基于GPRS的遠(yuǎn)程水雨情監(jiān)測站的設(shè)計(jì)

王艷慶，周輝林，徐幫輝

(南昌大學(xué)，信息工程學(xué)院，江西 南昌 331000)

洪水預(yù)警報(bào)系統(tǒng)綜合運(yùn)用水文、通信、計(jì)算機(jī)和自動控制等技術(shù)，實(shí)時、快速、準(zhǔn)確地采集流域內(nèi)各代表點(diǎn)的雨水情信息，傳遞到有關(guān)防汛指揮部門，給水庫防洪調(diào)度、防汛減災(zāi)、抗洪搶險(xiǎn)等提供科學(xué)決策依據(jù)。其中遠(yuǎn)程水雨情監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)時完成降雨量、水位、流量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲等任務(wù)，并實(shí)時發(fā)送到監(jiān)測中心的服務(wù)器進(jìn)行處理。

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通常采用超短波通信、數(shù)字微波通信或租用衛(wèi)星信號等方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測終端與監(jiān)測中心的通信。這些方法存在一些局限性，如采用超短波通信、數(shù)字微波通信需要架設(shè)中繼站，前期投資和后期維護(hù)費(fèi)用高，且存在著頻率資源不足等缺陷；采用衛(wèi)星通信雖能有較廣的覆蓋面，但存在著對衛(wèi)星依賴、投資較大及容易受到其他各方面因素的影響等問題[1]。

近年來我國移動通信系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入3G時代，但3G網(wǎng)絡(luò)存在諸多使用問題，因此介于傳統(tǒng)通信技術(shù)與3G技術(shù)之間成熟的GPRS技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用[2]。

[3]詳細(xì)分析了GPRS監(jiān)控系統(tǒng)與GPS監(jiān)控系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)具有高傳輸率、較短接入時間、較低通信成本及組網(wǎng)簡單等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)量的低成本傳輸。徐光[4]在環(huán)境在線監(jiān)測監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)采用GPRS技術(shù)，充分發(fā)揮了通用無線分組服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，該系統(tǒng)具有傳輸速率高、延時小、實(shí)時性強(qiáng)、建設(shè)方便、費(fèi)用低廉等顯著特點(diǎn)。

本文基于GPRS技術(shù)，以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了水雨情監(jiān)控系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理，給出了系統(tǒng)的各部分電路設(shè)計(jì)。測試及實(shí)際工作運(yùn)行都表明，系統(tǒng)具有良好的性能，能夠滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測水雨情的實(shí)際需要。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

新水雨情遠(yuǎn)程監(jiān)測站以NXP微控制器P89LPC954為核心，控制采集數(shù)據(jù)，完成與其他設(shè)備的通信及功能實(shí)現(xiàn)。響應(yīng)降雨量采集電路的中斷來實(shí)現(xiàn)降雨量的測量，響應(yīng)時鐘芯片的定時中斷來確定是否進(jìn)行相應(yīng)的測量以及平安報(bào)的功能，通過RS-485端口或標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行口實(shí)現(xiàn)對RS-485接口或標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行口的傳感器的控制與數(shù)據(jù)的讀取，通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232C串行口與超短波電臺或GPRS無線數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與交互。另外，系統(tǒng)設(shè)置有LCD顯示模塊及鍵盤，可以對系統(tǒng)各功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，或?qū)Ω鞴δ苓M(jìn)行測試。

圖1為監(jiān)測功能框圖。虛線為主控制板，其他為外接模塊。所有外部設(shè)備的電源均由電源管理輸出控制，即在待機(jī)狀態(tài)下，傳感器或電臺等發(fā)送模塊處于電源關(guān)閉狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器P89LPC954

P89LPC954是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。采用高性能的微處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。靈活的端口配置及優(yōu)良的內(nèi)部特性，集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)成本，并且增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

