基于GPRS的水文信息無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：研究設(shè)計了一種基于單片機(jī)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的水文信息遠(yuǎn)程監(jiān)測管理系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)來完成水位、溫度等參數(shù)的無線、遠(yuǎn)程和實(shí)時傳輸，實(shí)現(xiàn)測量結(jié)果的計算機(jī)管理，測量精度高。經(jīng)過實(shí)際使用證明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與實(shí)用性，從而為科學(xué)開發(fā)和合理利用地下水資源、有效地預(yù)防地面沉降及地裂縫的發(fā)展和政府決策提供了科學(xué)依據(jù)。

0 引言

水文信息是衡量水資源的重要指標(biāo)，其中地下水位的變化與地下水的開采量和地面沉降有著密切的關(guān)系，對控制地面沉降具有重要的意義。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測主要依靠人工、半人工的監(jiān)測手段，造成了工作量大、效率低、數(shù)據(jù)處理繁雜易錯、信息傳輸時效性差等問題，既不適應(yīng)信息化的發(fā)展，又不能滿足現(xiàn)代化管理的需要。而且勞動強(qiáng)度也很大，測量精度無法保障，尤其是監(jiān)測一些地理位置比較偏遠(yuǎn)或分散的監(jiān)測點(diǎn)，工作難度更大。為了合理利用水資源，充分了解各個流域水資源的狀況，實(shí)現(xiàn)水文信息的自動化監(jiān)測及遠(yuǎn)程管理，合理利用計算機(jī)技術(shù)、高精度的測量儀器、公眾通信平臺等工具，對實(shí)現(xiàn)水文信息的遠(yuǎn)程實(shí)時同步動態(tài)監(jiān)測有重要意義。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，我國信息化進(jìn)程不斷推進(jìn)，各行各業(yè)對信息化要求也越來越高，在對信息化的認(rèn)識上，從先前單純的數(shù)字化提升到數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化、無線化相統(tǒng)一的高度。相對于目前信息化的要求，原有的有線系統(tǒng)雖然基本完成了數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，但其布線復(fù)雜、維護(hù)成本高使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能大范圍地普及推廣，這對信息化的深入和發(fā)展造成了很大的限制。因此，信息化對無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的需求不斷增大。如今移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，它所提供的各項數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使許多智能設(shè)備、儀表實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。GPRS即通用系統(tǒng)無線業(yè)務(wù)可靠性高，且收費(fèi)相對低廉。此外基于GPRS的系統(tǒng)，可以有效簡化監(jiān)測系統(tǒng)的地面設(shè)施。所以利用GPRS作為通信媒介是實(shí)現(xiàn)水文信息動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一個有效途徑。

實(shí)現(xiàn)對水文信息的大面積自動監(jiān)測需解決兩個問題：

(1)如何在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確測得水位信息;

(2)找到一種既能應(yīng)用于人煙稀少的偏僻地區(qū)，又能在人口密集、建筑條件復(fù)雜的城市進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、實(shí)時通信，且耗資少，便于推廣并進(jìn)行計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理的數(shù)據(jù)通信手段。

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)水文信息無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，可大大提高地下水動態(tài)監(jiān)測的水平和質(zhì)量，為科學(xué)、合理開發(fā)利用水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)的應(yīng)用，為城市可持續(xù)發(fā)展和減災(zāi)防災(zāi)工作提供了必要的決策支持和多元化服務(wù)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過程

該系統(tǒng)利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的單片機(jī)控制技術(shù)和GPRS無線模塊的通信為核心，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理，傳至監(jiān)測中心用戶終端，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)分為智能信息采集終端、信息綜合服務(wù)器和用戶終端三個部分。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中的智能信息采集終端由單片機(jī)、GPRS無線模塊、傳感器、變送器等部分組成，主要負(fù)責(zé)采集水位信息，并將其發(fā)送至信息綜合服務(wù)器;信息綜合服務(wù)器主要分為數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、控制管理、終端處理三個模塊，用來對數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、存儲和顯示;用戶終端包括計算機(jī)用戶終端和GPRS手機(jī)用戶終端兩種。使用計算機(jī)終端的用戶需在計算機(jī)上安裝終端應(yīng)用程序，然后可上網(wǎng)查閱存放在信息綜合服務(wù)器中的詳細(xì)水位資料;手機(jī)用戶在獲得授權(quán)后，可通過手機(jī)得到實(shí)時的水文信息。

