基于無線遙測終端2G/3G/4G RTU在農業灌區引水遠程監控解決方案

1、引言

     隨著經濟的發展和人口的增加，人類對水資源的需求不斷增加，再加上存在對水資源的不合理開采和利用，很多國家和地區出現不同程度的缺水問題。水資源短缺已經成為全球性的問題，隨著經濟的發展，日益增長的用水需求與水資源短缺之間的矛盾迫使世界各國都在尋求解決的有效辦法。因此，采用現代化手段，建設水資源實時監控系統，動態掌握區域水資源變化及利用情況，最大限度的調控使用效率，是促進經濟社會可持續發展的迫切需要。灌區所具有的工程分散性、水情雨情變化性、農作物需水時效性、灌溉供水動態性、灌區性質特殊性等方面的特點，使灌區的水管理工作十分艱巨。 灌區管理手段的先進程度，不僅反映我國科學技術的發展水平，也是確保灌區工程安全運行、實現水資源優化配置、提高用水效率、保障灌區持續發展的實際需要。 灌區引水監控系統的主要目的是解決引水工程各環節監測點的數據采集和監控。 

關鍵字：無線 RTU；工業級RTU；水利監控；

2、系統組成

    該系統由監控中心和各個水源監測點組成，各個水源監測點的數據采集終端（CM550-52G）可監視和采集水位、壓力、流速、等各種數據，供控制中心及有關部門分析和決策取用，提高工作效率，保證引水質量，滿足灌區的用水量的需求。

3、應用前景

    由于農業灌區用途的特殊性決定了灌區建設的特點是被測點多、分散、覆蓋面廣、通信距離遠，需集中管理。并且隨著農業的急速發展，對其網絡拓撲要求具有靈活性和擴展性的結構，因此，農業灌區通信方式的選擇應考慮如下問題：

 （1） 通信的可靠性——通信系統要長期經受惡劣環境和較強的電磁干擾或噪音干擾的考驗，并保持通信的暢通。

 （2） 建設費用——在滿足可靠性的前提下，綜合考慮建設費用及長期使用和維護的費用。

 （3） 雙向通信——不僅能實現信息量的上傳，還要實現控制量的下達。

 （4） 多業務的數據傳輸速率——隨著以后終端業務量的不斷增長，主站到子站、子站到終端之間通信對實現多業務的數據傳輸速率要求越來越高。

 （5） 通信的靈活性和可擴展性——由于農區灌溉具有控制點面多、面廣和分散的特點，要求采用標準的通信協議，隨著“ALL IP”網絡技術趨勢的發展以及電力運營業務的不斷增長，需要考慮基于IP的業務承載，同時要求便于安裝施工、調試、運行、維護。

4、通訊方式

    通信是系統監控的一個重點和難點，區域不同、條件不同，可應用的通信方式也不同，一般通信方式主要有有線方式和無線方式：

（1）有線方式

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

   有線以太網主要優點是數據傳輸可靠、網絡容量大，缺點是布線復雜、擴展性差、施工成本高、靈活性差。

   工業串行總線（RS485、RS232、CAN總線）優點是數據傳輸可靠，設計簡單，缺點是布網復雜、擴展性差、施工成本高、靈活性差、通信容量低。

（2）無線方式

   無線方式主要采用移動運營商的無線網絡數據接入業務，如：GPRS/CDMA/TD-SCDMA/WCDMA/EVDO以及更新的4G LTE網絡等。

無線方式的優點是：成本低廉、建設工程周期短、適應性強、擴展性好、維護方便并且擴展容易。

    基于此，利用2G/3G/4G無線數據傳輸技術，基于服務端應用寬帶有線網絡提供固定IP或者動態IP（可用域名綁定）以及端口號，將這些服務端參數設置在才茂通信無線傳輸終端DTU上，利用它能夠自動解析域名地址，連接到服務端的管理平臺，可以為農區灌溉行業提供實時的數據采集、傳輸、發布、遠程管理與控制、實現遠程無線數據傳輸的完美解決方案。

