淺談小型水利設(shè)施無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：在我國(guó)，很多農(nóng)村地方水利設(shè)施還是沿用著傳統(tǒng)的人工管養(yǎng)方式，人力資源消耗較大。采用無(wú)線通訊技術(shù)，可以部分替代人力控制方式，節(jié)約人力成本。有些經(jīng)濟(jì)條件較好的地區(qū)，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，但隨著城市路網(wǎng)的不斷改換，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)通訊線路被破壞和挖斷的情況，如果附加使用無(wú)線通信技術(shù)，可以進(jìn)一步提高設(shè)備的安全性和可靠性，本文將簡(jiǎn)要的討論無(wú)線系統(tǒng)的組成。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；TC35i；DS12887；PCF 8591

一、前言

隨著國(guó)家城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，農(nóng)田及河流的不斷減少，城市內(nèi)澇狀況越發(fā)突出，全球暖化現(xiàn)象引起的氣候改變，造成異常突發(fā)暴雨正嚴(yán)重地威脅著我們的生產(chǎn)生活。只有不斷的提高水利現(xiàn)代化程度，引入更多先進(jìn)的控制和管理手段，才能更好的減輕和避免自然災(zāi)害造成的損失。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，水利設(shè)施在當(dāng)前形勢(shì)下，更多的是采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。但是，光纖傳輸也存在一些缺點(diǎn)，如抗拉強(qiáng)度低，深埋地下的管線如遇地面沉降，就有可能出現(xiàn)光纖斷裂而造成通訊異常，還有，光纖線路連接和維護(hù)費(fèi)用較高，需要專門的工具。

無(wú)線通信技術(shù)最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要受纜線的限制，具有較好的移動(dòng)性，并且施工難度低，使用成本較低。當(dāng)前，移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，信號(hào)覆蓋區(qū)域?qū)拸V，通訊質(zhì)量穩(wěn)定可靠。其中，GSM網(wǎng)絡(luò)是目前世界上應(yīng)用最廣泛的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，在國(guó)內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)占據(jù)移動(dòng)通訊的主導(dǎo)地位。并且，專用的GSM模塊發(fā)射功率較低，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，無(wú)需投資高額大功率的發(fā)射裝置，幾乎可以在城市的任何角落都能進(jìn)行信息的交換，使得維護(hù)成本大大降低，通訊抗干擾能力強(qiáng)。

農(nóng)村水利設(shè)施分布地點(diǎn)較為寬廣，并且很多站點(diǎn)都比較偏遠(yuǎn)，特別是小型水閘和小型電排站，很多都分布在田間地頭，其中不乏有些交通不便的地方，倘若安排人員24小時(shí)值守，還要考慮人員輪換事宜，人力成本消耗較大。還有些無(wú)人值班的水位采集點(diǎn)，如果使用傳統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)，避雷設(shè)施和無(wú)線發(fā)射裝置將占用較大投資；如果使用光纖通訊技術(shù)，線路布置和投資也很高。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)量交換不是很大時(shí)，采用GSM通訊技術(shù)，則可以大大降低投資和維護(hù)成本。

二、系統(tǒng)組成

本文探索的主要內(nèi)容是通過(guò)現(xiàn)有比較成熟的無(wú)線通訊技術(shù)，結(jié)合單片機(jī)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)要介紹實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)視系統(tǒng)的組成部分。通過(guò)該系統(tǒng)的有效拓展可以將水閘、電排站中的電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和閘門開(kāi)度值等數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，以便人們可以很方便地通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽，了解設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。也可以使用在無(wú)人水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集上，通過(guò)設(shè)好的時(shí)間間隔傳回有效監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。或者當(dāng)出現(xiàn)供電線路斷電、缺相、過(guò)載等情況時(shí)能及時(shí)向管理員反饋信息，確保無(wú)人值守或野外少人值守的水利設(shè)施運(yùn)行安全。更好地提高人力資源的分配，減少使用頻率較低的站點(diǎn)人力投放和運(yùn)行成本。實(shí)現(xiàn)水利資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)視，讓管理員可以騰出更多的時(shí)間巡視更多的站點(diǎn)，有效降低運(yùn)行成本。

