智能数据采集器在环境中应用好方案

一．项目背景

在精细农业种植如大棚监测与控制、野外环境监测应用如森林碳排放量检测、以及水资源环境检测等应用领域，无线数传模块都有着重要的意义。

这些领域有分布广且零散，数量多等特点。为了在不受地域，网络环境的影响下及时掌握现场或是远程相关地点的环境质量和安全情况，采用低速率、低功耗、网络容量大的环境质量自动监控，来实现信息的釆集与处理已成为当前环境监测工作的重点。

DTU借助有线网络、蜂窝通信网络或工业总线网络，将区域内的传感器节点汇聚的信息接入互联网络中，实现传感器节点采集数据在本地和远程的监控管理。此外，DTU还可实现双向通信，具备终端设备管理功能，用户可以通过网关设备管理底层的感知节点，实现远程控制。

二．建设依据

HJ212-2017协议是国家科技标准司出台的污染物在线监控系统数据传输标准，从监管层面对环境监控过程的数据传输标准进行了统一。

HJ212-2017标准通讯协议采用应答模式，完整的命令由请求方发起、响应方应答组成。请求方发送请求给响应方，响应方接到请求后，向请求方发送请求应答，握手完成。如果请求方未收到请求应答，按回应超时处理。

通信协议数据结构如图1所示，所有通讯包都由ASCII码字符组成（汉字除外，采用UTf-8码）。

 

三．项目优势

1. 能耗小。环境信息釆集节点的布置较为广泛，考虑到某些偏远地区环境采集点没有连续的电源供应，所以釆集模块具有低能耗的特点，这样不仅能够节约功耗，还能延长节点工作的能力。

2. 检测范围广。环境信息采集传输系统数据通信范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能够满足山区、乡镇和跨地区的接入需求，不受区域位置条件的限制。

3. 数据传输容量大、速率高。即使在大量的数据同时进行采集和传送时，系统也能保证网络畅通稳定的运行，并能适应各种规模的监测。

4. 及时报警。当某个地区的环境数据可能会超过规定值时，系统会及时将报警信息经短信的方式传输至管理人员手机上。

5. 通信费用低。

四．应用架构

DTU在环境监测中的应用结构图如下所示，根据功能可分为三个模块：环境信息采集点，环境信息传输层，以及远程控制应用层。

 

1. 环境信息采集点：使用DTU作为数采仪，用RS485串口线与监控仪器相连，通过modbus RTU协议进行通信采集数据；

2. 环境信息传输层：采集到的数据信息通过GPRS蜂窝网络上传到云服务平台。此外，为了降低现场监测数据的获取难度，DTU为对接上位机软件提供了两种便捷方式，即协议开发包（动态链接库）和网络转串口工具，大大降低了用户自主开发或对接第三方上位机软件的难度。

3. 远程控制应用层：云平台服务通过HJ212-2017协议标准与上位机软件通信实现数据监测。

五．相关产品

1. 产品概述

我司无线数据终端DTU是一款一款工业级4G全网通产品，它全面支持中国移动、中国联通以及中国电信的2G/3G/4G网络，可实现现场串口设备与中心控制系统间的无线数据通信，具有组网迅速、扩容灵活、建设周期短、成本低等优势。

这款DTU采用的加密芯片和数据的加解密算法及协议，完全符合公司安全性规范及要求，可轻松完成对现场设备的远程数据采集和控制，广泛适用于水利、污水处理、新能源、市政供水供热燃气、交通、电力、环保、气象等行业。

2. 功能优势

● 支持RS-485、212多种接口选择，兼容所有串口下位机；

● 采用工业级传输模块，7×24h稳定传输；

● 即插即用，支持虚拟串口；

● 支持远程查询 SIM 卡，查询 DTU 中 SIM 卡余额、流量等信息；

● 简单易用，运维方便，工作人员无需进行培训即可上手；

● 支持发送短信功能；

● 支持两端都是 4G无线的点到点、多点到点通信；

● 全面支持中国联通、中国移动和中国电信的2G/3G/4G网络；

● 支持服务器端远程更改 DTU 配置项；

● 用户可远程配置搭建项目，快速对接上位机软件；

● 科学的外观设计，体积小而轻巧，无安装空间要求；

3. 传输方式

（1）纯透传

 

（2）带注册包、心跳包的透传

 

4. 通信组网方式

（1）云平台转发给用户服务器

 

（2）云平台转发给其他设备

 

（3）用户固定IP/域名

 

