劉俊鋒，王 靜

（1.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟南 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，作為水利工程專項防洪、調(diào)度預(yù)案汛情等級劃分以及工程調(diào)度運用的主要依據(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行上報，一是水位報訊人員難以落實，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)，實現(xiàn)監(jiān)測點的水位在無人值守的情況下周期性自動測報，監(jiān)控中心可以實時查閱、監(jiān)視所有采集傳輸終端的歷史及最新水位，實現(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C程序和服務(wù)器端上位機軟件組成。采集傳輸終端包括主控制器AT89S52單片機、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C程序用于實現(xiàn)采集傳輸終端各部分硬件資源的特定功能；服務(wù)器端上位機軟件用于將采集傳輸終端發(fā)來的數(shù)據(jù)進行外包，實現(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、計價按數(shù)據(jù)流量計算、實時在線等一系列優(yōu)點，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)果進行修正的功能，測量誤差低于1cm，且接口簡單，直接由單片機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?。？紤]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 下位機程序

程序一開始，先對串口、定時器寄存器以及1602液晶進行初始化，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)合基點高程轉(zhuǎn)換為水位，輸出到本地1602顯示，接著通過單片機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采集發(fā)送周期，若未到達，繼續(xù)等待，到達后循環(huán)進入下一個采集傳輸周期。

3.2 服務(wù)器端上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用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、運行穩(wěn)定等特點，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)測點的實際環(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時性的要求。在今后的研究中，可進一步完善系統(tǒng)的功能，為該系統(tǒng)增加鍵盤輸入模塊，以實現(xiàn)設(shè)定探測點基點高程、服務(wù)器端IP地址和端口號等功能；進一步優(yōu)化下位機程序代碼，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