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基于GPRS的粉尘监控系统方案
一、概述

        粉尘是指悬浮在空气中的固体微粒,按照国际标准化组织的规定,粒径小于75μm的固体悬浮物定义为粉尘。粉尘对人类健康有着极大的危害,飘逸在大气中的粉尘往往含有许多有毒成分,如铬,锰,镉,铅,汞,砷等。当人体吸入粉尘后,小于5μm的微粒,极易深入肺部,引起中毒性肺炎或矽肺,有时还会引起肺癌。
 
        随着人们生活水平的提高,对身体健康的关注越来越高,人们对于身体健康和环境安全的要求也逐步提高。如何有效监测并预警粉尘污染,保障人民的身体健康和环境安全,正日益成为一个突出的问题,严峻地摆在了人类的面前。
 
        近年来,我国的环境污染监测工作取得重要进展,随着物联网理念的提出与发展,以在线自动分析仪器为核心,以移动通讯为传输媒介,运用现代传感技术、自动测量技术、信息技术以及相关的监控分析软件所组成的一个综合性的粉尘监控系统是重要的发展方向。
 
二、项目分析

2.1系统组成
        粉尘监控系统主要由三部分组成:粉尘浓度采集终端、
无线通讯设备、监控调度中心。

2.1.1粉尘浓度采集终端
        根据粉尘检测的不同场所需求,在现场安装粉尘浓度采集终端,该终端通过外置探头时刻感知空气中悬浮的颗粒物大小与含量,经过终端内部的微电脑激光原理和静电交流感应原理,实时将现场粉尘浓度数据采集到智能监控终端内。

2.1.2无线通讯传输设备
        对于无线通讯传输设备,我们选择厦门四信通信科技有限公司的F2103 IP Modem(
gprs dtu)。该设备采用RS-232/485接口,金属外壳设计,具有体积小、功耗低、配置使用简单、即插即用,支持主备份数据通道、并行多数据通道,实时在线和按需在线多种工作方式,并且支持APN网络接入等功能,不仅可以保障数据传输的安全可靠,还可以让客户根据需要有选择性的进行传输,节省资费。
 
2.1.3监控调度中心
        监控调度中心主要由中心服务器和系统软件组成,负责对现场各个粉尘浓度采集终端上传上来的各项粉尘数据进行分析、存储、发布,并对各监测站点下达各种控制指令或发布各种预警信息。
 
2.2系统构架
        粉尘浓度采集终端通过RS232/485通讯接口与无线通讯传输设备F2103串口连接,监控调度中心可以采用多种网络连接,例如固定公网IP、移动专网APN、ADSL拨号上网等。无线通讯传输设备F2103通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机,与中心建立TCP/IP连接后开启透明数据通道。当粉尘浓度采集终端需要上报数据的时候将数据直接送往串口,此时F2103会把串口读取到的数据原封不动地发送到监控调度中心的服务器主机;当监控调度中心下发的指令或数据通过通道传送到F2103后,F2103通过串口输出到采集终端,从而实现了数据的双向透明传输。
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2.3系统功能

1)监控数据接收、处理:实时监测现场的粉尘浓度、颗粒大小等数据;
2)监控数据应答、查询:定时或人工查询监测站点的粉尘浓度及设备工作状态;
3)数据库管理:包含原始、历史、预报或成果数据库的形成、检索、查询等;
4)数据输出:可通过显示器(包括大屏幕显示)、打印机、绘图仪等直观输出粉尘浓度、颗粒大小的直方图、曲线图、过程线等;
5)粉尘预报及优化调度:包括粉尘预报参数初始化、参数设置或修改、定时预报、脱机估报、优化调度、成果存贮与输出等;
6)联网通讯:可将粉尘监测结果接入局域网或广域网实现数据共享,可实现多计算机的串行通讯,通过电话线即可实现数据传输功能;
7)状态告警:根据先前设定的告警浓度,可实现自动声光告警,并可通过电话线实现电话语言报警。
 
三、系统构架实施方案

3.1 粉尘浓度采集终端与无线通信设备连接
        F2103 IP Modem(dtu)同时支持RS232/485通讯接口,粉尘浓度采集终端通过RS232/485与IP Modem进行连接,接口定义如下图所示:
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3.2监控调度中心网络接入分析

