基于無線遙測終端2G/3G/4G RTU在農(nóng)業(yè)灌區(qū)引水遠程監(jiān)控解決方案
隨著經(jīng)濟的發(fā)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(qū)出現(xiàn)不同程度的缺水問題。水資源短缺已經(jīng)成為全球性的問題，隨著經(jīng)濟的發(fā)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(xiàn)代化手段，建設(shè)水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)，動態(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，是促進經(jīng)濟社會可持續(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)作物需水時效性、灌溉供水動態(tài)性、灌區(qū)性質(zhì)特殊性等方面的特點，使灌區(qū)的水管理工作十分艱巨。 灌區(qū)管理手段的先進程度，不僅反映我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平，也是確保灌區(qū)工程安全運行、實現(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)測點的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。
關(guān)鍵字：無線 RTU；工業(yè)級RTU；水利監(jiān)控；
該系統(tǒng)由監(jiān)控中心和各個水源監(jiān)測點組成，各個水源監(jiān)測點的數(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。
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(nóng)業(yè)的急速發(fā)展，對其網(wǎng)絡(luò)拓撲要求具有靈活性和擴展性的結(jié)構(gòu)，因此，農(nóng)業(yè)灌區(qū)通信方式的選擇應(yīng)考慮如下問題：
（1） 通信的可靠性——通信系統(tǒng)要長期經(jīng)受惡劣環(huán)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(shè)費用——在滿足可靠性的前提下，綜合考慮建設(shè)費用及長期使用和維護的費用。
（3） 雙向通信——不僅能實現(xiàn)信息量的上傳，還要實現(xiàn)控制量的下達。
（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，主站到子站、子站到終端之間通信對實現(xiàn)多業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)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(nóng)區(qū)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(xié)議，隨著“ALL IP”網(wǎng)絡(luò)技術(shù)趨勢的發(fā)展以及電力運營業(yè)務(wù)的不斷增長，需要考慮基于IP的業(yè)務(wù)承載，同時要求便于安裝施工、調(diào)試、運行、維護。
通信是系統(tǒng)監(jiān)控的一個重點和難點，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)點是數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點是布線復(fù)雜、擴展性差、施工成本高、靈活性差。
工業(yè)串行總線（RS485、RS232、CAN總線）優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸可靠，設(shè)計簡單，缺點是布網(wǎng)復(fù)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(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。
無線方式的優(yōu)點是：成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)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(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或者動態(tài)IP（可用域名綁定）以及端口號，將這些服務(wù)端參數(shù)設(shè)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(wù)端的管理平臺，可以為農(nóng)區(qū)灌溉行業(yè)提供實時的數(shù)據(jù)采集、傳輸、發(fā)布、遠程管理與控制、實現(xiàn)遠程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐昝澜鉀Q方案。
灌區(qū)引水監(jiān)控系統(tǒng)可以對遠程現(xiàn)場的運行設(shè) 備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)引水管道壓力、水流速的數(shù)據(jù)傳送及閥門開關(guān)的自動控制，降低了故障率和提高了對系統(tǒng)的反應(yīng)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(shù)。各水源監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集終端可自動采集引水管道壓力、水流速的實時數(shù)據(jù)與開關(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)控中心通過對傳輸回的數(shù)據(jù)進行分析，可找到出故障的地點，從而當(dāng)一個遠端出現(xiàn)故障時，能在最短的時間內(nèi)解決問題，恢復(fù)供水，提高了整體的服務(wù)水平，從而實現(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)測系統(tǒng)主要由中心控制站、手機、現(xiàn)場傳感器（流速計、水位計等）、廈門才茂通信提供的數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制于一體的CM550 RTU、灌區(qū)引水監(jiān)測軟件組成。
1．中心控制站：
服務(wù)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(wǎng)絡(luò)相連。由于專線可提供較高的帶寬，當(dāng)引水監(jiān)控點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求。 中心監(jiān)控站服務(wù)器采用動態(tài) IP 地址（可以申請花生殼軟件采用域名的方式），當(dāng)監(jiān)控點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求（適合監(jiān)控點數(shù)在幾十個左右的）。
監(jiān)控中心服務(wù)器接收到2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)終端傳來的連接申請先進行認證，認證通過后接受傳來的數(shù)據(jù)并進行處理。遠程監(jiān)控中心實現(xiàn)整個引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)各監(jiān)控點狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理，通過系統(tǒng)中集成的強大軟邏輯（Softlogic）功能可對所 有數(shù)據(jù)執(zhí)行高級算法處理。將結(jié)果值發(fā)回現(xiàn)場或通過內(nèi)嵌的SQL語言、OPC、ODBC等標準接口發(fā)送給第三方系統(tǒng)或數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享，交叉訪問以及應(yīng)用的高度獨立性。
