自動化遠(yuǎn)程水位采集和傳輸終端系統(tǒng)設(shè)計

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）

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1009-6159（2013）-12-0043-02

劉俊鋒（1978—），男，工程師