系統(tǒng)的工作過程如下：信息采集終端采集現(xiàn)場水位數(shù)據(jù)，利用傳感器和變送器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，通過單片機(jī)的主控程序和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)經(jīng)GPRS調(diào)制解調(diào)器(GPRS Modem)以短消息的方式發(fā)送出去。信息綜合服務(wù)器接收到采集終端傳來的由數(shù)據(jù)編碼的短消息后，處理得到水位高程及相關(guān)信息，并將其存入數(shù)據(jù)庫方便用戶查閱。一旦用戶有需要，便可啟動收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)庫中水位信息及相關(guān)信息將會發(fā)送到用戶終端。

系統(tǒng)的基本功能如下：

(1)定時自動采集水位數(shù)據(jù)并存儲;

(2)人工錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的編輯與修改;

(3)對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并制表繪圖;

(4)利用計算機(jī)及專用軟件，通過GPRS系統(tǒng)提供的手機(jī)短信功能對觀測子站直接進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試和監(jiān)測;

(5)能進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2 智能信息采集終端的設(shè)計

2.1 智能信息采集終端硬件

智能信息采集終端硬件主要由液位變送器、溫度變送器、連接電纜和水文信息智能監(jiān)測儀等構(gòu)成，如圖2所示。設(shè)計采用防腐性投入式液位變送器和鉑電阻溫度變送器。變送器前端采用不銹鋼外殼用來防止觀測井內(nèi)水中雜質(zhì)的干擾。連接電纜是指變送器與水文信息智能監(jiān)測儀之間連接的電纜。由于液位測量時采用壓力比較形式，故連接電纜采用中心有通氣導(dǎo)管的專用電纜。水文信息智能監(jiān)測儀以單片機(jī)為核心，配合模數(shù)轉(zhuǎn)換、時鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、后備電源等部分。

觀測子站工作原理如下：利用分散設(shè)置在觀測點(diǎn)的液位、溫度變送器將測量得到液位、溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號。系統(tǒng)采用4～20 mA電流信號傳輸方式將信號送入信息采集終端模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，以減少信號的衰減和接線的復(fù)雜性，再經(jīng)單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)存儲部分使用大容量存儲芯片存儲處理后的數(shù)據(jù)。日歷時鐘具有實(shí)時時鐘計數(shù)功能還能為監(jiān)測儀提供準(zhǔn)確的日期及時鐘信號。數(shù)據(jù)顯示部分現(xiàn)場顯示出實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。最后經(jīng)由數(shù)據(jù)通信模塊利用其內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測儀與各級水務(wù)部門中心監(jiān)測站的計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。后備電源部分能在市電無法正常提供的時候保證監(jiān)測儀的正常使用，且后備電源能與市電自動切換。

2.2 智能信息采集終端軟件

濾波能將信號中特定波段頻率濾除，是抑制和防止干擾的一項重要措施，基于數(shù)字濾波具有精度高、可靠性強(qiáng)、可程控改變特性和便于集成等優(yōu)點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)利用程序用數(shù)字濾波來提高水位采樣信號的真實(shí)度。測量水位時，江河、湖泊和水庫等的波浪沖擊可能引起采樣信號產(chǎn)生瞬時、幅值較大的脈沖干擾，而一旦在采樣時刻出現(xiàn)這種干擾，系統(tǒng)就無法正常工作，所以對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波十分必要。智能信息采集終端采用中值濾波法，即從采樣窗口取出奇數(shù)個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，用排序后的中值取代要處理的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件的程序中安排了“冗余指令”可在PC因干擾出錯，程序脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”時使程序迅速進(jìn)入正軌，還安排了“軟件陷阱”可在亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)無法用冗余指令使程序入軌時發(fā)揮作用。數(shù)據(jù)采集分機(jī)軟件包括主程序和數(shù)據(jù)傳送子程序。數(shù)據(jù)傳送子程序流程如圖3所示。

智能信息采集終端軟件，使用C++語言編寫，利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的編程架構(gòu)，以構(gòu)件的形式搭建應(yīng)用軟件的主要功能部件，以提高系統(tǒng)的可視性，也便于數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)交換。利用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫保存及處理數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。

