基于工业通讯巨控GRM531Y/532Y/533Y和云主机的地下水监测系统设计

论文作者：周萌， 凤蔚， 任晓霞， 杨淑云

( 中国地质环境监测院， 北京 100081)

摘要: 当前， 高速发展的物联网和云计算技术为工业、农业、生活等多方面带来了革命性升级。该文设计的地下水

监测系统可利用工业通讯技术自动采集传感器中的数据， 形成基于 OPC 规范的数据集， 并被云主机的组态软件引

用和记录， 实现地下水信息存储至服务器的功能。该系统对数据采集和传输技术进行了优化升级， 极大提高单服

务器控制的监测点数量， 具备实现大规模动态监测的能力， 以满足对地下水环境信息数据的需求。

关键词: 地下水; 监测; 工业通讯; 云主机

0 引言

地下水是当前非常重要的饮用水和工业用水来源， 但目前我国某些地方出现了大规模的地下水超采和污染问题， 地下水资源被严重破坏［1-2］ 。为了及

时遏制水资源与环境问题， 国务院于 2015 年 4 月 2日发布了《水 污 染 防 治 行 动 计 划》( 简 称“水 十条”) ， 明确了要“完善水环境监测网络”， 提出了提升对地下水环境监测的技术支撑能力的要求［1］ 。2015 年 6 月， 国家发改委正式批复了《国家地下水监测工程可行性研究报告》的初步设计概算， 此工程将建设地下水监测站点 10 103 个， 建设省级节点31 个。表明了国家对地下水监测的高度重视， 反映了全面推进地下水监测的迫切性。在当前的网络时代， 迅速发展工业传感器和工业通讯领域以高精度、采用公众标准、稳定性好、技术体系完善等特点， 逐步向非工业领域开疆拓土， 形成了普及多种行业的物联网［3-4］ 。例如: 无人值守的停车场或高速公路收费口， 无人值守或可远程控制的养鱼池， 电力行业的远程抄表， 甚至是孩子身上的守护定位仪， 反映传感器的数据采集和工业通讯的网络交互质量均达到了非常高的水平， 物联网的时代已经到来。地下水监测行业以传统的短信为信息载体， 频率为 1 天 1 次或者 n 天 1 次， 且同一接收端仅能连接 30 ～ 40 个监测点， 可拓展性差。部分监测项目采用 DTU /ＲTU 数据传输方式， 但一台接收端一般只能接受 8 个发端。利用传统的数据采集方式， 若要收集 10 103 点的数据， 需采购约 250 套短信接收端或 1 200 套 ＲTU 接收端， 投资和管理成本极其巨大。传统的水质监测， 监测分析频率一般为数月或1 年 1 次， 需定期采样并送往实验室进行分析， 然后人工将分析结果递交监测单位［5-6］ 。若进行频繁监测， 传统的方式将使工作人员不堪重负。可见， 进行大规模的监测部署和实施， 需对当前的监测技术进行适应性改进。基于在线监测传感器、工业通讯和弹性计算技术， 设计了适用于海量监测点和多指标在线监测的强健、稳定和安全的地下水监测系统， 抛砖引玉， 为相关研究者提供参考。

1 在线监测项目需求

在线监测， 是指安装在地下水开发设备上的各类监测仪表， 在不影响生产的前提下对地下水进行周期性的实时测量， 并将所得数据上传至数据接收

端的监测方式。在线监测比普通监测的频率要高很多， 适用于需要对监测目的密切关注的案例。随着对地下水水质和资源状况关注度的提升， 有必要对

相关参数进行在线监测。地下水监测工作主要有区域调查、常规监测和专项监测这 3 种类别［7］ 。表 1 列出了区域调查和常规监测的指标， 并列出了在地下水和地表水监测项目中已具有成熟在线监测技术的指标。可以看出，“可在线监测”项目中， 水位、水温、流量、pH、氨氮、浑浊度和 TDS 这 7 项指标具有较广泛的在线监测需求， 可作为在线监测的内容

