器，連接Firebird數(shù)據(jù)庫，定期(例如：1小時(shí))讀取數(shù)據(jù)表中上一次讀取后新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并將其插入到物理服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。

至此，形成了從傳感器到物理服務(wù)器全過程的數(shù)據(jù)采集和通信技術(shù)方案，整體工作流程如圖8所示。

圖8 地下水監(jiān)測系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

該監(jiān)測系統(tǒng)采用工業(yè)傳感器替代傳統(tǒng)簡易傳感器，利用工業(yè)通訊技術(shù)讀取和遠(yuǎn)傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用性能參數(shù)可靈活配置的云主機(jī)接收和存儲(chǔ)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過定制開發(fā)程序?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至監(jiān)測中心物理主機(jī)，完成地下水信息的在線監(jiān)測。系統(tǒng)引入工業(yè)通訊技術(shù)，旨在促進(jìn)傳統(tǒng)地下水監(jiān)測設(shè)備和通訊的規(guī)范化，并提升監(jiān)測精度，擴(kuò)大監(jiān)測種類；采用云平臺(tái)作為數(shù)據(jù)接收的第一站，是利用其性能靈活配置、技術(shù)成熟、成本低等特點(diǎn)，加之GRM組態(tài)和OPC管理器強(qiáng)大通訊能力的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)收集規(guī)模的大提升，可極大緩解上萬監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)時(shí)的壓力。系統(tǒng)是基于多樣化的工業(yè)傳感器產(chǎn)品和成熟的工業(yè)數(shù)據(jù)采集案例進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)的，仍需工業(yè)控制行業(yè)和實(shí)際監(jiān)測項(xiàng)目的考驗(yàn)。

[1] 中華人民共和國國務(wù)院.水污染防治行動(dòng)計(jì)劃[R].北京：中華人民共和國國務(wù)院,2015.

[2] 李陽,周金龍,徐東.我國地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)方法研究綜述[J].地下水，2015，(2)：64-65.

[3] 李國剛,李旭文,溫香彩.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，(1)：5-10.

[4] 石愛軍,馬娟,齊安文,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)中的應(yīng)用研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，(5)：148-152.

[5] 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.典型地區(qū)地下水監(jiān)測預(yù)報(bào)成果報(bào)告(2012年度)[R].北京：中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2013.

[6] DD2008-01.地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價(jià)規(guī)范[S].

[7] HJ/T164-2004,地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].

[8] 方健.基于GRM200G換熱站無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].科技風(fēng),2013,(23)：135.

[9] 康玉忠,袁榮華,楊俊峰.基于GRM200G的化工反應(yīng)釜遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)[J].微型電腦應(yīng)用，2015，(5)：15-16.

[10] 于鎵,劉中一,單慧勇.巨控GRM200G模塊在水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，(30)：27.

Design of Groundwater Monitoring System Based on Industrial Communication and Cloud Server

ZHOU Meng, FENG Wei, REN Xiaoxia, YANG Shuyun

(China Geo-environment Monitoring Institute, Beijing 100081, China)

At present, high-speed developing internet of things (IOT) and cloud computing technology provide revolutionary upgrades for industry, farming and living. In the groundwater monitoring system designed in this assay, industrial communication technology can be used to automatically collect data from sensors and form dataset under OPC regulation. The dataset would be quoted and recorded by configuration software deployed at cloud server. The goal of collecting and recording the groundwater monitoring data can be realized. This system can optimize and upgrade the data collecting and transporting technologies, dramatically increases the amount of monitor points that a single server can deal with. So the system has the ability to perform dynamic monitoring for enormous targets to meet the need for groundwater environmental information.

Groundwater; monitoring; industrial communication; cloud server; environment

2015-06-29；

2015-08-09；編輯：曹麗麗

周萌(1982—)，女，山西運(yùn)城人，工程師，主要從事水工環(huán)領(lǐng)域信息化工作；E-mail：zhoum@mail.cigem.gov.cn

TP274

B

周萌，鳳蔚，任曉霞，等.基于工業(yè)通訊和云主機(jī)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東國土資源，2015，31(11)：51-55.ZHOU Meng, FENG Wei, REN Xiaoxia, etc.Design of Groundwater Monitoring System Based on Industrial Communication and Cloud Server[J].Shandong Land and Resources,2015，31(11)：51-55.