通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，也可以作為有線通訊的緊急應(yīng)急支援手段。在一般運(yùn)行中，操作水泵運(yùn)轉(zhuǎn)或水閘啟閉時(shí)使用有線控制方式，當(dāng)有線控制因線路故障造成通訊中斷時(shí)，可以馬上切換成無(wú)線通訊方式，緊急啟動(dòng)后備應(yīng)急方案。

1.芯片介紹

本系統(tǒng)主要由在國(guó)內(nèi)廣泛使用的AT89S52單片機(jī)，西門子TC35i GSM通信模塊、數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換器PCF 8591和DS12C887時(shí)間芯片組成。外圍部分將根據(jù)具體項(xiàng)目要求增加電壓、電流變換器，溫度傳感器，閘門開(kāi)度儀和水位計(jì)等部件。

1.1 AT89S52單片機(jī)

作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，AT89S52單片機(jī)擔(dān)負(fù)著中央控制職能，它是ATMEL公司最新的一個(gè)低功耗，高性能，采用先進(jìn)CMOS工藝制造的帶非易失性Flash存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該微控制器主要具備以下特征：兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)；具有8K Bytes ISP Flash程序存儲(chǔ)器，可反復(fù)擦寫1000次以上；8個(gè)中斷源；4個(gè)8位 I/O 口；3個(gè)16位計(jì)數(shù)/定時(shí)器；全雙工增強(qiáng)型UART串行通信口；全靜態(tài)工作：0Hz至33MHz，可實(shí)現(xiàn)空閑模式和掉電模式。因?yàn)榫哂幸陨媳姸嗟膬?yōu)點(diǎn)和大量外圍接口元器件，使得51單片機(jī)能夠提供靈活有效的解決方案。

1.2西門子TC35i通訊模塊

TC35i是西門子公司推出的一款基于GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線通信模塊，TC35i工作于雙頻段（GSM900/GSM1800），支持?jǐn)?shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信息等功能，提供快速、可靠、安全的傳輸環(huán)境，模塊采用串行通訊技術(shù)，符合RS-232工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并且，TC35i內(nèi)部集成標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集，可以方便的和MCS-51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。TC35i采用一個(gè)具有40腳的ZIF連接器和其它外部設(shè)備連接，這40個(gè)腳主要包括電源端、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口、SIM卡接口、音頻和控制接口。

1.3 DS12C887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片

DS12C887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片是美國(guó)達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的時(shí)鐘芯片，該芯片自帶晶振和電池電路，可以在沒(méi)有外部電源的情況下工作10年時(shí)間，可計(jì)算到2100年前的秒、分、小時(shí)、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補(bǔ)償功能，可以方便地和INTEL總線連接，并且其具有時(shí)間性中斷功能，可以很方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)定期數(shù)據(jù)采集和發(fā)送動(dòng)作。當(dāng)監(jiān)控對(duì)象如供電線路出現(xiàn)停電或缺相時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)一旦檢測(cè)到異常情況，能夠及時(shí)記錄下故障發(fā)生時(shí)間，并且通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向外發(fā)送報(bào)警信息。

1.4 PCF 8591

PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉(zhuǎn)換器，該器件是單片、單電源低功耗8位CMOS集成電路，具有4路A/D轉(zhuǎn)換輸入和1路D/A模擬輸出，數(shù)據(jù)通過(guò)I2C總線和單片機(jī)連接，并且，該芯片的3個(gè)地址引腳A0、A1、A2允許最多8個(gè)器件連接至I2C總線上，可以在有限的I/O接口內(nèi)采集多路信號(hào)，極大地提升單片機(jī)資源的利用。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)作為本系統(tǒng)的核心處理器件，能處理各種數(shù)字量信息，但實(shí)際應(yīng)用中我們遇到的往往是隨時(shí)間變化的模擬量信息，那就需要通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將各種模擬量信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字量信息。然而，在模數(shù)轉(zhuǎn)換前，還需要將各種被測(cè)電量參數(shù)（如380V電壓、幾十安培電流、功率、頻率等）轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)（如0-5V或0-10V）或標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)（4-20mA），這樣才能被PCF8591A/D轉(zhuǎn)換器使用。