专项监测这 3 种类别［7］ 。表 1 列出了区域调查和常规监测的指标， 并列出了在地下水和地表水监测项目中已具有成熟在线监测技术的指标。可以看出，可在线监测”项目中， 水位、水温、流量、pH、氨氮、浑浊度和 TDS 这 7 项指标具有较广泛的在线监测需求， 可作为在线监测的内容

pH 值、总硬度、TDS、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、挥发性酚、总氰化物、高锰酸盐指数、氟化物、砷、汞、镉、六 价 铬、铁、锰、大肠菌群色、臭和味、浑浊度、氯化物、硫酸盐、碳酸氢盐、类、细 菌 总 数、硒、铍、钡、镍、六六六、滴滴涕、总 α 放射性、总 β 放射性、铅、铜、锌、阴离子

表面活性剂水位、水温、流量、pH、氨氮、浑浊度、TDS， COD，BOD， 总 磷、总 氮、溶 解氧、余氯

2 传感器工作原理与数据采集方式

经对设备市场调研， 上述 7 个可在线监测指标的传感器工作原理见表 2。表 2 传感器工作原理项 目 原 理水位

通过压力传感器测得水位下的压力，再结合大气压和传感器安装高度计算得当前水位埋深水温 通过温度传感器读取数据流量通过管道内水流对电磁场的扰动测

量， 或对管道内置涡轮转速测量， 得出管道内流量值浑浊度 通过 2 个光度极板之间的透光度测量得出数据pH， 氨 氮， TDS，COD， BOD， 总磷， 总氮， 溶解氧， 余氯通过与特定物质进行化学反应后的电化学反应来计算得出数据

与当前广泛应用的地下水水位监测设备的专用数据格式或信号协议不同， 普通的工业传感器一般以 12 V 电压下 4 ～ 20 mA 的电流值( 即反应了在被测水样的影响下， 设备本身电阻的变化) 作为模拟数据来反映测得的值， 高级的传感器则直接以格式化的数字数据输出。凭借规范的数据协议， 工业传

感器是当前物联网时代工业传感器中最通用的信号表达方式之一， 能与多种数据读取设备兼容。该文选用巨控公司的 GＲM230Q 系列工业

通讯模块( 以下简称 GＲM 模块) 来读取传感器中的电流数据。GＲM 模块是一款嵌入式监控终端， 是针对需要无人值守和远程控制要求的工业监控现场而

设计， 可实现远程控制、远程查询、GPＲS/4G 远程报警等功能， 广泛应用于机房报警、基站监控、工业自动

化控 制、环 境 监 测、供 水 等 领 域［8-9］ 。 定 制 的GＲM2232Q-8I4QWX模块可以同时接收 8 组电流模拟数据， 对 4 组电源进行开关控制， 完全可以收取上述 7组项目的数据， 并实现在需要监测时才给传感器供电。另外还可以定制 4I 型模块， 即只接收 4 组电流模拟数据输入， 可减少设备成本( 图 1) 。

将各传感器连接至模块的信号源线柱并接通电源后， 将 GＲM 模块与 PC 连接， 在 PC 端专用的GＲM Developer 软件中对模块与传感器的连接情况进行工程配置， 并指定相关的电流与数值之间的线性转换关系， 将 PC 段配置好的工程下载到 GＲM 模块， 即可读取到各传感器实时的数据［10］ 。将中国移动或者中国联通的 SIM 卡装至 GＲM模块的卡槽， 并安装好 GPＲS 天线， 信号稳定后GＲM 模块就已经准备好发送数据。在模块内部， 已将各传感器的地址和数据进行整合， 作为一个 OPC组态对象进行封装。模块读取工程配置中的服务器

4 结论

该监测系统采用工业传感器替代传统简易传感器， 利用工业通讯技术读取和远传监测数据， 利用性能参数可灵活配置的云主机接收和存储监测数据，

通过定制开发程序将监测数据转存至监测中心物理主机， 完成地下水信息的在线监测。系统引入工业通讯技术， 旨在促进传统地下水监测设备和通讯的

规范化， 并提升监测精度， 扩大监测种类; 采用云平台作为数据接收的第一站， 是利用其性能灵活配置、技术成熟、成本低等特点， 加之 GＲM 组态和 OPC 管理器强大通讯能力的优势， 实现了监测数据收集规模的大提升， 可极大缓解上万监测点数据并发时的压力。系统是基于多样化的工业传感器产品和成熟

的工业数据采集案例进行针对性设计的， 仍需工业控制行业和实际监测项目的考验。

技术资料，159618（工控小周）72327