灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)遙測(cè)終端裝置設(shè)計(jì)

齊笑笑，郭佑民

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電技術(shù)研究所，蘭州 730070；2.甘肅省物流及運(yùn)輸裝備信息化工程技術(shù)研究中心，蘭州 730070；3.甘肅省物流與信息技術(shù)研究院，蘭州 730070）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占水資源總量的73%，大中型灌區(qū)占全國(guó)有效灌溉面積的44.5%。灌區(qū)灌溉在我國(guó)水資源浪費(fèi)比較嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率僅40%左右，不及發(fā)達(dá)國(guó)家的一半水平[1]。發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高水資源的利用率，不僅能緩解我國(guó)水資源緊缺的現(xiàn)狀，而且能促進(jìn)水資源持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。遙測(cè)終端裝置能夠有效對(duì)灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，通過對(duì)灌區(qū)采集數(shù)據(jù)信息的分析和處理，合理調(diào)度水資源，可以提高水資源利用率。目前大部分灌區(qū)還是靠人為經(jīng)驗(yàn)控制閘門放水，根據(jù)天氣降雨情況和農(nóng)作物生長(zhǎng)需求，以人們長(zhǎng)期以往的經(jīng)驗(yàn)放水，這種控制閘門放水的方式最傳統(tǒng)，最簡(jiǎn)單，同樣也最浪費(fèi)水資源；少數(shù)灌區(qū)采用有線通信方式的遙測(cè)終端裝置，較單純?nèi)藶榻?jīng)驗(yàn)判斷有一定提高，但是，監(jiān)控中心一般距灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，有線通信方式布線繁瑣；擴(kuò)展能力較差，長(zhǎng)期工作通信電纜損壞或線路接觸不良，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃韵陆?，出現(xiàn)誤報(bào)的現(xiàn)象。極少數(shù)應(yīng)用于市場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)無線通信的數(shù)據(jù)采集裝置，存在采集數(shù)據(jù)單一，內(nèi)部模塊技術(shù)應(yīng)用落后的現(xiàn)象。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，灌區(qū)遙測(cè)終端裝置也在朝著智能化，小型化、自動(dòng)化和高速化方向發(fā)展[2]。目前嵌入式技術(shù)具有功耗更低，可靠性更高，性能價(jià)格比更高，體積更小等特點(diǎn)[3]。GPRS技術(shù)就是通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)，該技術(shù)具有隨時(shí)查詢、連接時(shí)間短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、設(shè)備成本低、維護(hù)費(fèi)用小、收費(fèi)合理、價(jià)格便宜、適合不定期、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，現(xiàn)階段GPRS技術(shù)的發(fā)展，成本更低，連接時(shí)間更短，傳輸速率更快等優(yōu)點(diǎn)[4]。本文設(shè)計(jì)的遙測(cè)終端裝置采用先進(jìn)嵌入式和GPRS技術(shù)，集多個(gè)數(shù)據(jù)采集接口、顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程通信等功能與一體的智能遙測(cè)數(shù)字終端設(shè)備。遙測(cè)終端裝置在灌區(qū)多點(diǎn)布置，有效的對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集與傳輸。監(jiān)控中心分析和處理接收的數(shù)據(jù)，科學(xué)合理的分配水資源，提高水資源利用率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1 裝置總體設(shè)計(jì)

本遙測(cè)終端裝置包含中心控制器、傳感器模塊、圖像模塊、人機(jī)交互模塊，存儲(chǔ)模塊、電源模塊以及GPRS模塊組成。遙測(cè)終端裝置總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。遙測(cè)終端裝置實(shí)物外觀整體圖如圖3所示，遙測(cè)終端裝置內(nèi)部實(shí)物連接圖如圖4所示。中心控制器選用STM32系列STM32F103RCT6芯片，該芯片滿足高性能、低功耗、實(shí)時(shí)應(yīng)用以及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[5,6]。傳感器模塊包含液位傳感器、雨量傳感器、流量傳感器、溫濕度傳感器等。本裝置通過傳感器模塊和監(jiān)控?cái)z像頭采集灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)信息和圖片信息，采集信息可在遙測(cè)終端裝置上顯示和存儲(chǔ)，在顯示和存儲(chǔ)的同時(shí)通過GPRS模塊發(fā)送給室內(nèi)中心站，中心站分析以及處理遙測(cè)終端裝置發(fā)送的信息，合理調(diào)度水資源，起到節(jié)約水資源的目的。

圖2 遙測(cè)終端裝置總體結(jié)構(gòu)圖

圖3 遙測(cè)終端裝置外觀整體圖

圖4 遙測(cè)終端裝置內(nèi)部實(shí)物連接圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

