关键词：GPRS;水质监测;调度器;操作系统
Abstract: In response to the problems in Chinese major monitoring system of water quality such as weak sampling capability of water quality, untimely data processing, and lack of early warning mechanism of water quality change, based on GPRS technology, the design scheme of an automatic water quality monitoring system was proposed. The system composition was described, and the working process of GPRS module, together with the key part of the sub-system of monitoring center was introduced in detail. Meanwhile, the software design of the sub-system of water quality collection was explained, advancing the multi-state, multi-task, multithreading software designing idea. The GPRS module flow was analyzed and the systematic function was achieved. Tests showed that the system had stable performance, good timeliness and low operation cost, which can meet the need of water quality monitoring under the new situation.
Key words: GPRS; monitoring water quality; scheduler; operation system
0 引言
水是人类赖以生存的一种自然资源。但随着经济的高速发展、人口的快速增加，污染物排放量持续增加，水污染日趋严重，影响人们的生活、生产秩序，给生态环境造成不可逆的影响[1]。因此，加强水资源管理已是刻不容缓的现实问题。其中，加强水质监测尤为重要，它是水资源管理的基础，为水资源的管理提供有效依据。
目前，我国主要的水质监测系统采用现场采集-实验室分析的方法。该方法存在水质采样不足、缺乏自动测报能力、水质监测信息处理时效性差、没有对突发性污染事故的预警能力等问题[2]。当前也有针对上述问题提出的采用有线电话拨号通讯以及无线MODEM、SMS短消息通讯的自动监测系统。但同样存在问题：有线电话拨号系统受自然条件限制，无线MODEM系统网路覆盖范围有限且数据传输慢，SMS短消息系统运行成本高且由于通讯原理所限不能实现真正的监测数据的实时传输。
因此，如何有效、可靠地对水质实时监测已成为一个必须解决的问题。针对上述问题，文章提出基于GPRS的水质自动监测系统的设计方案。该系统运用GPRS技术，借助现有的移动通讯网络对分散的水域水质实现实时远程监测，具有不受地理环境、气候等因素限制，监测范围广，运行成本低，实时性好等优势，应用前景广阔。
1 系统组成
水质自动监测系统由水质采集子系统和监控中心子系统两部分组成，如图1所示。
图1 基于GPRS水质自动监测系统框架
Fig 1 Framework of automated monitoring system of water quality based on GPRS
水质采集子系统主要由水质传感器集合、A/D转换器、单片机以及GPRS模块构成。该子系统通过水质传感器将实时水质信息转换成模拟信号，再由A /D转换器转换为数字信号并由单片机读取，水质监测数据再经GPRS模块发送至初级监控中心子系统进行分析处理，根据水质变化情况适时启动应急预案，发出预警信息，达到对水质的实时采样、数据的及时处理以及水质变化预警的目的。并把分析处理数据存储到监控中心数据库中用于长期水质变化分析，同时把水质信息上传至高级监控中心，从而形成全方位、一体化的水质监控模式。本文就系统的关键模块及子系统作为重点阐述如下。
