論文作者：周萌， 鳳蔚， 任曉霞， 楊淑云

( 中國地質環(huán)境監(jiān)測院， 北京 100081)

摘要: 當前， 高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等多方面帶來了革命性升級。該文設計的地下水

監(jiān)測系統(tǒng)可利用工業(yè)通訊技術自動采集傳感器中的數(shù)據(jù)， 形成基于 OPC 規(guī)范的數(shù)據(jù)集， 并被云主機的組態(tài)軟件引

用和記錄， 實現(xiàn)地下水信息存儲至服務器的功能。該系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸技術進行了優(yōu)化升級， 極大提高單服

務器控制的監(jiān)測點數(shù)量， 具備實現(xiàn)大規(guī)模動態(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。

關鍵詞: 地下水; 監(jiān)測; 工業(yè)通訊; 云主機

0 引言

地下水是當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， 地下水資源被嚴重破壞［1-2］ 。為了及

時遏制水資源與環(huán)境問題， 國務院于 2015 年 4 月 2日發(fā)布了《水 污 染 防 治 行 動 計 劃》( 簡 稱“水 十條”) ， 明確了要“完善水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡”， 提出了提升對地下水環(huán)境監(jiān)測的技術支撐能力的要求［1］ 。2015 年 6 月， 國家發(fā)改委正式批復了《國家地下水監(jiān)測工程可行性研究報告》的初步設計概算， 此工程將建設地下水監(jiān)測站點 10 103 個， 建設省級節(jié)點31 個。表明了國家對地下水監(jiān)測的高度重視， 反映了全面推進地下水監(jiān)測的迫切性。在當前的網(wǎng)絡時代， 迅速發(fā)展工業(yè)傳感器和工業(yè)通訊領域以高精度、采用公眾標準、穩(wěn)定性好、技術體系完善等特點， 逐步向非工業(yè)領域開疆拓土， 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口， 無人值守或可遠程控制的養(yǎng)魚池， 電力行業(yè)的遠程抄表， 甚至是孩子身上的守護定位儀， 反映傳感器的數(shù)據(jù)采集和工業(yè)通訊的網(wǎng)絡交互質量均達到了非常高的水平， 物聯(lián)網(wǎng)的時代已經(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 個監(jiān)測點， 可拓展性差。部分監(jiān)測項目采用 DTU /ＲTU 數(shù)據(jù)傳輸方式， 但一臺接收端一般只能接受 8 個發(fā)端。利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式， 若要收集 10 103 點的數(shù)據(jù)， 需采購約 250 套短信接收端或 1 200 套 ＲTU 接收端， 投資和管理成本極其巨大。傳統(tǒng)的水質監(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驗室進行分析， 然后人工將分析結果遞交監(jiān)測單位［5-6］ 。若進行頻繁監(jiān)測， 傳統(tǒng)的方式將使工作人員不堪重負?？梢?， 進行大規(guī)模的監(jiān)測部署和實施， 需對當前的監(jiān)測技術進行適應性改進?；谠诰€監(jiān)測傳感器、工業(yè)通訊和彈性計算技術， 設計了適用于海量監(jiān)測點和多指標在線監(jiān)測的強健、穩(wěn)定和安全的地下水監(jiān)測系統(tǒng)， 拋磚引玉， 為相關研究者提供參考。

1 在線監(jiān)測項目需求

在線監(jiān)測， 是指安裝在地下水開發(fā)設備上的各類監(jiān)測儀表， 在不影響生產(chǎn)的前提下對地下水進行周期性的實時測量， 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)測目的密切關注的案例。隨著對地下水水質和資源狀況關注度的提升， 有必要對

相關參數(shù)進行在線監(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， 并列出了在地下水和地表水監(jiān)測項目中已具有成熟在線監(jiān)測技術的指標?？梢钥闯?，“可在線監(jiān)測”項目中， 水位、水溫、流量、pH、氨氮、渾濁度和 TDS 這 7 項指標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