液位傳感器采用的CYW11通用型投入式液位變送器，該液位變送器用進(jìn)口擴(kuò)散硅壓力敏感元件和先進(jìn)的膜片隔離技術(shù)；電纜連接，直接投入現(xiàn)場(chǎng)，安裝簡(jiǎn)便；放大電路采用進(jìn)口的美國(guó)BB集成芯片，寬電壓供電；防堵塞、防結(jié)垢；防雷擊、截頻干擾設(shè)計(jì)、抗干擾能力強(qiáng)；接線反向和過壓保護(hù)、限流保護(hù)；穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快；該水位計(jì)帶有485接口，而中心控制器stm32單片機(jī)的通信信號(hào)為TTL信號(hào)，兩者之間的通信需要通過RS485模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接。液位計(jì)主要采集水庫和引流的明渠水位數(shù)據(jù)，水庫和明渠的水位應(yīng)時(shí)刻保持在合適的范圍，對(duì)已有水資源的充分了解、才能夠合理以及有效支配水資源。雨量傳感器采用的JD-05型翻斗式雨量傳感器是一種水文、氣象儀器，用以測(cè)量自然界降雨量，同時(shí)將降雨量轉(zhuǎn)換為以開關(guān)量形式表示的數(shù)字信息量輸出，以滿足信息傳輸、處理、記錄和顯示等的需要，該雨量計(jì)通過翻斗的每次翻轉(zhuǎn)向stm32單片機(jī)發(fā)送一個(gè)開關(guān)量的脈沖信號(hào)，翻斗每次反轉(zhuǎn)的平均雨量為0.5mm，stm32單片機(jī)只需連接一個(gè)I/O便可接收脈沖信號(hào)，從而計(jì)算累計(jì)雨量。溫濕度傳感器采用的型號(hào)為RS-WS-N01-1A-0，該溫濕度傳感器RS485通信接口，通信穩(wěn)定，10-30V寬電壓范圍供電，溫度測(cè)量精度±0.5℃，濕度測(cè)量精度±3%RH。雨量和溫濕度灌區(qū)氣象數(shù)據(jù)的采集能夠有效監(jiān)測(cè)農(nóng)作物缺水情況，通過采集的實(shí)際數(shù)據(jù)合理分配水資源。流量傳感器采用TS-6000型超聲波明渠流量傳感器，安裝方便，適合多種標(biāo)準(zhǔn)量水堰，精確度高，該流量計(jì)的通信接口為RS485接口。不論是水庫水位超限還是農(nóng)作物干旱，接收中心站指令放水都需嚴(yán)格控制，通過流量計(jì)采集數(shù)據(jù)已達(dá)到精準(zhǔn)放水的目的。傳感器與中心控制器的電路連接圖如圖5所示。

圖5 遙測(cè)終端裝置總體硬件電路圖

2.2 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊采用3.5寸USART HMI組態(tài)屏，人機(jī)界面的制作全部由上位機(jī)軟件完成，該組態(tài)屏的Rx、Tx連接端口與STM32串口連接實(shí)現(xiàn)通信，開發(fā)效率高，支持串口下載和SD卡下載，支持PC端模擬調(diào)試，支持模擬器和設(shè)備同步調(diào)試，F(xiàn)LASH空間16MB，供電電壓3.3V。USART HMI組態(tài)屏主要功能是能夠?qū)崟r(shí)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)，供巡檢人員觀察灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)情況。

2.3 監(jiān)控?cái)z像頭

監(jiān)控?cái)z像頭采用ALIENTEK OV7670攝像頭模塊，OV7670是一顆1/6的CMOS VGA圖像傳感器，該傳感器體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，OV7670的特點(diǎn)有：高靈敏、低電壓適合嵌入式應(yīng)用；標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容IIC接口；支持閃光燈；支持圖像縮放；支持自動(dòng)曝光控制等優(yōu)點(diǎn)[7]。STM32控制OV7670攝像頭定時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖片，圖片保存在存儲(chǔ)模塊，保存的現(xiàn)場(chǎng)圖片定時(shí)通過GPRS模塊發(fā)送給中心站。中心站可通過遠(yuǎn)程接收的圖片觀測(cè)灌區(qū)渠道和水庫情況，如有工作異常或特殊情況，中心站可及時(shí)采取相應(yīng)措施，保證用水安全。OV7670攝像頭模塊與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.4 GPRS模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用四頻GSM/GPRS模塊，型號(hào)為ATK-SIM800C，基本動(dòng)能：撥號(hào)、接聽、短信和GPRS通信；控制方式：AT指令；GPRS：可PPP連接，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議；擴(kuò)展功能：彩信/DFDT/TTS/藍(lán)牙；提供TTL、RS232、RS485三種通訊接口，用戶可根據(jù)實(shí)際要求選擇使用的通訊端口[8]。它是一款GPRS無線透明傳輸終端設(shè)備，可用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、環(huán)境等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，方便的入網(wǎng)方式促使其具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。SIM800C的主要功能是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)和圖片信息的定時(shí)發(fā)送以及接收中心站指令。采集數(shù)據(jù)超限時(shí)，SIM800C向中心站發(fā)送超限指令的同時(shí)能以短信的方式將超限信息發(fā)送到工作人員手機(jī)上，以防工作人員臨時(shí)離開工作崗位不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)超限信息；SIM800C還應(yīng)有掉線重新連接的功能，保證其工作可靠性。SIM800C與STM32電路連接圖如圖5所示。