P89LPC954所有封裝形式均可工作于-40℃～+85℃溫度范圍，可以適應(yīng)需要的工業(yè)級工作環(huán)境。P89LPC954帶有內(nèi)部看門狗電路，內(nèi)部看門狗定時器具有獨(dú)立的片內(nèi)振蕩器，軟件設(shè)置中斷時間，因此它可用于振蕩器的失效檢測。操作電壓范圍為2.4～3.6 V，具有寬工作電壓范圍。低電平復(fù)位輸入可由任何內(nèi)部復(fù)位驅(qū)動。復(fù)位計(jì)數(shù)器和復(fù)位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復(fù)位。使用片內(nèi)上電復(fù)位時不需要外接元件，并且還提供軟件復(fù)位功能。加上全部I/O端口均采用施密特觸發(fā)端口輸入，這些功能，使得只要在外電路加上簡單的濾波，再從軟件角度就可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的抗干擾能力。芯片內(nèi)部的串行Flash支持在系統(tǒng)編程（ISP）模式，可實(shí)現(xiàn)對已焊接在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的器件的編程。片內(nèi)提供兩個增強(qiáng)型UART；一個I2C通信端口；一個 SPI通信端口；8輸入多路10位數(shù)據(jù)寬度的A/D轉(zhuǎn)換器；8個鍵盤中斷輸入和2路外部中斷輸入；至多可獲得40個I/O口以及高電流輸出能力。由于苛刻的工作電流要求，低功率損耗的芯片內(nèi)部同時提供足夠的資源非常重要。

2.2 GPRS/EDGE通信電路設(shè)計(jì)

MC75模塊是基于西門子移動、ADI和TTPCom技術(shù)，基于 GSM網(wǎng)絡(luò)的第三代 （Version03.010）的 GSM/GPRS/EDGE無線模塊(兼容第二代)。芯片制造商ADI公司提供基帶芯片組和通信軟件生產(chǎn)商TTPCom公司提供的協(xié)議軟件。

EDGE技術(shù)提供三倍于GPRS的傳輸速率，使其成為最快速的基于GSM技術(shù)的數(shù)據(jù)傳送的選擇?？梢詾橄螺d和音視頻流提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳遞，如用于數(shù)字影像或即時消息服務(wù)。MC75模塊可以運(yùn)行于四頻GSM網(wǎng)絡(luò)，因此可以在所有現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)使用。模塊具有極其緊湊的尺寸和極輕重量，加之與印刷電路板的單面裝配，適于需要移動通信的移動計(jì)算解決方案。

2.3 FSK編解碼與超短波電臺電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測站具備超短波通信功能，超短波的射頻部分由日精NISSEI無線數(shù)據(jù)通信電臺ND886A完成。ND886A電臺是適用于各種嚴(yán)酷環(huán)境的工業(yè)級產(chǎn)品，具備良好的屏蔽及散熱能力，發(fā)射射頻電路采用目前最先進(jìn)的低噪聲場效應(yīng)電路設(shè)計(jì)，高靈敏度，高效率，極低的待機(jī)電流和發(fā)射電流，特別適合于野外需要太陽能電池供電的應(yīng)用場合。數(shù)據(jù)通信與語音通話兼容。主要功能及參數(shù)可通過編程靈活設(shè)置。

FSK編解碼采用MC145442。MC145442是一種CMOS單芯片低速調(diào)制解調(diào)器，包含一個完整的頻移鍵控（FSK）調(diào)制器、解調(diào)器和過濾器。符合國際電報(bào)電話咨詢委員會V.21規(guī)范。器件提供了一對收發(fā)信道，可以進(jìn)行全雙工或半雙工300 b/s的數(shù)據(jù)通信。

MC145442芯片的 TxD、RxD端口是全雙工或半雙工、波特率為300 b/s的串行接口，主控制器P89LPC954使用UART就可以進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)格式由信道決定。本設(shè)計(jì)中信道為ND886A電臺，原系統(tǒng)使用8位數(shù)據(jù)位，無校驗(yàn)位，一位停止位。MC145442芯片及電臺的電源控制如圖2所示。

