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      自動化遠(yuǎn)程水位采集和傳輸終端系統(tǒng)設(shè)計

      2013-04-09 06:55:57劉俊鋒
      山東水利 2013年12期
      關(guān)鍵詞:服務(wù)器端超聲波遠(yuǎn)程

      劉俊鋒,王 靜

      (1.山東省淮河流域水利管理局,山東 濟(jì)南 250100;2.山東省膠東調(diào)水工程平度管理處,山東 平度 262800)

      自動化遠(yuǎn)程水位采集和傳輸終端系統(tǒng)設(shè)計

      劉俊鋒1,王 靜2

      (1.山東省淮河流域水利管理局,山東 濟(jì)南 250100;2.山東省膠東調(diào)水工程平度管理處,山東 平度 262800)

      提出一種由超聲波傳感器和單片機(jī)組成的遠(yuǎn)程水位采集和傳輸終端,介紹了整套系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計,該系統(tǒng)由單片機(jī)將超聲波采集到的時間轉(zhuǎn)化為距離,通過串口發(fā)送給SIM300模塊,SIM300模塊自動將要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包,經(jīng)GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器。

      GPRS;遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集;無線傳輸;TCP/IP協(xié)議

      水位信息,作為水利工程專項(xiàng)防洪、調(diào)度預(yù)案汛情等級劃分以及工程調(diào)度運(yùn)用的主要依據(jù),對于防汛工作而言,是最為重要的基礎(chǔ)汛情信息之一。當(dāng)前,山東省的大、中型水庫以及主要河湖控制站都已設(shè)有國家級或省級無線水位測報站,但是數(shù)量龐大的大多數(shù)小型水庫、塘壩以及河湖的非控制站閘壩依然通過人工觀測逐級上報的方式進(jìn)行水位測報,尤其山區(qū)的小型塘壩,地處偏僻分散,通訊條件落后,交通困難,非工程措施落實(shí)不到位,遇汛期突發(fā)降雨,水位信息通過人工觀測再逐級進(jìn)行上報,一是水位報訊人員難以落實(shí),二是水位信息傳輸緩慢,三是水位信息相對較為分散凌亂,難以有效實(shí)現(xiàn)信息共享,為防汛工作帶來諸多不便。

      本文根據(jù)目前超聲波技術(shù)、無線通訊技術(shù)和防汛工作需求,結(jié)合防洪工程現(xiàn)狀,利用信號覆蓋范圍能滿足數(shù)據(jù)傳輸需求的GPRS無線通信技術(shù),設(shè)計了遠(yuǎn)程水位采集傳輸系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的水位在無人值守的情況下周期性自動測報,監(jiān)控中心可以實(shí)時查閱、監(jiān)視所有采集傳輸終端的歷史及最新水位,實(shí)現(xiàn)洪水位預(yù)警功能。

      1 系統(tǒng)構(gòu)成

      本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程水位采集傳輸終端、下位機(jī)C程序和服務(wù)器端上位機(jī)軟件組成。采集傳輸終端包括主控制器AT89S52單片機(jī)、US-100超聲波測距模塊、1602LCD屏顯模塊、SIM300無線傳輸模塊及基礎(chǔ)電源供電模塊;下位機(jī)C程序用于實(shí)現(xiàn)采集傳輸終端各部分硬件資源的特定功能;服務(wù)器端上位機(jī)軟件用于將采集傳輸終端發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行外包,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、查閱、圖表顯示等功能。

      1.1 水位采集原理

      實(shí)際應(yīng)用中,將US-100安裝于標(biāo)準(zhǔn)洪水位以上合適的固定位置,使探頭的方向垂直于下方的超聲波反射板,反射板隨著水位的升降而自動升降,探頭與反射板之間的距離也隨之動態(tài)變化。

      1.2 數(shù)據(jù)傳輸

      GPRS作為一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的無線系統(tǒng),具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬寬、適應(yīng)性強(qiáng)、計價按數(shù)據(jù)流量計算、實(shí)時在線等一系列優(yōu)點(diǎn),特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸,完全滿足采集終端與服務(wù)器端的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸,為野外防汛工程水位采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸通信方式。

      2 硬件設(shè)計

      本系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心為下位機(jī)硬件設(shè)計,其中主要包括控制、采集、顯示、傳輸及電源幾個模塊。

      2.1 控制模塊

      控制模塊電路是整個系統(tǒng)的核心,因此控制芯片的選擇尤為重要,選型時,既要考慮到芯片的功耗,又要滿足所需的功能,設(shè)計中采用Atmel公司研制的AT89S52微控制器,他采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn),具有片內(nèi)8KB的程序存儲器(FLASH)、256字節(jié)RAM,32個I/O端口,3個16位定時計數(shù)器,1個異步通信串行口。設(shè)計中選用12MHz晶振為單片機(jī)提供時鐘周期,串行通訊波特率選擇誤差最小的2400bps,I/O端口滿足設(shè)計需求,剩余的空閑端口以備日后擴(kuò)展功能,留作其他外設(shè)使用。