5、系統組成及組網方案

灌區引水監控系統可以對遠程現場的運行設 備進行監視和控制，以實現引水管道壓力、水流速的數據傳送及閥門開關的自動控制，降低了故障率和提高了對系統的反應時間。便于及時迅速的了解及控制遠端水源井、引水管道及閥門，低故障率和檢修的時間，減少停水次數。各水源監測點的數據采集終端可自動采集引水管道壓力、水流速的實時數據與開關狀態等數據，信息傳輸到灌區的監控中心，監控中心通過對傳輸回的數據進行分析，可找到出故障的地點，從而當一個遠端出現故障時，能在最短的時間內解決問題，恢復供水，提高了整體的服務水平，從而實現了灌區引水的信息化、現代化。 

系統組成: 

灌區引水監測系統主要由中心控制站、手機、現場傳感器（流速計、水位計等）、廈門才茂通信提供的數據采集、傳輸、控制于一體的CM550  RTU、灌區引水監測軟件組成。

1．中心控制站： 

   服務器申請配置固定IP地址，采用移動通信公司提供的專線，與2G/3G/4G網絡相連。由于專線可提供較高的帶寬，當引水監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求。 中心監控站服務器采用動態 IP 地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當監控點數量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監控點數在幾十個左右的）。 

   監控中心服務器接收到2G/3G/4G網絡終端傳來的連接申請先進行認證，認證通過后接受傳來的數據并進行處理。遠程監控中心實現整個引水遠程監控系統各監控點狀態數據的采集和處理，通過系統中集成的強大軟邏輯（Softlogic）功能可對所 有數據執行高級算法處理。將結果值發回現場或通過內嵌的SQL語言、OPC、ODBC等標準接口發送給第三方系統或數據庫，以實現數據的充分共享，交叉訪問以及應用的高度獨立性。 

2.廈門才茂通信CM550系列  DTU產品介紹

1）基本原理: 

    通過RS—485總線將數字傳感器（也可采用模擬輸出傳感器）與無線智能測控終端連為一體，構成現場監控單元。

  *支持虛擬數據專用網（APN/VPDN）。

  *支持雙數據中心備份及多數據中心（8個）接受數據，最大支持發送中心達256個。

  *智能防掉線，支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線。

  *遠程喚醒：支持短信、語音、數據等喚醒方式以及超時斷開網絡連接。

  *支持固定IP通信方式；支持DDNS動態域名通信方式。

  *支持6路計數器輸入。

  *支持8路開關輸入量。

  *支持8路模擬輸入量。

  *支持4路數字輸出量。

  *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。（硬件帶以太網接口的才有此功能）

  *支持1路USB接口。（硬件帶以太網接口的才有此功能）

  *支持擴展無線RTU管理平臺協議。

  *支持遠程配置，遠程控制，遠程升級。

  *支持WEB配置。

  *支持telnet功能。

  *支持網口本地軟件升級，升級速度快速。

  *支持GPS/北斗定位（非標配，采購時需額外告知）。

  *支持ZIGBEE 低功耗的近距離無線組網通訊（非標配，采購時需額外告知）。

  *同時支持LINUX、UNIX和WINDOWS操作系統。

2）2G/3G/4G 傳輸特點

     基于灌區分布點多面廣，其遠程采集大多仍沿用有線傳輸方式，線路維護量很大。由于電話線公用，通訊時經常發生沖突，既影響了數據的傳輸也對灌區部門的正常工作造成了干擾，并且此種方式對通訊部門程控交換機正常、穩定的運行也有一定的影響。為保證傳輸質量，若采用專線方式，投資成本太高；采用2G/3G/4G無線數字網的通訊方式，很好地解決了遠程灌區引水信息采集的瓶頸問題。 

3）.系統功能及特點

1．功能： 

    灌區引水遠程監控系統是基于2G/3G/4G無線通信網絡的專業監控系統，可以實現大規模（幾百至幾千個監控子站）的遠程無線監控，通過多線程的完全并發通

信，采用高性能的服務器以及高性能的遠程測控終端，能實現遠距離遙測、遙信、遙控、遙脈、遙調需要，可以在幾秒鐘時間內獲取成百上千個子站的各種數據，并完成遙控、遙調功能，具有許多系統無法比擬的實時響應速度以及接近于零故障和零維護的高可靠性。系統具體實現的功能如下： 

