基于無(wú)線遙測(cè)終端2G/3G/4G RTU在農(nóng)業(yè)灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案

1、引言

     隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，人類對(duì)水資源的需求不斷增加，再加上存在對(duì)水資源的不合理開(kāi)采和利用，很多國(guó)家和地區(qū)出現(xiàn)不同程度的缺水問(wèn)題。水資源短缺已經(jīng)成為全球性的問(wèn)題，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，日益增長(zhǎng)的用水需求與水資源短缺之間的矛盾迫使世界各國(guó)都在尋求解決的有效辦法。因此，采用現(xiàn)代化手段，建設(shè)水資源實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)掌握區(qū)域水資源變化及利用情況，最大限度的調(diào)控使用效率，是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。灌區(qū)所具有的工程分散性、水情雨情變化性、農(nóng)作物需水時(shí)效性、灌溉供水動(dòng)態(tài)性、灌區(qū)性質(zhì)特殊性等方面的特點(diǎn)，使灌區(qū)的水管理工作十分艱巨。 灌區(qū)管理手段的先進(jìn)程度，不僅反映我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，也是確保灌區(qū)工程安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、提高用水效率、保障灌區(qū)持續(xù)發(fā)展的實(shí)際需要。 灌區(qū)引水監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是解決引水工程各環(huán)節(jié)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。 

關(guān)鍵字：無(wú)線 RTU；工業(yè)級(jí)RTU；水利監(jiān)控；

2、系統(tǒng)組成

    該系統(tǒng)由監(jiān)控中心和各個(gè)水源監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，各個(gè)水源監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端（CM550-52G）可監(jiān)視和采集水位、壓力、流速、等各種數(shù)據(jù)，供控制中心及有關(guān)部門(mén)分析和決策取用，提高工作效率，保證引水質(zhì)量，滿足灌區(qū)的用水量的需求。

3、應(yīng)用前景

    由于農(nóng)業(yè)灌區(qū)用途的特殊性決定了灌區(qū)建設(shè)的特點(diǎn)是被測(cè)點(diǎn)多、分散、覆蓋面廣、通信距離遠(yuǎn)，需集中管理。并且隨著農(nóng)業(yè)的急速發(fā)展，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟缶哂徐`活性和擴(kuò)展性的結(jié)構(gòu)，因此，農(nóng)業(yè)灌區(qū)通信方式的選擇應(yīng)考慮如下問(wèn)題：

 （1） 通信的可靠性——通信系統(tǒng)要長(zhǎng)期經(jīng)受惡劣環(huán)境和較強(qiáng)的電磁干擾或噪音干擾的考驗(yàn)，并保持通信的暢通。

 （2） 建設(shè)費(fèi)用——在滿足可靠性的前提下，綜合考慮建設(shè)費(fèi)用及長(zhǎng)期使用和維護(hù)的費(fèi)用。

 （3） 雙向通信——不僅能實(shí)現(xiàn)信息量的上傳，還要實(shí)現(xiàn)控制量的下達(dá)。

 （4） 多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率——隨著以后終端業(yè)務(wù)量的不斷增長(zhǎng)，主站到子站、子站到終端之間通信對(duì)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來(lái)越高。

 （5） 通信的靈活性和可擴(kuò)展性——由于農(nóng)區(qū)灌溉具有控制點(diǎn)面多、面廣和分散的特點(diǎn)，要求采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，隨著“ALL IP”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)趨勢(shì)的發(fā)展以及電力運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)，需要考慮基于IP的業(yè)務(wù)承載，同時(shí)要求便于安裝施工、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)。

4、通訊方式

    通信是系統(tǒng)監(jiān)控的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，區(qū)域不同、條件不同，可應(yīng)用的通信方式也不同，一般通信方式主要有有線方式和無(wú)線方式：

（1）有線方式

   有線方式主要有：有線以太網(wǎng)（RJ45線、光纖）、工業(yè)串行總線（RS485、RS232、CAN總線）。

   有線以太網(wǎng)主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點(diǎn)是布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、施工成本高、靈活性差。

   工業(yè)串行總線（RS485、RS232、CAN總線）優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸可靠，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是布網(wǎng)復(fù)雜、擴(kuò)展性差、施工成本高、靈活性差、通信容量低。

