基于GPRS超低功耗地下水遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端的研究

李祥坤

(青海省水文水資源測(cè)報(bào)中心， 西寧 810001)

1 引言

地下水是水資源的重要組成部分，在有些平原城市甚至是唯一的水源，而這種對(duì)地下水資源的高度依賴性，體現(xiàn)了地下水監(jiān)測(cè)的重要性，它對(duì)開展城市建設(shè)布局研究和制定區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃有重大參考意義。針對(duì)于我國(guó)地下水專用監(jiān)測(cè)井稀少、密度低、監(jiān)測(cè)技術(shù)落后、信息服務(wù)能力薄弱等突出問題，推進(jìn)科學(xué)先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段的應(yīng)用從而及時(shí)獲取有效信息尤為必要。

GPRS(General Packet Radio Service的簡(jiǎn)寫)是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，GPRS是以封包(Packet)形式來傳輸?shù)?。全?guó)覆蓋的網(wǎng)絡(luò)可以及時(shí)低成本地傳輸?shù)叵滤臄?shù)據(jù)信息。本文介紹的基于GPRS超低功耗地下水遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端(以下簡(jiǎn)稱終端機(jī))，非常適用于無人值守的全國(guó)地下水位數(shù)據(jù)采集和管理發(fā)送[1]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

本文介紹的這款地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為地下水終端機(jī)和監(jiān)測(cè)軟件(另文闡述)兩部分，地下水終端機(jī)是內(nèi)置GPRS模塊系統(tǒng)與供電系統(tǒng)的浮子傳感方式的水位計(jì)。如圖1所示。

圖1 地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

地下水終端機(jī)分布安裝在各個(gè)采集點(diǎn)上，將采集點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水位定時(shí)采集，并存儲(chǔ)在唯一的存儲(chǔ)空間中(不同時(shí)間對(duì)應(yīng)唯一地址)。在每天早8時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)。每個(gè)地下水終端機(jī)都能夠設(shè)置站號(hào)，這就保證了數(shù)據(jù)不會(huì)混淆，根據(jù)站號(hào)就可以判斷出是哪個(gè)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)報(bào)文在上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件中解析后可顯示各個(gè)采集點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。

3 地下水終端機(jī)

3.1 硬件組成

本文所描述的地下水終端機(jī)主要包括CPU控制系統(tǒng)、GPRS模塊、水位采集傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、時(shí)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)。終端機(jī)完整的硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 地下水終端機(jī)硬件組成圖

3.2 時(shí)控系統(tǒng)和供電系統(tǒng)

本文選用的供電方式為在值守狀態(tài)下關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)的電源，電子開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，僅時(shí)控芯片在微弱電流下工作，實(shí)測(cè)為1.5微安，已經(jīng)接近或低于電池的自放電。根據(jù)設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)，時(shí)控芯片自動(dòng)恢復(fù)，并啟動(dòng)電子開關(guān)，給整個(gè)系統(tǒng)供電。當(dāng)系統(tǒng)完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送后，又處于完全掉電狀態(tài)。

供電系統(tǒng)選用自放電性能較好的鋰電池，根據(jù)5Ah鋰電池的計(jì)算理論，可以滿足超過15年的供電需求。本文選用2節(jié)2600mAh的鋰電池并聯(lián)，考慮到間斷的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送功耗，可以運(yùn)行工作超過15年。采集時(shí)間為0.5s，采集平均電流為60mA,采集6次發(fā)送時(shí)間為30s,平均電流為100mA，每天發(fā)送1次。系統(tǒng)理論耗電如下：

值守平均電流：1.5μA=0.0015mA

數(shù)據(jù)采集平均電流：60×0.5×6/(60×60×24)=1/480mA

數(shù)據(jù)發(fā)送平均電流：100×30×1/(60×60×24)=5/144mA

電池供電時(shí)長(zhǎng)：2600×2/(0.0015+1/480+5/144)≈135762hour≈5656day≈15.49year

3.3 GPRS模塊

SIM900A通信芯片用于水位檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)置GPRS模塊中。SIM900A采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，SIM900A的工作頻率分別為GSM/GP850/900/1800/1900MHz,低功耗可實(shí)現(xiàn)語音、短信、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸[2]。終端使用SIM900B芯片，把數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRS信道傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)的收集。運(yùn)用GPRS的方法采集具有巨大的優(yōu)勢(shì)?；贕PRS系統(tǒng)，在上位機(jī)軟件電子地圖上就可以清晰看見水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分布以及對(duì)應(yīng)的水文信息，可以實(shí)現(xiàn)地下水位的分布及水位的信息化管理[3]。

3.4 水位傳感系統(tǒng)

浮子水位計(jì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1828.1—2002要求設(shè)計(jì)、制造。儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便、價(jià)格較低，具有良好的測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性(如圖3所示)。上部有機(jī)械讀數(shù)視窗，側(cè)面是水位輪，浮子的升降帶動(dòng)水位輪旋轉(zhuǎn)，水位輪帶動(dòng)內(nèi)部機(jī)械轉(zhuǎn)盤，從而顯示相應(yīng)水位數(shù)據(jù)[4，5]。

水位傳感系統(tǒng)是通過主控芯片輪采集各位對(duì)應(yīng)的電平，并通過機(jī)械轉(zhuǎn)盤的變化帶動(dòng)相應(yīng)位置開關(guān)按鍵的變化產(chǎn)生機(jī)械信號(hào)，轉(zhuǎn)盤機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)格雷碼信號(hào)。主控板對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算，就得到了水位值。

圖3 浮子水位計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖

由于浮子帶動(dòng)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，這就要求輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力不能太大，內(nèi)部開關(guān)使用的是進(jìn)口歐姆龍滾珠擺桿型微動(dòng)開關(guān)。