3.2.1 专线接入
        监控调度中心采用 APN 专线,所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络,双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接,在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN,普通用户不得申请该APN,只有用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN,防止其他非法用户的进入。用户在内部建立RADIUS服务器,作为内部用户接入的远程认证服务器(或在APN路由器内,启用路由器本地认证功能),只有通过认证的用户才允许接入。用户在内部建立DHCP服务器(或在APN路由器内,启用DHCP功能),为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密,避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离,并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下该连接方式为最佳组网方式。

3.2.2 ADSL拨号连接(动态公网IP地址)
       监控调度中心采用ADSL等INTELNET公网连接,采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与 DNS服务商联系开通动态域名,IP Modem先采用域名寻址方式连接DNS服务器,再由DNS服务器找到中心公网动态IP,继而建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用,但稳定性受制于DNS服务器的稳定,所以要寻找可靠的DNS服务商。此种连接方式适合小规模应用。

3.2.3 通过固定公网IP连接
       监控调度中心采用ADSL等INTELNET公网连接,采用公网固定IP服务的。此种连接方式先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务,中心有公网固定IP的,IP Modem直接向中心发起连接。该连接方式运行可靠、稳定,推荐此种。

3.2.4监控调度中心软件平台构建
        监控调度中心端软件的构建有多种方式,对于传入数据方式的不同,我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现监控调度中心端的数据接收和现场设备的管理。目前四信通信公司提供以下三种方式的中心接口:
 
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       首先是组态软件,目前很多组态软件厂家已经集成了厦门四信通信公司的驱动,如易控、力控、亚控、紫金桥等,客户可以直接配置使用;其次对于原本是读取串口数据的程序,提供一个虚拟串口软件(TCP2COM);最后是对于想开发自己独有的数据中心软件的客户,四信通信公司会提供一个动态链接库及数据中心测试软件,不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可以通过动态链接库快速开发一个灵活的、稳定的、功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。
 
四、方案特点

       1. 粉尘监控系统可以遍布于城市的各个角落,尤其是粉尘污染高发地段,比如公路路口、施工现场或者水泥生产基地等,采用GPRS无线远程监控粉尘浓度,大大提高了监控效率,同时也大大降低了维护成本。

       2. 粉尘监控系统分布广泛,区域间隔比较远,如果到现场对网络参数做修改的话,将是一个浩大的工程,四信通信公司依据人性化设计可以远程直接对F2103进行网络参数配置,无需到现场做参数修改,达到时间和人力的合理利用。

        3. 粉尘监控系统一般都是全天24小时处于工作状态,在设备状态不正常时可以自我恢复,厦门四信通信的F2103采用高性能工业级处理器以及看门狗等安全机制设计,保证IP Modem永远在线,即使通信中断也会自行检测并自动断电重启,保证通信链路正常。

        4. 随着目前城市规模的不断扩大,粉尘监控系统也会相应的增加,采用F2103的粉尘监控系统可以随时增加新的监控站点,而不会对现有的监控系统造成任何影响,体现了系统组网的灵活性。

        5. 厦门四信通信的F2103 IP Modem采用标准的工业串口通信,即插即用,无需太多的专业技能和知识既能便可很快完成操作,且高规格的模具设计,体积小巧、方便维护。

        6. 粉尘监控系统需由几个部门多层管理,厦门四信通信的F2103采用多中心设计,可同时设置5个中心以监控粉尘浓度采集终端,避免因某个中心网络不稳定或者关闭导致无法对粉尘监控现场进行监控而造成安全隐患。

       7. 厦门四通通信的F2103设备采用高规格材料选配,可在-25~+65ºC、相对湿度 95%(无凝结)环境下正常工作。

        8. 厦门四通通信的F2103支持TCP、UDP协议传输和自定义应用协议等多种协议功能,给用户更多的选择空间。

        9. 厦门四信通信提供数据中心软件的二次开发包和多语言版本软件源代码,客户可根据自己的需要进行二次开发,增加了客户使用的灵活性。
 
五、方案总结

        粉尘监控系统方案在无线通讯网络的基础上进行数据传输,监控调度中心能够实时、准确地获取终端监控数据,经过数据对比、分析并迅速做出判断,为有关部门掌握各地粉尘污染状况提供重要依据。同时,有效的监测并预警粉尘污染,能够保障人民的身体健康和环境安全,为和谐社会的构建再添一份力。

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