一種水庫防洪遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

李新成　龔麗農(nóng)

摘 要：針對農(nóng)村地區(qū)水庫雨季隱患大、值守人員少的情況，設(shè)計了一種水庫防洪遠程監(jiān)測報警系統(tǒng)。各水庫檢測點為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集單元，主要由微控制器MSP430、液位傳感器等實現(xiàn)水情信息檢測，并通過GPRS模塊進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。系統(tǒng)的遠程監(jiān)測中心接收數(shù)據(jù)并處理后進行顯示，當有險情發(fā)生時，系統(tǒng)將啟動短信模塊報警。

關(guān)鍵詞：水位監(jiān)測；GPRS通信；短信模塊

中圖分類號：TV697.1+3+TP277 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2014）04-0020-04

目前我國農(nóng)村的大部分地區(qū)在水庫防洪水位監(jiān)測中仍然是用人工的方式，存在著數(shù)據(jù)測量準確度低、費時費力等問題。特別是近年來，我國洪澇災害頻發(fā)，已經(jīng)造成了很大的經(jīng)濟損失甚至人員傷亡[1，2]。為解決水庫防洪水位的監(jiān)測問題，本文設(shè)計了一種基于無線通信網(wǎng)絡的水位監(jiān)測報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器采集水位信息，并利用GPRS無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到遠程監(jiān)控中心，實現(xiàn)水庫水位存儲、顯示、報警以及短信提醒功能。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由水庫水位檢測單元、通信網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控中心以及短信收發(fā)模塊構(gòu)成，檢測單元為數(shù)據(jù)采集單元，檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，當有險情發(fā)生時，監(jiān)控中心通過短信模塊及時將報警信息發(fā)送到值守人員手機上，實現(xiàn)了水庫水情的遠程實時監(jiān)測和報警功能。其中，GPRS通信網(wǎng)絡和Internet 網(wǎng)絡是監(jiān)控中心和各個數(shù)據(jù)檢測單元之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 水庫檢測單元設(shè)計

檢測單元是水情信息的采集中心，實現(xiàn)水位實時檢測和數(shù)據(jù)發(fā)送功能，系統(tǒng)主要包括MSP430單片機、水位傳感器模塊、GPRS模塊和電源等，檢測單元的組成框圖如圖2所示。工作時，水位

圖1 系統(tǒng)組成框圖

傳感器的輸出信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到MSP430單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理和打包，再通過串行通信方式與GPRS模塊連接，將水情信息經(jīng)無線網(wǎng)絡上傳到系統(tǒng)的遠程監(jiān)測中心。

圖2 檢測單元硬件組成框圖

2.1.1 水位傳感器模塊 該模塊由水位傳感器和信號變送電路組成。水位傳感器采用PTKR301，這是一種壓力式液位傳感器，其工作原理是根據(jù)壓力與水深的正比關(guān)系，運用壓敏元件來實現(xiàn)水位檢測[2]。當傳感器固定在水下某一檢測點時，根據(jù)該檢測點以上水柱壓力測算的高度加上該點的高程，即可間接地測出水庫水位。

壓力式傳感器具有測量精度高、安裝簡便、價格相對低廉的優(yōu)點，但也存在一些缺點，如：對泥沙含量大的水質(zhì)其測量精度會受到影響，工作不穩(wěn)定，有溫度漂移等。為提高測量精度，我們采取了以下措施：（1）使用前對傳感器電路充分老化，以減小水位計溫度漂移；（2）施工時，通過管道將傳感器安裝在水中，并定期清理傳感器進水孔以消除泥沙和水流的影響。

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器 水位傳感器輸出信號為模擬量，需經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。A/D轉(zhuǎn)換器我們采用AD7705，該芯片具有16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換精度，含有2 通道全差分模擬輸入，采用+5V單電源供電，主要用于低頻測量，若要求水位測量精度為1 cm，則理論上的水位量程可達655.35 m，能夠滿足水庫的測量范圍。AD7705芯片采用三線串行接口方式，可以方便地與微控制器連接，其中CS端連接到低電平。

2.1.3 MSP430單片機模塊 單片機系統(tǒng)包括處理器、存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等，其中處理器采用低能耗的微控制器MSP430。MSP430系列是一個16位超低功耗的混合型單片機，其主要特點有：低工作電壓、超低功耗，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，有P1.0～P6.0 共6個數(shù)據(jù)端口，能為用戶提供更多的處理功能[3]。工作時，MSP430負責檢測水位并將檢測的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給GPRS模塊。

2.1.4 GPRS模塊 本系統(tǒng)選用北京馳潤達通信公司的GP40型GPRS模塊用于數(shù)據(jù)的無線傳輸和通信。其端口及外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，技術(shù)指標如表1所示[4]。

GPRS模塊數(shù)據(jù)的收發(fā)是按包透明傳輸?shù)?，收到檢測單元送來的數(shù)據(jù)后，GPRS模塊先將這些數(shù)據(jù)按包存儲到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后再按包發(fā)送到GPRS網(wǎng)上去。分包的原則是：當串口數(shù)據(jù)有一個大于300 ms的時間間隔，就認為一個數(shù)據(jù)包已經(jīng)結(jié)束。這個時間間隔后再有數(shù)據(jù)到來，新到的數(shù)據(jù)就是下一個新的數(shù)據(jù)包的開始，直至又出現(xiàn)一個大于300 ms的時間間隔，這個新的數(shù)據(jù)包就結(jié)束了。每個數(shù)據(jù)包的最大長度是700 B，當數(shù)據(jù)超過700 B，而分包間隔還沒有到來時，將丟棄這一包數(shù)據(jù)。