3.5 存儲(chǔ)系統(tǒng)

按照《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)數(shù)據(jù)通信報(bào)文規(guī)定》所述，水位監(jiān)測(cè)站采用六采發(fā)一的工作方式，每隔4h采集一次，每天采集6次(同時(shí)存入固態(tài)存儲(chǔ)器)，最后一次采集為次日早8時(shí)；同時(shí)還會(huì)采集實(shí)時(shí)電源電壓，這樣即使通信出現(xiàn)問題也不會(huì)丟失水位數(shù)據(jù)。確保每天早8時(shí)發(fā)送一次數(shù)據(jù)共6組數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)按照年、月、日、時(shí)、水位、水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行排列存儲(chǔ)，一次水位數(shù)據(jù)分配16字節(jié)，每個(gè)月分配30720字節(jié)。這樣對(duì)于存儲(chǔ)地址有著很好的管理，下載數(shù)據(jù)時(shí)只要根據(jù)這個(gè)地址就能很好地找到對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器為16M固態(tài)存儲(chǔ)器。按照這種存儲(chǔ)方式，16M的存儲(chǔ)空間可以存儲(chǔ)約46年水位數(shù)據(jù)。水位數(shù)據(jù)可以通過遠(yuǎn)程下載，也可以通過側(cè)面下載端口下載任意時(shí)段的水位數(shù)據(jù)，同時(shí)可以通過配置端口設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。

4 終端機(jī)基本工作原理

終端機(jī)平時(shí)處于值守狀態(tài)，在采集時(shí)間點(diǎn)到時(shí)喚醒CPU進(jìn)行水位采集，并將其存儲(chǔ)，如果需要發(fā)送就開啟無線發(fā)送模式，進(jìn)行報(bào)文發(fā)送。發(fā)送后在30s內(nèi)處于等待報(bào)文狀態(tài)，在此期間可以與其進(jìn)行通信，設(shè)置修改各種參數(shù)。配置狀態(tài)中，技術(shù)人員可以設(shè)置站號(hào)、時(shí)間等參數(shù)，我們可以使用GPRS無線方式遠(yuǎn)距離配置，同時(shí)可以用配置電纜線通過接口隨時(shí)配置。完成配置后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗的值守狀態(tài)[6]。終端機(jī)工作流程圖如圖4所示。

圖4 終端機(jī)工作流程圖

5 終端機(jī)報(bào)文

配置狀態(tài)中，終端機(jī)與上位機(jī)之間通過報(bào)文進(jìn)行通信，此時(shí)技術(shù)人員可以設(shè)置站號(hào)，時(shí)間等參數(shù)。可以使用GPRS無線方式遠(yuǎn)距離配置，同時(shí)可以用配置線通過接口隨時(shí)配置。

5.1 報(bào)文格式說明

通信報(bào)文按照《水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信規(guī)約》(SL651—2014)和《國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程(水利部分)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信報(bào)文規(guī)定》編寫，分為監(jiān)測(cè)站自報(bào)報(bào)文、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載報(bào)文、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢報(bào)文等。本項(xiàng)目采用HEX/BCD編碼的報(bào)文編碼結(jié)構(gòu)。

監(jiān)測(cè)站自報(bào)報(bào)文采用每日6次采集1次報(bào)送方式，采集時(shí)間確定為12時(shí)、16時(shí)、20時(shí)、00時(shí)、4時(shí)、8時(shí),報(bào)送數(shù)據(jù)時(shí)間為每日8時(shí);該報(bào)文正文中應(yīng)包括監(jiān)測(cè)參數(shù)、實(shí)時(shí)電源電壓、電源警告等；中心站在接收成功測(cè)站自報(bào)數(shù)據(jù)后，給該站返回“確認(rèn)報(bào)”，測(cè)站從“確認(rèn)報(bào)”中取得中心站發(fā)報(bào)時(shí)間，以此用于本站校時(shí)，此步驟之后，監(jiān)測(cè)站進(jìn)入“值守”狀態(tài)。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)下載(中心站查詢遙測(cè)站時(shí)段數(shù)據(jù)，雙向報(bào)文)：當(dāng)中心站收到某測(cè)站定時(shí)自報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，若中心站需查詢?cè)撜灸硶r(shí)段數(shù)據(jù)，則中心站立即下發(fā)數(shù)據(jù)下載命令報(bào)文，監(jiān)測(cè)站收到該命令報(bào)文后，實(shí)時(shí)根據(jù)命令要求同時(shí)上報(bào)水位和監(jiān)測(cè)站供電電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[7]。

5.2 報(bào)文傳輸鏈路

監(jiān)測(cè)站自報(bào)報(bào)文的傳輸鏈路的方式是：采用自報(bào)式報(bào)文傳輸。報(bào)文從遙測(cè)站發(fā)出之后，中心站如果接收?qǐng)?bào)文正確，就會(huì)發(fā)送“確認(rèn)”報(bào)文；如果中心站接收?qǐng)?bào)文無效，那么就不響應(yīng)。自報(bào)式M2發(fā)送/確認(rèn)傳輸模式如圖5所示。

圖5 自報(bào)式M2發(fā)送/確認(rèn)傳輸模式

6 結(jié)束語

本文基于GPRS超低功耗地下水遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端,具有數(shù)據(jù)采集精度高、實(shí)時(shí)性好、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能解決人工地下水位觀測(cè)客觀性差、可靠性低的問題,可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的目標(biāo),達(dá)到提高區(qū)域水資源管理水平和工作效率的目的,有很高的推廣與應(yīng)用價(jià)值。