◎ 數據定時采集：遠程監測中心可通過無線數傳通道定時向所有現場測控單元發出監測命令，實現對水源井、引水管道的定時數據監測。 

◎ 按需數據采集：遠程監測中心可在任何時刻請求召喚一口或多口水源井、引水管道的數據； 

◎ 通訊控制功能：啟動/停止對水源井、引水管道終端的數據采集、切換終端使用的通道等； 

◎ 通道質量監視及故障診斷，通訊流量計算；
◎ 可支持多種通訊規約、多種通訊通道； 

◎ 添加/刪除水源井終端，修改終端通訊參數，如地址、通訊規約、數據召喚周期等； 

◎  修改水源井終端參數，如各種報警限值等，并將必要的參數下發到水源井終端； 

◎  事項報警處理功能：系統對模擬量可分別設置報警上、下限，有效上、下限，當數據越限值時可生成報警記錄，并且能保存報警記錄； 

◎  數據保存周期可按不同數據類型設置為逢變即存、10 分鐘、30 分鐘、60 分鐘（保存周期應大于等于采集周期）； 

◎  權限管理：所有系統操作均有授權控制； 

◎  計算功能：支持常用函數功能； 

◎   細膩的圖像和逼真的動畫顯示；

◎   功能齊全的數據采集界面； 

◎   報警發生時，可自動推出報警畫面； 

◎ 生成各采集參數的時間曲線； 

◎  歷史數據綜合查詢及實時數據顯示； 

◎  報表的生成及打印； 

◎ web發布功能； 

◎ 遙控啟/停井；

2．特點： 

1）系統的實用性： 

    灌區引水遠程監控系統應用計算機處理所有數據，不僅可以得到瞬時曲線，還可以對數據進行處理得到所需各種圖表，而不必工作人員親臨監測現場，大大降低了工作人員的勞動強度，而且便于管理部門及時了解情況，進一步的分析并及時采取響應措施。 

2）系統的實時性： 

    灌區引水遠程監控系統采用最新的通信和軟硬件技術，建立了清晰和合理的系統架構，可以實現多線程的遠程并發通信，在幾秒時間內，可以讓成百上千臺的深井數據實時傳送到監控中心進行集中監視和遠程調度，實現故障信息的及時報警，運用通信手段實現停機故障的及時處理。數據量巨大，提供了強大的實時數據庫作為系統的支撐，比起傳統的電臺輪詢等方式，具有無可比擬的優勢。

3）系統的開放性： 

    灌區引水遠程監控系統是一套成熟的開放式的系統。所謂的開放，就是指協議等方面采用標準的協議，可以進行系統或模塊的擴展，便于長期的升級和維護，延長系統的壽命，通過更新部件，能讓系統一直存在下去，而不至于整個系統癱瘓，造成大量的投資損失。 

4）系統的易維護性： 

    灌區引水遠程監控系統具有極低的故障率，所以相應的維護量非常之小。系統的構架非常清晰，具有多個調試工具，以辨別故障所在。此外多年的經驗和較強的專業性，保證了整個系統的高可靠性和低故障率。 

5）系統的強大功能： 

    灌區引水遠程監控系統可以根據監管單位的需要，進行高級開發，增加或減少功能模塊、監控點數量，可以自動發出報警，可以自動彈出故障畫面，并自動打印。現場測控單元可以存儲數據，在掉電時自動保存。 

總結： 

    本系統以灌區引水過程為背景，使用GPRS RTU提出了一套基于PC機的自動供水計算機監控系統設計方案。現場調試證明，該方案切實可行，JY-RTU4100既保證了水渠道的不間斷供水又提高了灌區的管理水平。系統的開發時間短，成本低，節能效益明顯。適合廣大灌區引水工程進行技術改造。 

6、才茂RTU無線遠程測控終端介紹

才茂CM550系列智能無線遠程測控終端(以下簡稱無線RTU）是廈門才茂通信科技有限公司經過多年的實踐及工程應用，為滿足市場需求而自主研發的集數據采集、遠程控制與無線通訊功能為一體的無線終端控制產品。該系列產品集成了模擬信號采集，開關量輸入，開關量輸出，脈沖計數，支持以太網通信，串口通信，RS485通信和4G/3G/2G無線數據通信于一體的高性能測控裝置，可以直接接入各種傳感器、標準變送器信號、儀表等輸出的模擬信號、電平信號、干觸點、脈沖信號等，是實施無線測控的最佳選擇。