1.1 GPRS通信模块
GPRS是在GSM（Global System for Mobile communication全球移动通信系统）的基础上开发的一种新的承载业务，能为移动用户提供高速无线IP[3]。GPRS充分利用现有中国移动通信的GSM网络，具有覆盖率高、实时性好、传输速率高、运行费用低、安全可靠及支持IP协议等优点。它运用了分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又能由多个用户共享，因而可有效利用资源，数据传输速率高达160Kbps。另外，GPRS采用全双工操作，间隙收发，永远在线的工作方式，只有在收发数据时才占用系统资源，计费方式以数据传输量为依据[4]。与GMS网络下的SMS短消息传输方式相比较，实时性更好、系统运行成本更低。
GPRS模块是无线通讯的关键设备，是构成水质自动监测系统的基础。本系统选择PIML-900/1800作为GPRS通讯模块。该模块是TechFaith Wireless推出的GSM/DCS双频模块，具有标准AT命令接口，内嵌TCP/IP协议，可以提供GSM语音、SMS短消息和GPRS上网等业务，具有较好的性价比，应用范围十分广泛。GPRS模块与单片机之间采用标准的RS-232串行接口通信进行数据传递。具有固定IP地址的监控中心计算机接入移动公司提供的专网，登录到Internet。GPRS模块由SGSN节点登录到GPRS网络，通过GGSN网关进入到Internet网络，找到监控中心计算机IP进行数据交换，从而实现了远程数据传输的功能。在本系统中，水质采集子系统依据特定的规约，把实时监测数据通过GPRS网络传输到监控中心上位机系统中，等待系统分析处理。
1.2 监控中心子系统
监控中心子系统负责对各水质采集子系统监测数据的分析处理，要求服务器连接在移动公司提供的专用网络上。一方面可以保证服务器的IP地址固定不变。由于GPRS终端连接的IP地址具有唯一性，当服务器的IP地址不固定时，则GPRS模块将不能连接上服务器，从而导致GPRS模块不能把监测数据传输到监控中心子系统上。目前，保证IP地址固定还可以采用公网IP，但与移动公司专网相比，公网IP的租赁费用高，造成整个系统的运行成本提高[5]。另一方面，采用移动公司专网，可以保证服务器不被其他具有GPRS功能终端的干扰。因为只有使用移动公司提供的专用SIM卡的GPRS终端才能登陆专网，所以避免了使用普通SIM的GPRS终端有意或无意的对监控中心子系统的干扰[6]，保证了系统运行安全。
2 系统软件设计
系统软件分为两个部分：水质采集子系统软件部分和监控中心子系统软件部分。水质采集子系统软件部分采用C语言编写;监控中心子系统软件部分采用Visual Basic语言编写。本文对两部分软件描述如下，其中，对水质采集子系统软件部分进行重点阐述。
2.1水质采集子系统软件
该子系统没有采用目前常用的多处理器硬件设计，而由一个单片机独立处理所有的事务。当面对一个多状态、多任务、多线程的处理难题时，系统在没有使用操作系统的情况下，利用调度器的概念，模拟了一个简易的操作系统，并将该子系统软件拆成多个任务模块，每个任务又被分成多个简单步骤，根据任务的需要和设计者要求来进行调度执行。水质采集子系统主要的功能模块有键盘扫描和LCD 显示模块、GPRS通信模块、信号采集模块、数据预处理模块 、实时时钟和存储器模块等。本文就该子系统整体设计思想和GPRS模块的设计详细介绍如下。
2.1.1 子系统软件整体设计思想
该子系统以程序设计模块化为原则，超级循环为框架，调度器为简易的操作系统，并且始终贯穿多级任务与多状态任务的设计思想，构成了整个子系统软件的设计。其中超级循环和调度器的程序流程如图2、图3所示。
图2 超级循环程序流程图
Fig 2 Flow chart of super cycle
每个功能模块依靠自己的标识来识别,而标识由系统的调度器来设定。调度器实际是主循环程序中调用的一个函数，该函数是以一个定时器为基本时间单位，根据任务执行时间间隔的不同而设置不同标识的计数器，它使任务在特定时刻被调度运行。为保证实时监测，将时间要求严格的任务设置成抢断式任务，优先执行，对耗时长对时间要求又不高的任务拆分成多级任务逐次完成，从而减少延时时间，把主循环时间控制在几个毫秒内，保障了系统快速流畅地运行。
图3 调度器程序流程图
Fig 3 Flow chart of scheduler
2.1.2 GPRS模块设计