5. 产品技术规格

 

供电	24VDC
尺寸	125*76*43mm
盖螺钉	不锈钢
防护等级	IP65
抗冲击性	IK08
额定绝缘电压	AC:690 V；DC:1000 V
不含重金属	是
工作温度	-30°C~70°C
网络接口	全网通
重量	100g

 

6. 应用领域

● 环保行业:  污染源监测；大气环境监测；噪音监测；粉尘监测等。

● 电力行业: 电力远程抄表；变电站监测；电力线路监测；配电网络柱上开关监测系统等。

● 石油行业: 油气井的远程监控；GPRS远程油田自动化监测监控系统；燃气管网监控系统方案等。  

● 水利行业: 水质监测；水库闸门远程控制系统方案；水利GPRS调度系统应用方案；水管网监测系统；水库自动监测系统等。 

● 市政行业: 水表、煤气表等远程抄表；路灯远程监控管理；管网远程监测；城市能耗监测等。  

六．应用案例（污染源在线监测）

1. 监测因子

烟尘（烟尘、SO2、NOx）、污水（COD、流量、TOC、总磷、氨氮）、 空气质量、噪声污染等；

2. 设备运行状态监测

实时监测现场仪表运行状态、治污设备启停状态等。能自动监测在线监测仪、 自动采样器等现场仪表、设备的运行状态（运行、停止或故障等）

3. 污染源在线监测系统组成

系统集自动控制技术、通信技术、计算机应用技术为一体，由场监控站点系统、数据传输系统、污染源监控中心、污染源在线远程监管系统等组成，并应用于污染源在线自动监测中。

4. DTU在监测中的应用

（1）数据采集与处理

接受现场监测设备传感器的监测数据、仪器参数、工作状态等，按照要求对收集的数据进行运算、处理、存储，并按频率将结果定时或者即时上传发送至中心站服务器。

（2）自动报警

数据采集器采用轮询的方法，以比较高的频率查询监测设备的状态寄存器的状态信息，如发生错误或者异常信息,主动向中心服务器报警并告知错误和异常的信息。

（3）现场控制

接受中心站的指令，对现场设备各状态进行自动设置、调整和校准等。

5. 业务架构

（1）使用用户

环保部门、环保审核人员、第三方运维单位、企业环保人员及公众等。

（2）组织架构

整个系统由环境质量自动监测系统、污染源自动监控系统、环境质量监测管理系统、环境视频监控管理系统、GIS综合应用平台、综合应用管理平台以及信息发布于交互管理平台组成。

 

● 环境监测相关设备采集区域内污染数据经DTU传输至统一管理平台，职能部门对实时排污、环境质量实时情况以及设备运行状况进行监控，同时负责对污染源进行现场督察。

● 工作人员依据DTU传输过来的各项污染源监测数据，进行人工复核，审核过后的数据由平台进行统计、分析、评价、生成报表等。

●  对监测数据监察分析仪，环保部门定期将数据上传至监察平台。

●  相关企业的工作人员可以通过系统一站式查询企业的污染源在线监测数据，以及设备运行状态等。

●  设备生产商或第三方运维单位可以通过系统提供的设备故障状态，对前段监测设备进行及时响应和维护等，从而保证监测数据的正常上传和前段监测数据的准确性。

●  监测数据和可以同步至第三方多媒体平台，以便公众及时了解对环境质量现状与变化趋势，对污染源进行监督。

6. 项目特点

（1）采用先进的PLC或工控机作为现场数据采集器，各监测子站以数据采集器为核心，通过现场数据自动收集上传、自动报警、中心站远程控制,实现对污染源等环境要素监测数据采集和远程监控的功能。

（2）系统采用成熟的无线数传作为数据上传和控制命令下达的通信方式，突破了传统的有线通信方式,能支持大数据量高效、安全的实时传输，且费用成本低廉。

（3）系统以云端大数据库为基础，以监测数据工作流程为主线，基本覆盖了污染源监测的各项业务流程以及监测数据的采集、处理，功能完善、性能良好、适用性强。

（4）系统将地理信息系统GIS融入其中，利用GIS强大的地理信息分析功能,结合环境数学模型，实现基于地理信息基础上的数据查询、统计、环境制图、显示等功能和对环境评价、预测预报以及规划管理的支持。

（5）本系统不仅仅适用于污染源的在线监测，还适用于水质监测、气象监测、生态监测等所有无人值守的远程实时监控系统。

审核编辑 黄昊宇