2.1.5 電源模塊及其省電控制 各個水庫檢測點要求在沒有外部供電的情況下能持續(xù)工作，因此檢測點的自帶電源可持續(xù)供電時間必須較長，且檢測單元電路的工作能耗必須很低。

在供電方式上，本系統(tǒng)采用了高效可充電鋰電池和太陽能電池板技術(shù)，以解決外部無持續(xù)供電的問題。

在降低工作能耗方面，除了硬件方面選用低功耗器件外，主要在軟件上適當增加傳感器的睡眠時間，并盡可能減少數(shù)據(jù)發(fā)送量，以節(jié)省電能損耗。另外，為減小GPRS模塊的功耗，設(shè)置該模塊工作于省電模式下。在省電模式下，模塊有睡眠狀態(tài)和工作狀態(tài)兩種狀態(tài)，當有數(shù)據(jù)收發(fā)時模塊處于工作狀態(tài)，當?shù)却邮諘r處于睡眠狀態(tài)。因為模塊實際工作時大部分時間都在等待接收數(shù)據(jù)，所以在省電模式中模塊大部分的時間都處于睡眠狀態(tài)中，此時模塊關(guān)閉了很多耗電的電路，使耗電大大減少，從而達到了省電的目的。

2.2 監(jiān)控中心系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控中心包括上位機和短信報警模塊兩部分，報警模塊采用北京捷麥通信公司的G100A型短信模塊來實現(xiàn)。G100A無線短信模塊輸出信號為TTL 電平，需要用MAX232芯片組成電平轉(zhuǎn)換接口電路，把TTL 電平轉(zhuǎn)換為RS232電平再與PC 機連接，其組成框圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數(shù)據(jù)流控制線。其傳輸數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發(fā)送短信時，上位機把要發(fā)送的短信通過串口經(jīng)G100A模塊發(fā)送到GSM網(wǎng)絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監(jiān)控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數(shù)據(jù)定時發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡，再經(jīng)Internet互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程監(jiān)控中心[5]。當有險情發(fā)生時，系統(tǒng)將響應中斷程序，立即將險情信息發(fā)送到遠程監(jiān)控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監(jiān)測中心軟件設(shè)計

本系統(tǒng)開發(fā)了基于VB的遠程水位計算機監(jiān)控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監(jiān)測中心采用固定IP地址的組網(wǎng)方式[6]。監(jiān)測中心接收水位檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設(shè)定的閾值即警情發(fā)生時，監(jiān)測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現(xiàn)短信報警功能[7]。監(jiān)控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)測中心主程序流程

4 結(jié)語

本文設(shè)計的水庫防洪監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)λ贿M行實時檢測，并將相關(guān)信息通過GPRS通訊模塊傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發(fā)現(xiàn)并以短信方式報警，提升了防洪系統(tǒng)的自動化管理水平。該系統(tǒng)可靠性高，易于實現(xiàn)，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產(chǎn)品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.

圖4 監(jiān)控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數(shù)據(jù)流控制線。其傳輸數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發(fā)送短信時，上位機把要發(fā)送的短信通過串口經(jīng)G100A模塊發(fā)送到GSM網(wǎng)絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監(jiān)控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數(shù)據(jù)定時發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡，再經(jīng)Internet互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程監(jiān)控中心[5]。當有險情發(fā)生時，系統(tǒng)將響應中斷程序，立即將險情信息發(fā)送到遠程監(jiān)控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監(jiān)測中心軟件設(shè)計

本系統(tǒng)開發(fā)了基于VB的遠程水位計算機監(jiān)控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監(jiān)測中心采用固定IP地址的組網(wǎng)方式[6]。監(jiān)測中心接收水位檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設(shè)定的閾值即警情發(fā)生時，監(jiān)測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現(xiàn)短信報警功能[7]。監(jiān)控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)測中心主程序流程

4 結(jié)語

本文設(shè)計的水庫防洪監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)λ贿M行實時檢測，并將相關(guān)信息通過GPRS通訊模塊傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發(fā)現(xiàn)并以短信方式報警，提升了防洪系統(tǒng)的自動化管理水平。該系統(tǒng)可靠性高，易于實現(xiàn)，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產(chǎn)品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.

圖4 監(jiān)控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數(shù)據(jù)流控制線。其傳輸數(shù)據(jù)格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發(fā)送短信時，上位機把要發(fā)送的短信通過串口經(jīng)G100A模塊發(fā)送到GSM網(wǎng)絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監(jiān)控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數(shù)據(jù)信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數(shù)據(jù)定時發(fā)送到GPRS 網(wǎng)絡，再經(jīng)Internet互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程監(jiān)控中心[5]。當有險情發(fā)生時，系統(tǒng)將響應中斷程序，立即將險情信息發(fā)送到遠程監(jiān)控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監(jiān)測中心軟件設(shè)計

本系統(tǒng)開發(fā)了基于VB的遠程水位計算機監(jiān)控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監(jiān)測中心采用固定IP地址的組網(wǎng)方式[6]。監(jiān)測中心接收水位檢測器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設(shè)定的閾值即警情發(fā)生時，監(jiān)測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現(xiàn)短信報警功能[7]。監(jiān)控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監(jiān)測中心主程序流程

4 結(jié)語

本文設(shè)計的水庫防洪監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)λ贿M行實時檢測，并將相關(guān)信息通過GPRS通訊模塊傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發(fā)現(xiàn)并以短信方式報警，提升了防洪系統(tǒng)的自動化管理水平。該系統(tǒng)可靠性高，易于實現(xiàn)，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息技術(shù)， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數(shù)據(jù)采集及遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網(wǎng)絡的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產(chǎn)品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.