由于系统采用的PIML-900/1800双频GPRS模块具有SMS短消息和GPRS上网功能，则GPRS通讯可以有两种工作模式：定时传输模式和中心呼号模式。根据实时监测水质的要求，本系统选用定时传输模式。该模式下，GPRS模块上电后，初始化模块，登陆GPRS网络，成功连接数据中心后，间隔一定的时间（分钟）传输一次实时监测数据。由于GPRS终端连接在网络上且无数据传输时会自动掉线（掉线时间由移动网络决定），为了保证GPRS终端一直在线，文章提出GPRS心跳包的概念。GPRS心跳包由GPRS终端每隔4分钟发送一次给监测中心，监测中心收到心跳后应答回复，从而保证GPRS终端一直在线。若GPRS终端掉线，则水质采集子系统会自动重新登陆监控中心系统，恢复在线状态，进行水质监测的实时数据传输。
GPR模块在建立连接、发送数据、接收数据中间都需要一定间隔的等待时间，如果完成某一次操作，系统就会在GPRS模块等待期间“无所事事”。所以，本子系统采用多任务思想，将该模块任务拆分成七个简短的步骤，每次模块运行只需完成一个步骤，然后释放CPU资源给其他任务，在下一次模块访问时完成下一个步骤，直到所有的步骤都完成。这样，一方面可以满足GPRS芯片的等待要求，另一方面系统也可以降低一次循环的时间消耗，利用这段时间完成对其他模块的访问，提高系统运行效率。
GPRS模块通讯流程如图4所示。在两个步骤之间设置模拟定时器，在时间未到之前系统不允许对进行下一步骤的操作，模拟定时器嵌套在调度器中来完成。
2.2 监控中心子系统软件
监控中心子系统软件主要包括GPRS数据接收/发送、数据库、报表、曲线图、数据导出等功能。监控中心计算机保持连接在专网上，接收各水质采集子系统发回的数据，根据特定的规约解析数据包。所解析数据指导监控系统进行心跳应答、水质数据的分析处理以及根据水质变化情况适时启动紧急预案、发出预警信息。数据库功能用以保存和管理各个水质监测点的水质监测数据以及各个流域水质监测数据。并且各级数据库共享数据资源，不仅有利于水质监测的集中统一管理，还保证水质监测的全方位、一体化。报表、曲线图功能形象反映各个监测点、各个水域、各个流域的水质变化情况，有利于水质变化的准确判别，为决策者提供实时准确的水质变化信息。数据导出功能用于配合指定打印机的纸质数据输出，便于备档管理。
图4 GPRS模块通讯流程图
Fig 4 Flow chart of communication of GPRS module
3 系统性能测试与分析
为测试系统的综合性能，在某运河的某一航段对该系统进行试验运行。系统对航段中每隔5公里的水质进行采样、传输、分析处理。
在系统测试时，考虑到可能影响系统传输性能的各方面因素，针对不同时间段、数据长度及监测点数量，进行了数据传输记录试验和性能分析。系统监测性能指标如表1所示。测试结果表明在市级规模的初级监控中心数据传输性能较好，系统运行稳定，数据处理及时，监测准确度高;从无线传输角度出发，GPRS传输速率比的无线MODEM快3倍，比SMS短消息运行成本低47%。GPRS无线传输系统的整体性能优于无线MODEM和SMS短消息系统。
TAB 1 Monitering indicators of of the system
4 结束语
本研究设计是基于GPRS的水质自动监测系统，具有水质监测采样范围广、数据传输不受地理气候限制、数据处理及时、出现水质变化预警及时的优点。采用GPRS通讯技术实时监测水质变化，为环境监测部门提供全面、实时水质监测信息，并且系统运行和维护费用较低，节省大量人力、物力、财力。该系统已在某运河部分水域试运行，系统运行稳定、可靠，并体现出比较高的经济效益和社会效益，具有良好的应用前景。
参考文献:
[1] 吴红艳.水质监测在水资源保护中的作用[J].电力学报,2007,22（4）:509-511.
[2] 黄毅,黎杰.基于GPRS的水厂实时远程监测系统[J].合肥工业大学学报（自然科学 版）,2008,31（5）:705-707.
[3] 郑万溪,黄元庆,张鑫等.基于GPRS通信技术的远程检测系统[J].传感器与微系统,2008,27（2）:83-85.
[4] 唐慧强,徐芳.基于GPRS的水情自动测报仪[J].仪表技术与传感器,2008（1）:74-76.
[5] 丁晖.GPRS技术在电力SCADA系统中的应用研究[J].电测与仪表,2007（8）:25-28.
[6] R.J.（Bud） Bates.通用分组无线业务 （GPRS） 技术与应用[M].北京:人民邮电出版社,2004.35-47.