3 信息綜合服務(wù)器程序的設(shè)計

水文遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由中心監(jiān)測站和現(xiàn)場觀測子站組成，分為兩級聯(lián)網(wǎng)。由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與存儲、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)庫管理，如圖4所示。水文信息遙測管理系統(tǒng)使用C++語言編寫，完成了由上到下的模塊式總體設(shè)計。系統(tǒng)集合了水位信息的實(shí)時采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲及管理功能，構(gòu)成了一個一體化的綜合信息平臺。通過無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實(shí)時獲取監(jiān)測點(diǎn)的水資源信息，按照日、月、年，分不同時段將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并繪制曲線(見圖5)與直方圖對比分析數(shù)據(jù)，最終將結(jié)果顯示給用戶，并能依照用戶需求自動生成報表。上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)功能主要由信息綜合管理模塊、實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊、水資源決策支持系統(tǒng)、輸出模塊及其他輔助功能組構(gòu)成。

3.1 實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊

實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和串口通信技術(shù)采集數(shù)據(jù)信息，能隨時監(jiān)控監(jiān)測點(diǎn)的運(yùn)行情況，實(shí)時采集水位、水溫數(shù)據(jù)。監(jiān)測點(diǎn)的水位、水溫傳感器將水位、水溫這兩個物理量信息轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸至測報儀，經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并儲存。需要水資源信息時，用戶終端可以依據(jù)指定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)送至與之相連的Modem即調(diào)制解調(diào)器，再利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)出。監(jiān)測中心的Modem收到短信后，經(jīng)串口將收到的數(shù)據(jù)傳至與之相連的上位PC機(jī)。當(dāng)監(jiān)測中心需要采集實(shí)時數(shù)據(jù)時，可以經(jīng)由遙測管理系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集模塊向監(jiān)測站發(fā)送信息。

3.2 水資源決策支持系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用信息融合技術(shù)對多個傳感器的觀測信息進(jìn)行分析、綜合處理，根據(jù)采集到的信息，在水資源數(shù)據(jù)庫中查找并計算出每個測點(diǎn)每個年月水位的最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)建立模型，結(jié)合當(dāng)時的水環(huán)境情況、區(qū)域發(fā)展的現(xiàn)狀、總體規(guī)劃的要求，結(jié)合模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和全面分析。

3.3 輸出模塊

在此部分用戶可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel或Word中進(jìn)行查閱或做進(jìn)一步處理，根據(jù)各自需求的格式自動生成電子報表，有一日報、三日報和五日報三種，并可通過打印機(jī)打印出來。

4 系統(tǒng)的功能擴(kuò)展及創(chuàng)新點(diǎn)

目前該系統(tǒng)只用來監(jiān)測水位，但其監(jiān)測終端提供了多路模擬量輸入接口，可實(shí)現(xiàn)多路信號的同時接入。即在監(jiān)測水位的同時，對水溫、流速等進(jìn)行測量。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時不受環(huán)境條件的限制，不但能用于水位的遠(yuǎn)程監(jiān)測，還能對水庫堤壩、江河水渠、

蓄水池等的水位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)符合監(jiān)測領(lǐng)域中GPRS技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相互結(jié)合的發(fā)展趨勢，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，應(yīng)用前景廣。

5 結(jié)語

隨著信息化進(jìn)程，水文信息監(jiān)測系統(tǒng)趨向網(wǎng)絡(luò)化科技化發(fā)展，要求水文信息的獲取更加精準(zhǔn)及時，水文觀測項目和內(nèi)容也不斷增加，對觀測手段和方法及水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來越高的要求。本文設(shè)計的基于GPRS的水文信息無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，基于CPRS網(wǎng)絡(luò)(在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來實(shí)現(xiàn))，利用短消息方式，進(jìn)行單片機(jī)模塊開發(fā)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)與GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，改變了以往有線的局限，能夠?qū)崿F(xiàn)水文站的無人值守功能，改變以往人工監(jiān)測造成的低準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，不受地理位置限制，通信費(fèi)用低，數(shù)據(jù)實(shí)時在線，可廣泛用于地質(zhì)，水文等領(lǐng)域，能應(yīng)用于交通不便、沒有電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)，具有較高的應(yīng)用與推廣價值。