陳蒙蒙，蔣 鵬

(杭州電子科技大學(xué)信息與控制研究所，浙江杭州310018)

0 引言

當(dāng)前水安全和水資源問題已經(jīng)成為社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要因素。目前，我國(guó)水情自動(dòng)遙測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)中，數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)技術(shù)水平不斷提高，數(shù)據(jù)的傳輸卻存在較大的問題，如傳統(tǒng)的撥號(hào)和專線的固定網(wǎng)絡(luò)接入方式嚴(yán)重地限制了個(gè)人甚至企業(yè)的活動(dòng)自由和范圍，不能滿足自動(dòng)測(cè)報(bào)的要求;同樣無線通信方式中，超短波存在中繼站問題，不適合遠(yuǎn)距離傳輸;手機(jī)短信存在信息阻塞的問題;衛(wèi)星存在投資和雨衰的問題;甚至許多地方對(duì)水位和雨量的測(cè)量仍然采用人工的方式，在安全性、準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性等方面存在著明顯的不足［1］。研究和開發(fā)一種水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立兼顧防災(zāi)和水資源優(yōu)化管理的保障系統(tǒng)，是現(xiàn)代水利和水利工程管理的需要。安全問題特別是因洪水等自然災(zāi)害所引發(fā)的突發(fā)事故，其危害巨大，因此研究水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過對(duì)水情及堤壩安全的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、預(yù)報(bào)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故尤其是突發(fā)事故先兆，迅速做出反應(yīng)，實(shí)時(shí)給予決策支持并實(shí)施自動(dòng)控制，為工程和相關(guān)地區(qū)提供安全保障;為管理部門提供多層次信息管理和決策支持手段，在兼顧防災(zāi)水資源優(yōu)化調(diào)度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，充分發(fā)揮水利工程的效益。

1 系統(tǒng)組成與硬件設(shè)計(jì)

雨量水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下3部分組成:遙測(cè)基站，GPRS網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心［2］。遙測(cè)基站負(fù)責(zé)檢測(cè)雨量、水位等信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)通信［3］。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心接收、存儲(chǔ)并處理雨量水位等信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析及查詢等功能。雨量水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雨量水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要為遙測(cè)基站電路設(shè)計(jì)［4］。遙測(cè)基站主要包括電源管理模塊、檢測(cè)模塊、控制器模塊、存儲(chǔ)模塊以及通信模塊。遙測(cè)基站結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 遙測(cè)基站結(jié)構(gòu)示意圖

(1)電源管理模塊

電源管理模塊包括12V電源、以LM2596電壓調(diào)節(jié)器為核心的5V電壓轉(zhuǎn)換電路，以LM1117-3.3電壓調(diào)節(jié)器為核心的3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路。12V電壓供給雨量傳感器和水位傳感器，通過5V電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成5V供給GPRS模塊、檢測(cè)模塊和3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路。3.3V電壓供給通信模塊、存儲(chǔ)模塊、控制器模塊。

(2)檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要由雨量傳感器，水位傳感器，I/V轉(zhuǎn)換電路和濾波電路組成。水位傳感器輸出的電流信號(hào)通過I/V轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換為控制器可接收的電壓信號(hào)。雨量傳感器通過濾波電路，將脈沖信號(hào)發(fā)送給控制器。控制器模塊對(duì)電壓信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和處理，完成雨量、水位的信息采集。

(3)控制器模塊

控制器模塊采用LPC2300系列處理器作為核心，控制現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集和存儲(chǔ)雨量、水位等水情信息，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)中心通信。該處理器處理能力強(qiáng)，片內(nèi)外設(shè)豐富，有利于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，而且該控制器具有非常低的功耗?？刂破鞯挠?jì)數(shù)器CAP接口通過濾波電路連接雨量傳感器，控制器的AD接口通過I/V轉(zhuǎn)換電路連接水位傳感器，用以接收和處理雨量、水位數(shù)據(jù)。控制器的UART0接口通過RS232串口通信電平接口轉(zhuǎn)換電路連接GPRS模塊，用以傳輸雨量、水位數(shù)據(jù)。控制器的SPI接口連接存儲(chǔ)模塊，用以存儲(chǔ)雨量、水位數(shù)據(jù)。在此模塊中留有1個(gè)JTAG接口，供調(diào)試所用。

(4)存儲(chǔ)模塊以及通信模塊

存儲(chǔ)模塊采用128Mbit低功耗芯片MX25L12845E，通過SPI接口與控制器連接。通信模塊包括以MAX3232為核心的RS-232串口通信電平接口轉(zhuǎn)換電路和GPRS模塊。通信模塊與控制器模塊的UART0接口連接。GPRS模塊采用型號(hào)為Siemens MC35的傳輸模塊。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由遙測(cè)基站軟件和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心軟件組成［5］。

遙測(cè)基站軟件負(fù)責(zé)完成雨量水位等信息的采集發(fā)送。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行各部件初始化，并且啟動(dòng)定時(shí)器。由于遙測(cè)基站是根據(jù)需求，每隔一段時(shí)間檢測(cè)一次數(shù)據(jù)，所以要進(jìn)行采樣頻率的設(shè)定。當(dāng)設(shè)定好后，遙測(cè)基站開始采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行保存以及發(fā)送。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，如果已經(jīng)到達(dá)設(shè)定好的采樣時(shí)間，則繼續(xù)采集保存并發(fā)送數(shù)據(jù)，否則的話一直處于等待狀態(tài)。遙測(cè)基站軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 遙測(cè)基站軟件主流程圖

數(shù)據(jù)采集中，水位采集部分代碼如下所示:

而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件包括一個(gè)人機(jī)交互界面，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析及查詢等功能。所有的雨量水位信息都存放于服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。能夠顯示實(shí)時(shí)的雨量水位曲線圖，并且生成雨量水位監(jiān)測(cè)報(bào)表。

3 結(jié)束語

基于GPRS通信技術(shù)的雨量水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決了一部分水情遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)中碰到的問題，為當(dāng)前水安全和水資源問題的解決提供了依據(jù)。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)通信能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。通過傳輸速率快、通信質(zhì)量高、網(wǎng)絡(luò)容量大的GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性;(2)功耗低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。電源采用太陽能電板，各模塊采用低功耗器件;各部件均采用符合工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的器件，適應(yīng)在野外惡劣的環(huán)境條件工作;(3)數(shù)據(jù)處理速度快，功能強(qiáng)。系統(tǒng)使用高性能處理器，有利于系統(tǒng)更新與功能擴(kuò)展。雨量水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能耗小，成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］浦亞.水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通信方式介紹［J］.科技風(fēng)，2009，(13):234.

［2］魏德華，何延霖，劉占京，等.基于GPRS的小流域水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006，(7):18－19.

［3］韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:36－51.

［4］徐英慧，馬忠梅，王磊，等.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:133－189.

［5］馬洪連.李龍.蘆良鑫.水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，(4):274－276.