2.4 RS-485傳感器接口電路設(shè)計(jì)

RS-485傳感器接口是本設(shè)計(jì)中用于傳感器通信的端口。利用RS-485實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。由于受到至多連接32個設(shè)備的限制，所以一些應(yīng)用場合不能符合要求。本設(shè)計(jì)采用軟件尋址方式，既兼容現(xiàn)有系統(tǒng)，又可通過在監(jiān)測站和傳感器之間加接一個傳感器通信電路，實(shí)現(xiàn)80路數(shù)據(jù)采集。

RS-485接口電平變換通過帶瞬態(tài)電壓抑制功能的RS-485收發(fā)器SN75LBC184完成。SN65LBC184是差分?jǐn)?shù)據(jù)收發(fā)器，具有內(nèi)置高能量瞬態(tài)噪聲保護(hù)功能。該功能能夠抑制大多數(shù)現(xiàn)有設(shè)備的數(shù)據(jù)線瞬態(tài)噪音。SN65LBC184提供了可靠的低成本的直接耦合 （無隔離變壓器）數(shù)據(jù)線接口，無需任何外部元件。能承受過壓瞬變的400 W的峰值（典型值），依據(jù)IEC 61000-4-5的要求進(jìn)行的模擬過壓瞬變和單向飆升引起的過電壓開關(guān)和二級雷電瞬變模型的組合波形，芯片能提供更高的可靠性。

主控制器P89LPC954的UART1用于RS-485接口的實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐獙S-232與RS-485進(jìn)行轉(zhuǎn)換，需要增加一個端口用于控制RS-485，使其完成收發(fā)狀態(tài)的變換，見圖 3。

2.5 雨量傳感器接口電路設(shè)計(jì)

雨量傳感器接口經(jīng)保護(hù)電路和整形電路 (如圖4所示)接至單片機(jī)，其輸入是一個開關(guān)信號。保護(hù)電路主要采用圖中D2～D5所組成的網(wǎng)絡(luò)。正向脈沖由C7、C8吸收尖峰后，由D2、D3阻斷，負(fù)向脈沖則由 D4、D5鉗位，以達(dá)到保護(hù)目的。U7是一個光電耦合器，承擔(dān)隔離功能與鎖定功能。

2.6 數(shù)據(jù)存儲器

大容量的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲是監(jiān)測站的數(shù)據(jù)安全措施之一，可以保證在通信信道出現(xiàn)故障等原因時不會造成數(shù)據(jù)丟失。每一個正常監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都會連同測量時間一起保存到數(shù)據(jù)存儲器中。因此，對數(shù)據(jù)存儲器的主要要求是不會丟失數(shù)據(jù)或出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，并且低功耗。

M25Pxx是 512 Kbit～32 Mbit的（4M×8）串行閃存，具有先進(jìn)的寫保護(hù)機(jī)制，包括軟件標(biāo)志位保護(hù)，以及引腳驅(qū)動的硬件保護(hù)。它通過高速的SPI-COM的總線訪問，具有有效的數(shù)據(jù)保護(hù)措施。過多噪聲的存在，SPI器件可能不會正常運(yùn)行。M25Pxx S端口用于多個SPI器件使用時的片選。低電平選擇有效。H為保持控制。低電平時，SPI輸出端Q呈高阻態(tài)，這是并聯(lián)使用時編程應(yīng)該考慮的。

2.7 存儲器設(shè)置與時鐘電路設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測站的一些參數(shù)數(shù)據(jù)需要預(yù)先設(shè)置并且在掉電時不會變化，如所在區(qū)域、所在位置（站點(diǎn)）、采樣間隔時間、平安自報(bào)時間、系統(tǒng)中心站GSM號碼、GPRS數(shù)據(jù)傳送的目標(biāo)網(wǎng)址等。本設(shè)計(jì)中采用24C256芯片用于設(shè)置數(shù)據(jù)的保存和設(shè)置。24C256是兼容I2C串行總線接口EEPROM，具有存儲時間長，掉電不丟失等特點(diǎn)。