（2）無(wú)線方式

   無(wú)線方式主要采用移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G LTE網(wǎng)絡(luò)等。

無(wú)線方式的優(yōu)點(diǎn)是：成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、維護(hù)方便并且擴(kuò)展容易。

    基于此，利用2G/3G/4G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，基于服務(wù)端應(yīng)用寬帶有線網(wǎng)絡(luò)提供固定IP或者動(dòng)態(tài)IP（可用域名綁定）以及端口號(hào)，將這些服務(wù)端參數(shù)設(shè)置在才茂通信無(wú)線傳輸終端DTU上，利用它能夠自動(dòng)解析域名地址，連接到服務(wù)端的管理平臺(tái)，可以為農(nóng)區(qū)灌溉行業(yè)提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、發(fā)布、遠(yuǎn)程管理與控制、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐昝澜鉀Q方案。

5、系統(tǒng)組成及組網(wǎng)方案

灌區(qū)引水監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)遠(yuǎn)程現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè) 備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)引水管道壓力、水流速的數(shù)據(jù)傳送及閥門(mén)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制，降低了故障率和提高了對(duì)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。便于及時(shí)迅速的了解及控制遠(yuǎn)端水源井、引水管道及閥門(mén)，低故障率和檢修的時(shí)間，減少停水次數(shù)。各水源監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端可自動(dòng)采集引水管道壓力、水流速的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與開(kāi)關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)，信息傳輸?shù)焦鄥^(qū)的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)傳輸回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可找到出故障的地點(diǎn)，從而當(dāng)一個(gè)遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時(shí)，能在最短的時(shí)間內(nèi)解決問(wèn)題，恢復(fù)供水，提高了整體的服務(wù)水平，從而實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)引水的信息化、現(xiàn)代化。 

系統(tǒng)組成: 

灌區(qū)引水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由中心控制站、手機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)傳感器（流速計(jì)、水位計(jì)等）、廈門(mén)才茂通信提供的數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制于一體的CM550  RTU、灌區(qū)引水監(jiān)測(cè)軟件組成。

1．中心控制站： 

   服務(wù)器申請(qǐng)配置固定IP地址，采用移動(dòng)通信公司提供的專線，與2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)相連。由于專線可提供較高的帶寬，當(dāng)引水監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求。 中心監(jiān)控站服務(wù)器采用動(dòng)態(tài) IP 地址（可以申請(qǐng)花生殼軟件采用域名的方式），當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求（適合監(jiān)控點(diǎn)數(shù)在幾十個(gè)左右的）。 

   監(jiān)控中心服務(wù)器接收到2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)終端傳來(lái)的連接申請(qǐng)先進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過(guò)后接受傳來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)整個(gè)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)各監(jiān)控點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理，通過(guò)系統(tǒng)中集成的強(qiáng)大軟邏輯（Softlogic）功能可對(duì)所 有數(shù)據(jù)執(zhí)行高級(jí)算法處理。將結(jié)果值發(fā)回現(xiàn)場(chǎng)或通過(guò)內(nèi)嵌的SQL語(yǔ)言、OPC、ODBC等標(biāo)準(zhǔn)接口發(fā)送給第三方系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享，交叉訪問(wèn)以及應(yīng)用的高度獨(dú)立性。 

2.廈門(mén)才茂通信CM550系列  DTU產(chǎn)品介紹

1）基本原理: 

    通過(guò)RS—485總線將數(shù)字傳感器（也可采用模擬輸出傳感器）與無(wú)線智能測(cè)控終端連為一體，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元。

  *支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN/VPDN）。

  *支持雙數(shù)據(jù)中心備份及多數(shù)據(jù)中心（8個(gè)）接受數(shù)據(jù)，最大支持發(fā)送中心達(dá)256個(gè)。

  *智能防掉線，支持在線檢測(cè)，在線維持，掉線自動(dòng)重?fù)埽_保設(shè)備永遠(yuǎn)在線。

  *遠(yuǎn)程喚醒：支持短信、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時(shí)斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接。