例如電壓信號(hào)的采集，先把交流電壓通過(guò)變壓器將380V交流電轉(zhuǎn)換成低電壓交流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流濾波器環(huán)節(jié)，得到較為平穩(wěn)的直流電壓，然后通過(guò)V/F轉(zhuǎn)換電路，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，通過(guò)光電耦合器件實(shí)現(xiàn)電路隔離，避免數(shù)據(jù)采集端遇到雷擊和強(qiáng)電磁感應(yīng)等異常情況造成后端芯片大面積損壞。接下來(lái)，通過(guò)F/V轉(zhuǎn)換器，再次將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)壓低通濾波電路調(diào)整到合適的電位。最后，電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行電壓數(shù)據(jù)的采集。

2.2 單片機(jī)和GSM模塊的連接

因?yàn)閮煞N芯片均符合TTL電平，51單片機(jī)片上自帶全雙工增強(qiáng)型UART串行通信口可以方便的和TC35i模塊ZIF連接器中的18（RXD）和19（TXD）引腳相連，完成數(shù)據(jù)接收與發(fā)送工作。其中，數(shù)據(jù)收發(fā)有固定的格式，為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在300bps至115Kbps間。通過(guò)異步串行口的連接，使用符合GSM模塊的AT指令，可以實(shí)現(xiàn)短信、數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的傳輸功能。

2.3 單片機(jī)和日歷芯片DS12C887連接

DS12C887日歷芯片因自身帶有鋰電池，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)掉電情況下還能保持時(shí)間的運(yùn)行，只需一次校準(zhǔn)就能長(zhǎng)期正常工作，特別適合在無(wú)人值守和比較偏僻的野外工作。在斷電重新上電時(shí)不需要人工重設(shè)時(shí)間，并且可以比較準(zhǔn)確的在掉電恢復(fù)后，通過(guò)單片機(jī)上電初始化過(guò)程，發(fā)送來(lái)電信息。

通過(guò)單片機(jī)P0口和DS12C887芯片的AD0至AD7地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線連接。單片機(jī)的ALE口連接日歷芯片的AS口，RD口連接日歷芯片的DS口，WR連接日歷芯片的R/W口。其中，單片機(jī)P0口因同時(shí)和A/D轉(zhuǎn)換器與日歷芯片公用，所以單片機(jī)的P2.0和日歷芯片的CS口連接實(shí)現(xiàn)片選功能，可以起到節(jié)約接口資源的作用。

2.4 輸出控制

當(dāng)我們通過(guò)光纖或?qū)Ｓ糜芯€線路正在遠(yuǎn)程操作水泵和水閘運(yùn)行，遇到線路沿線有人違規(guī)施工，造成通訊故障時(shí)，遠(yuǎn)程控制人員可能無(wú)法第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施緊急停機(jī)作業(yè)，如果我們具有后備無(wú)線通信線路時(shí)，就可以馬上發(fā)送緊急停機(jī)指令，停止設(shè)備運(yùn)行，避免造成嚴(yán)重后果。因單片機(jī)輸出控制電壓為5V，我們可以通過(guò)增加三極管驅(qū)動(dòng)繼電器方式實(shí)現(xiàn)對(duì)380V電源切斷作業(yè)。也可以使用固態(tài)繼電器方式對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行緊急停機(jī)操作。

結(jié)語(yǔ)：對(duì)于小型水利設(shè)施，如何減少人員投放和實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，提高管理人員工作效率，并且增強(qiáng)設(shè)備安全運(yùn)行保險(xiǎn)系數(shù)，是擺在我們水利人員面前的一個(gè)課題。通過(guò)使用在國(guó)內(nèi)已經(jīng)相當(dāng)成熟的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)資金投入少，降低運(yùn)行成本低，縮短建設(shè)周期。在某些方面，確實(shí)可以作為有線控制的緊急后備通道，提升設(shè)備安全冗余，減少意外故發(fā)生。