2.5 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)保存在外部存儲(chǔ)設(shè)備中，由于STM32F103RCT6芯片沒有自帶文件系統(tǒng)[9]，所以，本系統(tǒng)的存儲(chǔ)模塊采用了CH376芯片來外接更大的存儲(chǔ)設(shè)備，將采集到的數(shù)據(jù)在本地備份，必要時(shí)便于提取數(shù)據(jù)。CH376支持USB設(shè)備方式和USB主機(jī)方式，并且內(nèi)置了USB通訊協(xié)議的基本固件，CH376支持三種通訊接口：8位并口、SPI接口或者異步串口，系統(tǒng)采用了SPI接口與處理器進(jìn)行通信，CH376的系統(tǒng)原理圖如圖6所示，CH376與STM32的硬件連接圖如圖5所示。CH376芯片主要保存?zhèn)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)信息和OV7670攝像頭拍攝的圖片信息作為本地備份，GPRS模塊掉線或出現(xiàn)其他異常情況上位機(jī)沒有及時(shí)收到灌區(qū)數(shù)據(jù)和圖片信息，異常恢復(fù)后可將本地存儲(chǔ)信息一次性打包發(fā)送。

圖6 CH376系統(tǒng)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器采集程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32開發(fā)板，因此選用了Keil uVision3 作為集成開發(fā)調(diào)試環(huán)境。傳感器的數(shù)據(jù)采集程序流程圖如圖7所示。程序開始運(yùn)行后首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化，包括STM32開發(fā)板的初始化、傳感器模塊的初始化以及GPRS模塊的初始化等。其次，連接GPRS模塊，確保GPRS模塊與上位機(jī)通信連接成功。連接成功之后，傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊每間隔一分鐘發(fā)送給中心站。當(dāng)采集到雨量數(shù)據(jù)時(shí)，GPRS模塊根據(jù)雨量大小自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間為10秒或30秒。傳感器采集程序流程圖如圖7所示。

圖7 傳感器采集程序流程圖

3.2 存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)

CH376作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)程序采用keil軟件開發(fā)，編寫程序在stm32微處理器中執(zhí)行。存儲(chǔ)程序運(yùn)行開始初始化CH376，檢查U盤連接和準(zhǔn)備狀態(tài)，U盤連接以及準(zhǔn)備就緒后，查詢剩余空間。U盤存儲(chǔ)空間足夠的情況下，創(chuàng)建文件，采集的數(shù)據(jù)依次存儲(chǔ)到文件中；U盤存儲(chǔ)空間不夠的情況下，清除最早存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，再將采集的新數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)去。在U盤有限的內(nèi)存空間下，一直保證一段時(shí)間的數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)，中心站出現(xiàn)異常情況沒有及時(shí)收到數(shù)據(jù)時(shí)，可向CH376發(fā)送調(diào)數(shù)據(jù)命令。CH376創(chuàng)建文件流程圖如圖8所示。

圖8 CH376創(chuàng)建文件流程圖

4 功能測(cè)試

完成遙測(cè)終端裝置的硬件搭建以及軟件程序的設(shè)計(jì)后，對(duì)裝置進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試選用兩個(gè)傳感器：雨量計(jì)與液位計(jì)，遙測(cè)終端裝置連接傳感器，搭建實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境。功能測(cè)試實(shí)物圖連接圖如圖9所示。室外測(cè)試選用四個(gè)傳感器：雨量計(jì)、液位計(jì)、流量計(jì)和溫濕度傳感器，實(shí)測(cè)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

5 結(jié)論

本文主要針對(duì)灌區(qū)的自動(dòng)化程度不高以及合理分配和調(diào)度水資源的問題，設(shè)計(jì)了一種基于stm32和GPRS的灌區(qū)遙測(cè)終端裝置。通過stm32控制傳感器采集重要數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感器多擴(kuò)展口連接，采集灌區(qū)數(shù)據(jù)可現(xiàn)場(chǎng)顯示觀測(cè)以及本地存儲(chǔ)，采集數(shù)據(jù)同時(shí)GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，中心站得到有效的數(shù)據(jù)，經(jīng)中心站處理與分析，有效調(diào)度和分配水資源。

表1 部分采集數(shù)據(jù)

圖9 功能測(cè)試實(shí)物連接圖