  *支持固定IP通信方式；支持DDNS動(dòng)態(tài)域名通信方式。

  *支持6路計(jì)數(shù)器輸入。

  *支持8路開(kāi)關(guān)輸入量。

  *支持8路模擬輸入量。

  *支持4路數(shù)字輸出量。

  *支持2路PWM輸出。

  *支持4路繼電器輸出。

  *支持1路串口RS232通信。

  *支持1路RS485通信。

  *支持1路以太網(wǎng)。（硬件帶以太網(wǎng)接口的才有此功能）

  *支持1路USB接口。（硬件帶以太網(wǎng)接口的才有此功能）

  *支持?jǐn)U展無(wú)線RTU管理平臺(tái)協(xié)議。

  *支持遠(yuǎn)程配置，遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程升級(jí)。

  *支持WEB配置。

  *支持telnet功能。

  *支持網(wǎng)口本地軟件升級(jí)，升級(jí)速度快速。

  *支持GPS/北斗定位（非標(biāo)配，采購(gòu)時(shí)需額外告知）。

  *支持ZIGBEE 低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊（非標(biāo)配，采購(gòu)時(shí)需額外告知）。

  *同時(shí)支持LINUX、UNIX和WINDOWS操作系統(tǒng)。

2）2G/3G/4G 傳輸特點(diǎn)

     基于灌區(qū)分布點(diǎn)多面廣，其遠(yuǎn)程采集大多仍沿用有線傳輸方式，線路維護(hù)量很大。由于電話線公用，通訊時(shí)經(jīng)常發(fā)生沖突，既影響了數(shù)據(jù)的傳輸也對(duì)灌區(qū)部門(mén)的正常工作造成了干擾，并且此種方式對(duì)通訊部門(mén)程控交換機(jī)正常、穩(wěn)定的運(yùn)行也有一定的影響。為保證傳輸質(zhì)量，若采用專線方式，投資成本太高；采用2G/3G/4G無(wú)線數(shù)字網(wǎng)的通訊方式，很好地解決了遠(yuǎn)程灌區(qū)引水信息采集的瓶頸問(wèn)題。 

3）.系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

1．功能： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于2G/3G/4G無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模（幾百至幾千個(gè)監(jiān)控子站）的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，通過(guò)多線程的完全并發(fā)通

信，采用高性能的服務(wù)器以及高性能的遠(yuǎn)程測(cè)控終端，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)、遙信、遙控、遙脈、遙調(diào)需要，可以在幾秒鐘時(shí)間內(nèi)獲取成百上千個(gè)子站的各種數(shù)據(jù)，并完成遙控、遙調(diào)功能，具有許多系統(tǒng)無(wú)法比擬的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度以及接近于零故障和零維護(hù)的高可靠性。系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)的功能如下： 

◎ 數(shù)據(jù)定時(shí)采集：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可通過(guò)無(wú)線數(shù)傳通道定時(shí)向所有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元發(fā)出監(jiān)測(cè)命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源井、引水管道的定時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。 

◎ 按需數(shù)據(jù)采集：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可在任何時(shí)刻請(qǐng)求召喚一口或多口水源井、引水管道的數(shù)據(jù)； 

◎ 通訊控制功能：?jiǎn)?dòng)/停止對(duì)水源井、引水管道終端的數(shù)據(jù)采集、切換終端使用的通道等； 

◎ 通道質(zhì)量監(jiān)視及故障診斷，通訊流量計(jì)算；
◎ 可支持多種通訊規(guī)約、多種通訊通道； 

◎ 添加/刪除水源井終端，修改終端通訊參數(shù)，如地址、通訊規(guī)約、數(shù)據(jù)召喚周期等； 

◎  修改水源井終端參數(shù)，如各種報(bào)警限值等，并將必要的參數(shù)下發(fā)到水源井終端； 

◎  事項(xiàng)報(bào)警處理功能：系統(tǒng)對(duì)模擬量可分別設(shè)置報(bào)警上、下限，有效上、下限，當(dāng)數(shù)據(jù)越限值時(shí)可生成報(bào)警記錄，并且能保存報(bào)警記錄； 

◎  數(shù)據(jù)保存周期可按不同數(shù)據(jù)類型設(shè)置為逢變即存、10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘（保存周期應(yīng)大于等于采集周期）； 