專項監(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， 并列出了在地下水和地表水監(jiān)測項目中已具有成熟在線監(jiān)測技術的指標?？梢钥闯?，可在線監(jiān)測”項目中， 水位、水溫、流量、pH、氨氮、渾濁度和 TDS 這 7 項指標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

pH 值、總硬度、TDS、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、揮發(fā)性酚、總氰化物、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物、砷、汞、鎘、六 價 鉻、鐵、錳、大腸菌群色、臭和味、渾濁度、氯化物、硫酸鹽、碳酸氫鹽、類、細 菌 總 數(shù)、硒、鈹、鋇、鎳、六六六、滴滴涕、總 α 放射性、總 β 放射性、鉛、銅、鋅、陰離子

表面活性劑水位、水溫、流量、pH、氨氮、渾濁度、TDS， COD，BOD， 總 磷、總 氮、溶 解氧、余氯

2 傳感器工作原理與數(shù)據(jù)采集方式

經(jīng)對設備市場調(diào)研， 上述 7 個可在線監(jiān)測指標的傳感器工作原理見表 2。表 2 傳感器工作原理項 目 原 理水位

通過壓力傳感器測得水位下的壓力，再結合大氣壓和傳感器安裝高度計算得當前水位埋深水溫 通過溫度傳感器讀取數(shù)據(jù)流量通過管道內(nèi)水流對電磁場的擾動測

量， 或對管道內(nèi)置渦輪轉速測量， 得出管道內(nèi)流量值渾濁度 通過 2 個光度極板之間的透光度測量得出數(shù)據(jù)pH， 氨 氮， TDS，COD， BOD， 總磷， 總氮， 溶解氧， 余氯通過與特定物質進行化學反應后的電化學反應來計算得出數(shù)據(jù)

與當前廣泛應用的地下水水位監(jiān)測設備的專用數(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 12 V 電壓下 4 ～ 20 mA 的電流值( 即反應了在被測水樣的影響下， 設備本身電阻的變化) 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)字數(shù)據(jù)輸出。憑借規(guī)范的數(shù)據(jù)協(xié)議， 工業(yè)傳

感器是當前物聯(lián)網(wǎng)時代工業(yè)傳感器中最通用的信號表達方式之一， 能與多種數(shù)據(jù)讀取設備兼容。該文選用巨控公司的 GＲM230Q 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程控制要求的工業(yè)監(jiān)控現(xiàn)場而

設計， 可實現(xiàn)遠程控制、遠程查詢、GPＲS/4G 遠程報警等功能， 廣泛應用于機房報警、基站監(jiān)控、工業(yè)自動

化控 制、環(huán) 境 監(jiān) 測、供 水 等 領 域［8-9］ 。 定 制 的GＲM2232Q-8I4QWX模塊可以同時接收 8 組電流模擬數(shù)據(jù)， 對 4 組電源進行開關控制， 完全可以收取上述 7組項目的數(shù)據(jù)， 并實現(xiàn)在需要監(jiān)測時才給傳感器供電。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， 可減少設備成本( 圖 1) 。

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行工程配置， 并指定相關的電流與數(shù)值之間的線性轉換關系， 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時的數(shù)據(jù)［10］ 。將中國移動或者中國聯(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)進行整合， 作為一個 OPC組態(tài)對象進行封裝。模塊讀取工程配置中的服務器

4 結論

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)通訊技術讀取和遠傳監(jiān)測數(shù)據(jù)， 利用性能參數(shù)可靈活配置的云主機接收和存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，

通過定制開發(fā)程序將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉存至監(jiān)測中心物理主機， 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， 旨在促進傳統(tǒng)地下水監(jiān)測設備和通訊的

規(guī)范化， 并提升監(jiān)測精度， 擴大監(jiān)測種類; 采用云平臺作為數(shù)據(jù)接收的第一站， 是利用其性能靈活配置、技術成熟、成本低等特點， 加之 GＲM 組態(tài)和 OPC 管理器強大通訊能力的優(yōu)勢， 實現(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)測點數(shù)據(jù)并發(fā)時的壓力。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)采集案例進行針對性設計的， 仍需工業(yè)控制行業(yè)和實際監(jiān)測項目的考驗。

技術資料，159618（工控小周）72327