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基于GPRS的粉塵監(jiān)控系統(tǒng)方案
閱讀：1382 發(fā)布時間：2012-7-17
一、概述
粉塵是指懸浮在空氣中的固體微粒，按照標準化組織的規(guī)定，粒徑小于75μm的固體懸浮物定義為粉塵。粉塵對人類健康有著極大的危害，飄逸在大氣中的粉塵往往含有許多有毒成分，如鉻，錳，鎘，鉛，汞，砷等。當人體吸入粉塵后，小于5μm的微粒，極易深入肺部，引起中毒性肺炎或矽肺，有時還會引起肺癌。
隨著人們生活水平的提高，對身體健康的關注越來越高，人們對于身體健康和環(huán)境安全的要求也逐步提高。如何有效監(jiān)測并預警粉塵污染，保障人民的身體健康和環(huán)境安全，正日益成為一個突出的問題，嚴峻地擺在了人類的面前。
近年來，我國的環(huán)境污染監(jiān)測工作取得重要進展，隨著物聯(lián)網(wǎng)理念的提出與發(fā)展，以在線自動分析儀器為核心，以移動通訊為傳輸媒介，運用現(xiàn)代傳感技術、自動測量技術、信息技術以及相關的監(jiān)控分析軟件所組成的一個綜合性的粉塵監(jiān)控系統(tǒng)是重要的發(fā)展方向。
二、項目分析
2.1系統(tǒng)組成
粉塵監(jiān)控系統(tǒng)主要由三部分組成：粉塵濃度采集終端、無線通訊設備、監(jiān)控調度中心。
2.1.1粉塵濃度采集終端
根據(jù)粉塵檢測的不同場所需求，在現(xiàn)場安裝粉塵濃度采集終端，該終端通過外置探頭時刻感知空氣中懸浮的顆粒物大小與含量，經(jīng)過終端內部的微電腦激光原理和靜電交流感應原理，實時將現(xiàn)場粉塵濃度數(shù)據(jù)采集到智能監(jiān)控終端內。
2.1.2無線通訊傳輸設備
對于無線通訊傳輸設備，我們選擇廈門四信通信科技有限公司的F2103 IP Modem（gprs dtu）。該設備采用RS-232/485接口，金屬外殼設計，具有體積小、功耗低、配置使用簡單、即插即用，支持主備份數(shù)據(jù)通道、并行多數(shù)據(jù)通道，實時在線和按需在線多種工作方式，并且支持APN網(wǎng)絡接入等功能，不僅可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，還可以讓客戶根據(jù)需要有選擇性的進行傳輸，節(jié)省資費。
2.1.3監(jiān)控調度中心
監(jiān)控調度中心主要由中心服務器和系統(tǒng)軟件組成，負責對現(xiàn)場各個粉塵濃度采集終端上傳上來的各項粉塵數(shù)據(jù)進行分析、存儲、發(fā)布，并對各監(jiān)測站點下達各種控制指令或發(fā)布各種預警信息。
2.2系統(tǒng)構架
粉塵濃度采集終端通過RS232/485通訊接口與無線通訊傳輸設備F2103串口連接，監(jiān)控調度中心可以采用多種網(wǎng)絡連接，例如固定公網(wǎng)IP、移動專網(wǎng)APN、ADSL撥號上網(wǎng)等。無線通訊傳輸設備F2103通過GPRS網(wǎng)絡連接到遠程數(shù)據(jù)中心服務器主機，與中心建立TCP/IP連接后開啟透明數(shù)據(jù)通道。當粉塵濃度采集終端需要上報數(shù)據(jù)的時候將數(shù)據(jù)直接送往串口，此時F2103會把串口讀取到的數(shù)據(jù)原封不動地發(fā)送到監(jiān)控調度中心的服務器主機；當監(jiān)控調度中心下發(fā)的指令或數(shù)據(jù)通過通道傳送到F2103后，F2103通過串口輸出到采集終端，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。
2.3系統(tǒng)功能
1）監(jiān)控數(shù)據(jù)接收、處理：實時監(jiān)測現(xiàn)場的粉塵濃度、顆粒大小等數(shù)據(jù)；
2）監(jiān)控數(shù)據(jù)應答、查詢：定時或人工查詢監(jiān)測站點的粉塵濃度及設備工作狀態(tài)；
3）數(shù)據(jù)庫管理：包含原始、歷史、預報或成果數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等；
4）數(shù)據(jù)輸出：可通過顯示器（包括大屏幕顯示）、打印機、繪圖儀等直觀輸出粉塵濃度、顆粒大小的直方圖、曲線圖、過程線等；
5）粉塵預報及優(yōu)化調度：包括粉塵預報參數(shù)初始化、參數(shù)設置或修改、定時預報、脫機估報、優(yōu)化調度、成果存貯與輸出等；
6）聯(lián)網(wǎng)通訊：可將粉塵監(jiān)測結果接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可實現(xiàn)多計算機的串行通訊，通過線即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能；
7）狀態(tài)告警：根據(jù)先前設定的告警濃度，可實現(xiàn)自動聲光告警，并可通過線實現(xiàn)語言報警。
三、系統(tǒng)構架實施方案
3.1 粉塵濃度采集終端與無線通信設備連接
F2103 IP Modem（dtu）同時支持RS232/485通訊接口，粉塵濃度采集終端通過RS232/485與IP Modem進行連接，接口定義如下圖所示：
3.2監(jiān)控調度中心網(wǎng)絡接入分析
3.2.1 專線接入