遠(yuǎn)程監(jiān)測站的另一個重要功能是日歷時鐘，由使用I2C串行總線接口的PCF8563完成。

PCF8563是低功耗的CMOS實(shí)時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出、一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。最大總線速度為400 KB/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563適應(yīng)1.0～5.5 V的寬工作電壓范圍，并且具有典型值為0.25 μA超低電流消耗和極低功耗的特點(diǎn)，因此可以使用鋰電池供電，這對遠(yuǎn)程監(jiān)測站滿足待機(jī)電流的要求非常重要。使用獨(dú)立的低功耗日歷時鐘，將允許微控制器進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，而其他部件則可以進(jìn)入斷電狀態(tài)。

2.8 LCD界面與按鍵設(shè)計(jì)

原系統(tǒng)使用個人計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)置設(shè)備通過串口進(jìn)行設(shè)置、人工置數(shù)以及最后一次數(shù)據(jù)讀取，不提供現(xiàn)場觀測。新增的LCD顯示器與按鍵提供類似功能。

LCD顯示器采用基于 ST7920的 RT12864M，ST7920點(diǎn)矩陣LCD控制/驅(qū)動器，可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及自定義的圖形?？梢蕴峁┤N控制接口，分別是8位微處理器接口、4位微處理器接口及串行接口；內(nèi)含顯示RAM、字型產(chǎn)生器，以及液晶驅(qū)動電路和控制器。本設(shè)計(jì)采用串行接口與主控制器進(jìn)行通信。只需要一根時鐘線，一根串行數(shù)據(jù)線。LCD顯示器使用三個端口，LCD_LIGHT輸出用于其電源控制。

鍵盤使用五鍵查詢。使用P89LPC954的端口P03～P07。P89LPC954的P0口可以設(shè)置為鍵盤口，有專門的中斷及鍵盤掩碼。鍵盤中斷可將P89LPC954從節(jié)電模式中喚醒，再配合定時器，實(shí)現(xiàn)LCD顯示器按需顯示，沒有人工操作時進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

3 程序結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)軟件程序組成如圖5。中斷服務(wù)程序均設(shè)置相應(yīng)任務(wù)標(biāo)志，同時關(guān)閉對應(yīng)中斷。待相應(yīng)處理程序處理完成，保存數(shù)據(jù)后才重新打開中斷。其他各模塊基本上與硬件對應(yīng)，控制各硬件部分完成系統(tǒng)需要的功能。

程序設(shè)計(jì)思路以穩(wěn)定為目標(biāo)。系統(tǒng)以任務(wù)標(biāo)志查詢方式工作，最多二級中斷結(jié)構(gòu)。中斷服務(wù)程序僅完成標(biāo)志設(shè)置或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存，盡可能減少堆棧嵌套，避免出錯。主程序初始化后輪詢，出現(xiàn)標(biāo)志時調(diào)用各功能模塊程序執(zhí)行。所有任務(wù)完成后進(jìn)入節(jié)電模式，由任務(wù)中斷喚醒。

4 監(jiān)測站運(yùn)行測試

遠(yuǎn)程監(jiān)測站系統(tǒng)在冷柜模擬的零下16℃低溫環(huán)境和45℃封閉房間均進(jìn)行超過一周的運(yùn)行測試。采用與服務(wù)中心相同配置的中心超短波電臺接收電臺數(shù)據(jù)。使用手機(jī)進(jìn)行短信接收。使用自設(shè)的服務(wù)器，利用端口數(shù)據(jù)掃描軟件進(jìn)行端口數(shù)據(jù)掃描。

低溫試驗(yàn)約一個月的時間，用于測試的系統(tǒng)一直正常運(yùn)行。

功能測試用于人工觀察遠(yuǎn)程監(jiān)測站的各部分功能是否正常。分別測試降雨量輸入、水位測量、電臺發(fā)送、短信發(fā)送、GPRS發(fā)送。