◎  權(quán)限管理：所有系統(tǒng)操作均有授權(quán)控制； 

◎  計(jì)算功能：支持常用函數(shù)功能； 

◎   細(xì)膩的圖像和逼真的動(dòng)畫(huà)顯示；

◎   功能齊全的數(shù)據(jù)采集界面； 

◎   報(bào)警發(fā)生時(shí)，可自動(dòng)推出報(bào)警畫(huà)面； 

◎ 生成各采集參數(shù)的時(shí)間曲線； 

◎  歷史數(shù)據(jù)綜合查詢及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示； 

◎  報(bào)表的生成及打印； 

◎ web發(fā)布功能； 

◎ 遙控啟/停井；

2．特點(diǎn)： 

1）系統(tǒng)的實(shí)用性： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理所有數(shù)據(jù)，不僅可以得到瞬時(shí)曲線，還可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到所需各種圖表，而不必工作人員親臨監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，大大降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且便于管理部門(mén)及時(shí)了解情況，進(jìn)一步的分析并及時(shí)采取響應(yīng)措施。 

2）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用最新的通信和軟硬件技術(shù)，建立了清晰和合理的系統(tǒng)架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多線程的遠(yuǎn)程并發(fā)通信，在幾秒時(shí)間內(nèi)，可以讓成百上千臺(tái)的深井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心進(jìn)行集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)度，實(shí)現(xiàn)故障信息的及時(shí)報(bào)警，運(yùn)用通信手段實(shí)現(xiàn)停機(jī)故障的及時(shí)處理。數(shù)據(jù)量巨大，提供了強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)的支撐，比起傳統(tǒng)的電臺(tái)輪詢等方式，具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

3）系統(tǒng)的開(kāi)放性： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一套成熟的開(kāi)放式的系統(tǒng)。所謂的開(kāi)放，就是指協(xié)議等方面采用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，可以進(jìn)行系統(tǒng)或模塊的擴(kuò)展，便于長(zhǎng)期的升級(jí)和維護(hù)，延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命，通過(guò)更新部件，能讓系統(tǒng)一直存在下去，而不至于整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成大量的投資損失。 

4）系統(tǒng)的易維護(hù)性： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有極低的故障率，所以相應(yīng)的維護(hù)量非常之小。系統(tǒng)的構(gòu)架非常清晰，具有多個(gè)調(diào)試工具，以辨別故障所在。此外多年的經(jīng)驗(yàn)和較強(qiáng)的專業(yè)性，保證了整個(gè)系統(tǒng)的高可靠性和低故障率。 

5）系統(tǒng)的強(qiáng)大功能： 

    灌區(qū)引水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)管單位的需要，進(jìn)行高級(jí)開(kāi)發(fā)，增加或減少功能模塊、監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量，可以自動(dòng)發(fā)出報(bào)警，可以自動(dòng)彈出故障畫(huà)面，并自動(dòng)打印。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控單元可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，在掉電時(shí)自動(dòng)保存。 

總結(jié)： 

    本系統(tǒng)以灌區(qū)引水過(guò)程為背景，使用GPRS RTU提出了一套基于PC機(jī)的自動(dòng)供水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明，該方案切實(shí)可行，JY-RTU4100既保證了水渠道的不間斷供水又提高了灌區(qū)的管理水平。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間短，成本低，節(jié)能效益明顯。適合廣大灌區(qū)引水工程進(jìn)行技術(shù)改造。 

6、才茂RTU無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端介紹

才茂CM550系列智能無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端(以下簡(jiǎn)稱無(wú)線RTU）是廈門(mén)才茂通信科技有限公司經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐及工程應(yīng)用，為滿足市場(chǎng)需求而自主研發(fā)的集數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制與無(wú)線通訊功能為一體的無(wú)線終端控制產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品集成了模擬信號(hào)采集，開(kāi)關(guān)量輸入，開(kāi)關(guān)量輸出，脈沖計(jì)數(shù)，支持以太網(wǎng)通信，串口通信，RS485通信和4G/3G/2G無(wú)線數(shù)據(jù)通信于一體的高性能測(cè)控裝置，可以直接接入各種傳感器、標(biāo)準(zhǔn)變送器信號(hào)、儀表等輸出的模擬信號(hào)、電平信號(hào)、干觸點(diǎn)、脈沖信號(hào)等，是實(shí)施無(wú)線測(cè)控的最佳選擇。