監(jiān)控調度中心采用 APN 專線，所有點都采用內網(wǎng)固定IP客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡，雙方互聯(lián)路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配的APN，普通用戶不得申請該APN，只有用于GPRS專網(wǎng)的SIM卡才能進入專網(wǎng)APN，防止其他非法用戶的進入。用戶在內部建立RADIUS服務器，作為內部用戶接入的遠程認證服務器（或在APN路由器內，啟用路由器本地認證功能），只有通過認證的用戶才允許接入。用戶在內部建立DHCP服務器（或在APN路由器內，啟用DHCP功能），為通過認證的用戶分配用戶內部地址。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。此種方案適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應用環(huán)境。在資金允許的情況下該連接方式為*組網(wǎng)方式。
3.2.2 ADSL撥號連接（動態(tài)公網(wǎng)IP地址）
監(jiān)控調度中心采用ADSL等INNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務的。客戶先與 DNS服務商開通動態(tài)域名，IP Modem先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，繼而建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種連接方式適合小規(guī)模應用。
3.2.3 通過固定公網(wǎng)IP連接
監(jiān)控調度中心采用ADSL等INNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務的。此種連接方式先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務，中心有公網(wǎng)固定IP的，IP Modem直接向中心發(fā)起連接。該連接方式運行可靠、穩(wěn)定，推薦此種。
3.2.4監(jiān)控調度中心軟件平臺構建
監(jiān)控調度中心端軟件的構建有多種方式，對于傳入數(shù)據(jù)方式的不同，我們提供不同的軟件來幫助客戶快速地實現(xiàn)監(jiān)控調度中心端的數(shù)據(jù)接收和現(xiàn)場設備的管理。目前四信通信公司提供以下三種方式的中心接口：
首先是組態(tài)軟件，目前很多組態(tài)軟件廠家已經(jīng)集成了廈門四信通信公司的驅動，如易控、力控、亞控、紫金橋等，客戶可以直接配置使用；其次對于原本是讀取串口數(shù)據(jù)的程序，提供一個虛擬串口軟件（TCP2COM）；zui后是對于想開發(fā)自己*的數(shù)據(jù)中心軟件的客戶，四信通信公司會提供一個動態(tài)鏈接庫及數(shù)據(jù)中心測試軟件，不僅開放源碼還全程協(xié)助客戶進行自己數(shù)據(jù)中心軟件和功能的開發(fā)。客戶可以通過動態(tài)鏈接庫快速開發(fā)一個靈活的、穩(wěn)定的、功能齊全的終端管理和數(shù)據(jù)交互的中心軟件。
四、方案特點
1. 粉塵監(jiān)控系統(tǒng)可以遍布于城市的各個角落，尤其是粉塵污染高發(fā)地段，比如公路路口、施工現(xiàn)場或者水泥生產基地等，采用GPRS無線遠程監(jiān)控粉塵濃度，大大提高了監(jiān)控效率，同時也大大降低了維護成本。
2. 粉塵監(jiān)控系統(tǒng)分布廣泛，區(qū)域間隔比較遠，如果到現(xiàn)場對網(wǎng)絡參數(shù)做修改的話，將是一個浩大的工程，四信通信公司依據(jù)人性化設計可以遠程直接對F2103進行網(wǎng)絡參數(shù)配置，無需到現(xiàn)場做參數(shù)修改，達到時間和人力的合理利用。
3. 粉塵監(jiān)控系統(tǒng)一般都是全天24小時處于工作狀態(tài)，在設備狀態(tài)不正常時可以自我恢復，廈門四信通信的F2103采用高性能工業(yè)級處理器以及看門狗等安全機制設計，保證IP Modem永遠在線，即使通信中斷也會自行檢測并自動斷電重啟，保證通信鏈路正常。
4. 隨著目前城市規(guī)模的不斷擴大，粉塵監(jiān)控系統(tǒng)也會相應的增加，采用F2103的粉塵監(jiān)控系統(tǒng)可以隨時增加新的監(jiān)控站點，而不會對現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)造成任何影響，體現(xiàn)了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性。
5. 廈門四信通信的F2103 IP Modem采用標準的工業(yè)串口通信，即插即用，無需太多的專業(yè)技能和知識既能便可很快完成操作，且高規(guī)格的模具設計，體積小巧、方便維護。
6. 粉塵監(jiān)控系統(tǒng)需由幾個部門多層管理，廈門四信通信的F2103采用多中心設計，可同時設置5個中心以監(jiān)控粉塵濃度采集終端，避免因某個中心網(wǎng)絡不穩(wěn)定或者關閉導致無法對粉塵監(jiān)控現(xiàn)場進行監(jiān)控而造成安全隱患。
7. 廈門四通通信的F2103設備采用高規(guī)格材料選配，可在-25~+65ºC、相對濕度 95%（無凝結）環(huán)境下正常工作。
8. 廈門四通通信的F2103支持TCP、UDP協(xié)議傳輸和自定義應用協(xié)議等多種協(xié)議功能，給用戶更多的選擇空間。
9. 廈門四信通信提供數(shù)據(jù)中心軟件的二次開發(fā)包和多語言版本軟件源代碼，客戶可根據(jù)自己的需要進行二次開發(fā)，增加了客戶使用的靈活性。
五、方案總結
粉塵監(jiān)控系統(tǒng)方案在無線通訊網(wǎng)絡的基礎上進行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控調度中心能夠實時、準確地獲取終端監(jiān)控數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比、分析并迅速做出判斷，為有關部門掌握各地粉塵污染狀況提供重要依據(jù)。同時，有效的監(jiān)測并預警粉塵污染，能夠保障人民的身體健康和環(huán)境安全，為和諧社會的構建再添一份力。