除了以下差別外，實(shí)際工作與進(jìn)行功能測試時使用了相同的功能程序，工作流程完全相同?，F(xiàn)場運(yùn)行時顯示器將關(guān)閉，以節(jié)省電能；測試降雨量輸入、水位測量只測試和顯示，不保存，不發(fā)送。

超短波電臺發(fā)送時與設(shè)置有關(guān)。如果參數(shù)設(shè)置時“自報(bào)確認(rèn)”為“關(guān)”狀態(tài)，只發(fā)送一次，否則會等待接收應(yīng)答數(shù)據(jù)。因此在沒有應(yīng)答時，會重發(fā)一次并且會出錯。

在設(shè)置包含SMS短信數(shù)據(jù)發(fā)送選項(xiàng)時，每測量一次產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，并發(fā)送一次。如果設(shè)置SMS短信數(shù)據(jù)發(fā)送作為第二通道，則僅在主通道沒有應(yīng)答時或出錯時才會發(fā)送。

實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時，水情監(jiān)測系統(tǒng)中心服務(wù)器最多可設(shè)置兩個GSM短信接收終端，其一個為主機(jī)，另一個作為備份。數(shù)據(jù)通過服務(wù)器端的接收程序處理。

在設(shè)置包含GPRS短信數(shù)據(jù)發(fā)送選項(xiàng)時，每測量一次產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，并發(fā)送一次。如果將GPRS短信數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)置為第二通道，則僅在主通道沒有應(yīng)答或出錯時才會發(fā)送。

實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時，水情監(jiān)測系統(tǒng)中心服務(wù)器需要向Internet開放一個協(xié)商好的端口。數(shù)據(jù)通過服務(wù)器端的接收程序處理。服務(wù)器端的IP地址在設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測站時要先行設(shè)定。

新的遠(yuǎn)程監(jiān)測站設(shè)置中心在接收電話號碼及IP地址、日期時間后即進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。新的遠(yuǎn)程監(jiān)測站實(shí)驗(yàn)運(yùn)行表明，系統(tǒng)能按要求正常采集降雨量和定時的水位測量，并在每一次采集后，按照設(shè)定的傳輸模式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心接收端。

本文圍繞 MC75 EDGE（GPRS）模塊構(gòu)建了新型水雨情遠(yuǎn)程監(jiān)測硬件平臺。采用一款高性能的微控制器實(shí)現(xiàn)了低功耗高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于EDGE（GPRS）的通信的SMS短信發(fā)送方式和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送方式。同時兼容原超短波系統(tǒng)，并增加了新的數(shù)據(jù)傳送方式——基于EDGE（GPRS）連接的SMS短信與Internet數(shù)據(jù)傳送?；?EDGE（GPRS）的通信可以工作在獨(dú)立、并行數(shù)據(jù)通道或作為輔助通道在主通道失敗時使用。實(shí)現(xiàn)良好的中文人機(jī)界面、多種功能現(xiàn)場設(shè)定、便捷操作的新型監(jiān)測站，除水雨情遠(yuǎn)程監(jiān)測控制終端本身以外，完全兼容原來的水雨情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，可用于直接代換。使用EDGE（GPRS）模塊適應(yīng)當(dāng)前正在應(yīng)用 2G網(wǎng)絡(luò)，通信能力接近于并可以無縫過度到正在興起的3G無線通信方式。多重通信方式及靈活的組合，現(xiàn)場功能設(shè)定等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開放性和可擴(kuò)展性，適于分期擴(kuò)容及升級改造的規(guī)劃。

參考文獻(xiàn)

[1]趙云翔，張青，焦尚彬，等.基于 GPRS，SMS和衛(wèi)星通訊的水情遙測系統(tǒng)通訊方案設(shè)計(jì) [J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué) 報(bào)(自 然 科 學(xué) 版)，2005(6)：136-140.

[2]呂捷.GPRS技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001.

[3]Ning tao.Vehicular GPS monitor system based on GPRS network[P]. IEEE 2007 International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，2007.

[4]徐光.環(huán)境在線監(jiān)測監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2006，22（4）：10-13.