江鍵鑫 吳瓊

【摘 要】水文監(jiān)測站遍布各地，而且很多還是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，為獲得當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)情況，工作人員不得不親臨現(xiàn)場。這給水文工作人員帶來巨大的麻煩和不便。本文介紹了基于89C51單片機(jī)為主控MCU并帶有GPRS無線通信功能的智能蒸發(fā)測量儀。它能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的測得當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐乃嬲舭l(fā)情況，水文工作人員在監(jiān)控中心的電腦上就能獲得水面蒸發(fā)數(shù)據(jù)了，大大減少了水文工作人員的工作量，給水文工作人員帶來的極大地便利。

【關(guān)鍵詞】智能蒸發(fā)測量儀；GPRS模塊

前言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對遠(yuǎn)程通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)揮著重大作用，極大的提高了遠(yuǎn)程信息的實(shí)時(shí)性和傳播的快速性。

蒸發(fā)是水圈、大氣圈和生物圈水分和能量交換的主要過程，是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是江河、湖泊、水庫等水體水量損失的主要部分。因此，蒸發(fā)量是水資源評價(jià)、農(nóng)田節(jié)水排灌、氣象預(yù)測的重要參考指標(biāo)，獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的蒸發(fā)數(shù)據(jù)成為水文監(jiān)測中心工作的重要內(nèi)容。然而，很多水文監(jiān)測站都是在野外，或是偏遠(yuǎn)地區(qū)，水文工作人員不可能長時(shí)間在監(jiān)測站隨時(shí)監(jiān)測。為幫助了水文工作人員解決這一難題，能夠隨時(shí)和準(zhǔn)確的獲得當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)情況，本文主要介紹基于89C51單片機(jī)為主控MCU并帶有GPRS無線通信功能的智能蒸發(fā)測量儀。

一、蒸發(fā)遙測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由蒸發(fā)測量儀、GPRS網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中心等組成。蒸發(fā)測量儀測得數(shù)據(jù)，通過MCU對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議封裝后傳送給無線GPRS模塊，該模塊將數(shù)據(jù)傳送上GPRS公眾網(wǎng)，通過Internet 傳輸方式將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。下面是蒸發(fā)遙測系統(tǒng)框圖1。

蒸發(fā)測量儀是采用89C51芯片作為主控MCU，內(nèi)置大容量FLASH存儲器，LCD顯示，外設(shè)有接口連接無線GPRS模塊，具有耗能少，在線歷史數(shù)據(jù)查詢，GPRS無線通信的功能。單片主控芯片MCU控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過滑塊帶動傳感器上下移動尋找水面，傳感器觸水步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，記錄、保存數(shù)據(jù)到存儲器且在LCD上顯示，并通過GPRS無線通信遙傳至計(jì)算機(jī) 。

蒸發(fā)測量儀采用89C51芯片，P0口采用總線方式控制鍵盤、顯示及時(shí)鐘電路的數(shù)據(jù)傳輸、P1口主要用來做電機(jī)的輸出控制線和上、下限開關(guān)輸入線，片外數(shù)據(jù)存儲器主要用來存放歷史測量數(shù)據(jù)。通信采用工業(yè)用RS485接口外接GPRS模塊的方式，即可以通過長線傳輸通信，又可以通過無線數(shù)據(jù)通信。蒸發(fā)測量儀結(jié)構(gòu)圖如圖2。

2、GPRS模塊

嵌入式GPRS無線通信模塊主要由嵌入TCP/IP的單片機(jī)（MSC1210Y5）、GPRS模塊、SIM卡座、外部接口和擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器等部分組成。MSC1210主要用于控制GPRS模塊的信息接收和發(fā)送，并通過標(biāo)準(zhǔn)RS232串口和外部控制器（比如數(shù)據(jù)采集端）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，同時(shí)用軟件實(shí)現(xiàn)中斷，以完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

本文的GPRS模塊采用德國Siemens公司生產(chǎn)的MC35模塊。MC35模塊主要由射頻天線，內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令，射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)，以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換，匹配電源為處理器基射頻部分提供所需的電源。MC35的外圍電路如下圖3所示：

3、單片機(jī)與GPRS模塊的通信

單片機(jī)采用美國德州儀器公司最新推出的基于8051內(nèi)核的MCS1210Y5，該芯片具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，時(shí)鐘頻率為33MHz，指令運(yùn)行速度實(shí)際上與運(yùn)行在99MHz時(shí)鐘頻率下的標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核相當(dāng)，32KB Flash程序存儲器，256B內(nèi)部RAM和1024B片上SRAM，2KB啟動ROM，支持串行和并行的在系統(tǒng)編程，雙數(shù)據(jù)指針DPTR0和DPTR1可加快數(shù)據(jù)塊的移動速度，其主要實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，以獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動態(tài)分配的GPRS終端IP地址，并與目的終端建立連接。

（2）通過串口0擴(kuò)展MAX232標(biāo)準(zhǔn)串口和外部控制器（例如數(shù)據(jù)采集端）連接，外部控制器端接出標(biāo)準(zhǔn)串口，按照約好的協(xié)議可很容易利用本設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行通信。

（3）復(fù)用P1.2和P1.3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，P1口的其他6個(gè)端口分別接到GPRS模塊對應(yīng)的剩余RS232通信口。通過軟件置位完成對MC35的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)。

4、數(shù)據(jù)處理與傳送

數(shù)據(jù)包在主機(jī)和GPRS服務(wù)器群中傳輸使用的是基于IP的分組，即所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都要基于IP包，但明文傳送IP包不可取。故一般使用PPP協(xié)議進(jìn)行傳輸，模塊向網(wǎng)關(guān)發(fā)送PPP報(bào)文都會傳送到Internet網(wǎng)中相應(yīng)的地址。而從Internet傳送過來的應(yīng)答幀也同樣會根據(jù)IP地址傳送到GPRS模塊，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和Internet網(wǎng)絡(luò)通過GPRS模塊的透明傳輸。

GPRS模塊登陸上GSM網(wǎng)絡(luò)后，自動連接到數(shù)據(jù)中心，向數(shù)據(jù)中心報(bào)告其IP地址，并保持和維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路的連接，GPRS監(jiān)測鏈路的連接情況，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，數(shù)據(jù)中心和GPRS模塊之間就可以通過IP地址通過UDP/IP協(xié)議進(jìn)行雙向通信，實(shí)現(xiàn)透明的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

二、結(jié)束語

本文通過改進(jìn)和研發(fā)的基于GPRS通信方式的低功耗遠(yuǎn)程水面蒸發(fā)測量系統(tǒng)，將其應(yīng)用于水文自動測報(bào)系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)和節(jié)水排灌系統(tǒng)中，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)中心站對水位的蒸發(fā)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和傳輸。同時(shí)為其它水文測量儀器的改進(jìn)和自動遙測系統(tǒng)的構(gòu)建提供技術(shù)支持，極大提高水情遙測的運(yùn)行效率，為流域防洪安全、水資源保障、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水資源管理運(yùn)行調(diào)度等提供理論和技術(shù)支持，有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]《單片機(jī)基礎(chǔ)》 北京航空航天大學(xué)出版社 李廣弟主編.

[2]《電子設(shè)計(jì)》 高等教育出版社 蔡明生主編.

[3]《MCS-51單片機(jī)實(shí)用子程序集》 席先覺主編.

項(xiàng)目來源：

2013年江西省教育廳大學(xué)生科研訓(xùn)練資助項(xiàng)目。