2.廈門才茂通信CM550系列 DTU產(chǎn)品介紹
1）基本原理:
通過RS—485總線將數(shù)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(gòu)成現(xiàn)場監(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）接受數(shù)據(jù)，最大支持發(fā)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(shè)備永遠在線。
*遠程喚醒：支持短信、語音、數(shù)據(jù)等喚醒方式以及超時斷開網(wǎng)絡(luò)連接。
*支持固定IP通信方式；支持DDNS動態(tài)域名通信方式。
*支持6路計數(shù)器輸入。
*支持8路開關(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）
*支持擴展無線RTU管理平臺協(xié)議。
*支持遠程配置，遠程控制，遠程升級。
*支持WEB配置。
*支持bnet功能。
*支持網(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)。
2）2G/3G/4G 傳輸特點
基于灌區(qū)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(jīng)常發(fā)生沖突，既影響了數(shù)據(jù)的傳輸也對灌區(qū)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(wěn)定的運行也有一定的影響。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無線數(shù)字網(wǎng)的通訊方式，很好地解決了遠程灌區(qū)引水信息采集的瓶頸問題。
3）.系統(tǒng)功能及特點
1．功能：
灌區(qū)引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)是基于2G/3G/4G無線通信網(wǎng)絡(luò)的專業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)大規(guī)模（幾百至幾千個監(jiān)控子站）的遠程無線監(jiān)控，通過多線程的完全并發(fā)通
信，采用高性能的服務(wù)器以及高性能的遠程測控終端，能實現(xiàn)遠距離遙測、遙信、遙控、遙脈、遙調(diào)需要，可以在幾秒鐘時間內(nèi)獲取成百上千個子站的各種數(shù)據(jù)，并完成遙控、遙調(diào)功能，具有許多系統(tǒng)無法比擬的實時響應(yīng)速度以及接近于零故障和零維護的高可靠性。系統(tǒng)具體實現(xiàn)的功能如下：
◎ 數(shù)據(jù)定時采集：遠程監(jiān)測中心可通過無線數(shù)傳通道定時向所有現(xiàn)場測控單元發(fā)出監(jiān)測命令，實現(xiàn)對水源井、引水管道的定時數(shù)據(jù)監(jiān)測。
◎ 按需數(shù)據(jù)采集：遠程監(jiān)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(shù)據(jù)；
◎ 通訊控制功能：啟動/停止對水源井、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)，如各種報警限值等，并將必要的參數(shù)下發(fā)到水源井終端；
◎ 事項報警處理功能：系統(tǒng)對模擬量可分別設(shè)置報警上、下限，有效上、下限，當(dāng)數(shù)據(jù)越限值時可生成報警記錄，并且能保存報警記錄；
◎ 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；
◎ 計算功能：支持常用函數(shù)功能；
◎ 細膩的圖像和逼真的動畫顯示；
◎ 功能齊全的數(shù)據(jù)采集界面；
◎ 報警發(fā)生時，可自動推出報警畫面；
◎ 生成各采集參數(shù)的時間曲線；
◎ 歷史數(shù)據(jù)綜合查詢及實時數(shù)據(jù)顯示；
◎ 報表的生成及打??；
◎ web發(fā)布功能；
◎ 遙控啟/停井；
2．特點：
1）系統(tǒng)的實用性：
灌區(qū)引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用計算機處理所有數(shù)據(jù)，不僅可以得到瞬時曲線，還可以對數(shù)據(jù)進行處理得到所需各種圖表，而不必工作人員親臨監(jiān)測現(xiàn)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(yīng)措施。
2）系統(tǒng)的實時性：
灌區(qū)引水遠程監(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)，可以實現(xiàn)多線程的遠程并發(fā)通信，在幾秒時間內(nèi)，可以讓成百上千臺的深井?dāng)?shù)據(jù)實時傳送到監(jiān)控中心進行集中監(jiān)視和遠程調(diào)度，實現(xiàn)故障信息的及時報警，運用通信手段實現(xiàn)停機故障的及時處理。數(shù)據(jù)量巨大，提供了強大的實時數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的支撐，比起傳統(tǒng)的電臺輪詢等方式，具有無可比擬的優(yōu)勢。
3）系統(tǒng)的開放性：
灌區(qū)引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)是一套成熟的開放式的系統(tǒng)。所謂的開放，就是指協(xié)議等方面采用標準的協(xié)議，可以進行系統(tǒng)或模塊的擴展，便于長期的升級和維護，延長系統(tǒng)的壽命，通過更新部件，能讓系統(tǒng)一直存在下去，而不至于整個系統(tǒng)癱瘓，造成大量的投資損失。
4）系統(tǒng)的易維護性：
灌區(qū)引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有極低的故障率，所以相應(yīng)的維護量非常之小。系統(tǒng)的構(gòu)架非常清晰，具有多個調(diào)試工具，以辨別故障所在。此外多年的經(jīng)驗和較強的專業(yè)性，保證了整個系統(tǒng)的高可靠性和低故障率。
5）系統(tǒng)的強大功能：
灌區(qū)引水遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)管單位的需要，進行高級開發(fā)，增加或減少功能模塊、監(jiān)控點數(shù)量，可以自動發(fā)出報警，可以自動彈出故障畫面，并自動打印?，F(xiàn)場測控單元可以存儲數(shù)據(jù)，在掉電時自動保存。
總結(jié)：
本系統(tǒng)以灌區(qū)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(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案?，F(xiàn)場調(diào)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(qū)的管理水平。系統(tǒng)的開發(fā)時間短，成本低，節(jié)能效益明顯。適合廣大灌區(qū)引水工程進行技術(shù)改造。
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(jīng)過多年的實踐及工程應(yīng)用，為滿足市場需求而自主研發(fā)的集數(shù)據(jù)采集、遠程控制與無線通訊功能為一體的無線終端控制產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品集成了模擬信號采集，開關(guān)量輸入，開關(guān)量輸出，脈沖計數(shù)，支持以太網(wǎng)通信，串口通信，RS485通信和4G/3G/2G無線數(shù)據(jù)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。