      2.2 采集模塊

      采集模塊根據(jù)超聲波原理選用技術(shù)性能較為成熟的US-100模塊,該模塊可實(shí)現(xiàn)0~4.5m的非接觸測距功能,擁有2.4~5.5V寬電壓輸入范圍,靜態(tài)功耗低于2mA,自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行修正的功能,測量誤差低于1cm,且接口簡單,直接由單片機(jī)I/O口電平控制即可測出模塊探頭聲波從發(fā)射至返回的來回時間,再根據(jù)時間和聲波在空氣中傳播的速度以及模塊安裝的基點(diǎn)高程即可換算出水位數(shù)據(jù)。

      2.3 顯示模塊

      顯示模塊用于現(xiàn)場水位信息顯示,考慮到功耗和顯示內(nèi)容,選用LCD1602模塊,最多可顯示16列2行共32個英文數(shù)字字符,工作電壓為5V,關(guān)閉背光的情況下靜態(tài)電流10mA左右,本設(shè)計主要用于顯示當(dāng)前采集到的水位信息以及GPRS和超聲波模塊的工作狀態(tài),滿足實(shí)際需求。

      2.4 傳輸模塊

      傳輸模塊選用目前市面上應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟的SIM300或SIM900模塊(SIM900為SIM300的升級版,功能差異很?。?。考慮到性價比的關(guān)系,本設(shè)計中選用SIM300模塊,該模塊是一款三頻段GSM/ GPRS模塊,可工作于全球范圍內(nèi)的EGSM、DCS、PCS頻段,結(jié)構(gòu)小巧,接口方便,低功耗設(shè)計,睡眠模式下電流消耗僅2.5mA,內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧,并且擴(kuò)展了TCP/IPAT指令,傳輸數(shù)據(jù)非常簡便。

      2.5 電源模塊

      本設(shè)計各模塊中,控制、采集、顯示模塊均需使用5V電源供電,SIM300模塊需用4.2V電源,且峰值電流接近2A,所以設(shè)計中由9V、2A的電源輸入端分別通過LM2576S-ADJ和MIC29302BU調(diào)節(jié)后輸出兩路電壓,一路輸出5V、1A供控制、采集、顯示模塊用,另一路輸出4.2V、2A供SIM300使用。

      3 軟件設(shè)計

      3.1 下位機(jī)程序

      程序一開始,先對串口、定時器寄存器以及1602液晶進(jìn)行初始化,接著啟動US-100開始探測時間,用定時器T0記錄采集的時間,然后將測量的時間結(jié)合基點(diǎn)高程轉(zhuǎn)換為水位,輸出到本地1602顯示,接著通過單片機(jī)I/O口啟動SIM300,啟動成功后發(fā)送AT指令控制SIM300連接服務(wù)器,通過串口應(yīng)答的信息判斷連接成功與否,若連接失敗,繼續(xù)返回重新連接,連接成功后將集采到的水位通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,完成傳輸后,判斷當(dāng)前水位是否促發(fā)預(yù)警,若條件滿足,則通過短信自動將水位預(yù)警信息發(fā)至預(yù)設(shè)的工程調(diào)度操作員,然后發(fā)送AT指令關(guān)閉連接并關(guān)閉模塊,以節(jié)約功耗,接著判斷定時器T2的累積定時時間是否到達(dá)采集發(fā)送周期,若未到達(dá),繼續(xù)等待,到達(dá)后循環(huán)進(jìn)入下一個采集傳輸周期。

      3.2 服務(wù)器端上位機(jī)軟件設(shè)計

      上位機(jī)軟件采用VisualBasic6.0程序編制,主要由Winsock、MsHflexgrid、Teechart等控件組成,Winsock控件用于偵聽各采集傳輸終端的連接請求,接收連接成功的采集傳輸終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)據(jù)包預(yù)設(shè)的格式,識別出終端編號以及水位數(shù)據(jù),附加上接收時間存入數(shù)據(jù)庫;MsHflexgrid控件用于以表格形式顯示測站歷史數(shù)據(jù)記錄;Teechart控件用于顯示時間水位曲線,既可以顯示歷史數(shù)據(jù)曲線,也可以實(shí)時顯示動態(tài)監(jiān)控曲線。

      4 結(jié) 語

      基于超聲波傳感器結(jié)合SIM300模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集傳輸終端,具有成本低、體積小、布設(shè)方便、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn),克服了現(xiàn)場環(huán)境改造困難、布線成本高等問題,能夠適應(yīng)野外水利工程監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際環(huán)境,全自動測報水位,無需人員親臨現(xiàn)場觀測,為現(xiàn)場水位數(shù)據(jù)的采集和傳輸提出了一種解決方案。傳輸終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器間可以通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠地數(shù)據(jù)傳輸,服務(wù)器端根據(jù)收到的數(shù)據(jù),生成水位~時間變化曲線,一目了然,滿足防汛工作中對水位實(shí)時性的要求。在今后的研究中,可進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能,為該系統(tǒng)增加鍵盤輸入模塊,以實(shí)現(xiàn)設(shè)定探測點(diǎn)基點(diǎn)高程、服務(wù)器端IP地址和端口號等功能;進(jìn)一步優(yōu)化下位機(jī)程序代碼,最大限度地降低系統(tǒng)功耗,為野外電池供電的情況下提供更多的續(xù)航能力;不斷完善服務(wù)器端上位機(jī)軟件,提供更為友好的數(shù)據(jù)圖表顯示、查詢、預(yù)警等功能。

      (責(zé)任編輯張玉燕)

      TV221

      B

      1009-6159(2013)-12-0043-02

      劉俊鋒(1978—),男,工程師

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