基于AVR和GPRS的遠程水情監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：設計了一種基于AVR和無線技術的水情監(jiān)控系統(tǒng)，簡要介紹了監(jiān)控系統(tǒng)的各個組成部分的功能要求、設計要求以及關鍵設備硬件設計。采用先進的科學技術實現(xiàn)對水情數(shù)據(jù)的監(jiān)測、遠程實時傳輸及整編處理，是實現(xiàn)水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動化管理水平的有效手段。本系統(tǒng)具有硬件電路簡單可靠，數(shù)據(jù)采集準確便捷，對水情監(jiān)測提供了幫助。

關鍵詞：水情監(jiān)控;無線技術;AVR單片機;雨量計

為了提高我國水資源的管理水平，更好地監(jiān)控水利工程的安全運行，最大限度地合理利用水資源，提高水資源的利用率，充分發(fā)揮工程效益，興建該監(jiān)控自動化系統(tǒng)，可有效地改善管理人員的工作條件和減輕其勞動強度。遠程水情監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的科學技術實現(xiàn)對水情數(shù)據(jù)的監(jiān)測、遠程實時傳輸及整編處理，是實現(xiàn)水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動化管理水平的有效手段。針對我國水資源自動

化監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，與時俱進，基于無線通信方式，設計了適用于水利工程的無線分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)需求分析

該系統(tǒng)的設計旨在為各個水利部門在實施水利管理和調(diào)度提供有力的決策和參考依據(jù)，最終達到充分合理的利用現(xiàn)有水資源和防洪抗旱的目的。要實現(xiàn)系統(tǒng)的全程自動化，主要包括以下幾個方面：

1)數(shù)據(jù)采集自動化：能夠通過設計合適的工作機制，實現(xiàn)水利部門需要的各項數(shù)據(jù)的自動采集，并按照一定的方式存儲;

2)數(shù)據(jù)處理自動化：采集到的數(shù)據(jù)能夠按照事先設置的方式由系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)化為特定的形式并完成存儲;

3)控制自動化：能夠根據(jù)上位機發(fā)來的閘門控制命令，自動的控制閘門完成水位調(diào)節(jié)，直至達到開度值為止。

2 系統(tǒng)關鍵設備的功能要求

系統(tǒng)總體由硬件和軟件構成，硬件方面包括現(xiàn)場測控模塊、監(jiān)控終端和監(jiān)控計算機等。軟件方面主要是指信息管理系統(tǒng)、水資源調(diào)度系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)以及配合硬件部分實現(xiàn)功能的軟件等。系統(tǒng)中的關鍵設備為測控模塊和監(jiān)控終端，下面就它們的功能要求介紹如下。

2.1 現(xiàn)場測控模塊

隨著傳感器技術逐步走向智能化，其內(nèi)部的硬件功能更加強大。自帶的微處理器可以直接把采集到的數(shù)據(jù)參量轉(zhuǎn)化為可用于傳輸?shù)臄?shù)字化信號，同時存貯于微處理器內(nèi)部。目前水文數(shù)據(jù)的自動觀測已經(jīng)實現(xiàn)，水文站也改為以無人值守、巡測方式為主的工作方式，實現(xiàn)了信息從采集至傳輸?shù)娜套詣踊?/p>

現(xiàn)場測控模塊包括傳感器、單片機、控制電路和無線傳輸模塊組成。該單元的具體功能如下：

1)數(shù)據(jù)采集：用于數(shù)據(jù)采集的傳感器將安設于觀測場的適當位置，根據(jù)設定的觀測參數(shù)，定時或按指令完成監(jiān)測點信息的測量，同時將采集到的信號連接至單片機的信號處理接口，同時整個采集過程必須控制在20 min以內(nèi)。

2)設備控制：接收監(jiān)控終端發(fā)來的控制命令，執(zhí)行相應的操作。

3)數(shù)據(jù)傳送：根據(jù)監(jiān)控終端發(fā)出的指令，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)依據(jù)相應的通信協(xié)議，傳送到終端節(jié)點。

2.2 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端作為系統(tǒng)的脊梁，在實現(xiàn)硬件設計的同時，按照本系統(tǒng)設計的通信方案，完成現(xiàn)場測控模塊的數(shù)據(jù)采集和閘門的啟閉控制。經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，每隔一定的時間間隔，通過GPRS移動通信網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C，保證與上位機間的雙向通訊。主要技術指標包括以下幾個方面：

1)實時監(jiān)測：對于閘位值實時巡測，指定監(jiān)控點降雨量監(jiān)測;

2)實時控制：能按照當前的運行控制方式和預定的決策參數(shù)進行控制調(diào)節(jié)，以滿足閘門的實時控制要求。

3)信號采集處理：負責識別各個從節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并將其臨時存貯。同時進行水位檢查，如果當前水位超限，進行信息上報;

4)數(shù)據(jù)顯示：實現(xiàn)監(jiān)控終端的LCD顯示屏，能顯示所采集到的信息以及設備狀態(tài);

5)電源管理：對于蓄電池供電的節(jié)點，為保證系統(tǒng)運行，值守狀態(tài)下，不進行任何操作的電路應處于休眠狀態(tài)，除實時鐘部件和低功耗紙板電路;

6)數(shù)據(jù)通信：與上位機進行連接，獲取各種命令，定時與測控節(jié)點進行通信，實現(xiàn)命令的發(fā)布和獲取命令的響應信息。

3 系統(tǒng)設計總原則

原型觀測是把握系統(tǒng)運行性態(tài)、安全系數(shù)的主要手段，同時可以檢驗系統(tǒng)設計的合理性和控制水情變化在可操作范圍之內(nèi)。本系統(tǒng)借助自動化控制技術實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，更加實時、精確、有效地評估水資源的管理狀況。系統(tǒng)的設計原則如下：

1)可靠性原則

監(jiān)控系統(tǒng)中，各測控點數(shù)據(jù)實時有效的采集，監(jiān)控終端收集數(shù)據(jù)并可以準確地發(fā)布控制指令無疑是系統(tǒng)的核心，這就要求系統(tǒng)硬件具有可靠性較高的數(shù)據(jù)采集和控制能力，并采用有效的通訊方式，系統(tǒng)軟件必須可以及時準確的對數(shù)據(jù)進行分析處理。我們在終端與測控單元的通信系統(tǒng)中選用了半雙工無線通信模塊作為網(wǎng)絡的物理層結構，自主開發(fā)了適宜于數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，實現(xiàn)了一站多點測試功能。

2)低功耗原則

考慮監(jiān)控系統(tǒng)野外使用環(huán)境，測控節(jié)點的能耗必須盡量減少。由于水情信息大部分屬于慢變化類型，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量又很少，而通信設備往往耗電很大，故可以僅當需要其工作時才予以供電，工作結束后立即切斷電源。因此測控模塊應具備休眠功能設計，在不采集數(shù)據(jù)和通信時可以下電，盡量降低測控模塊的功耗。

3)可擴展性原則

為實現(xiàn)系統(tǒng)靈活擴展性應采用模塊化設計方法，復雜的功能依靠若干模塊的組合來完成，每個模塊僅具有簡單的功能。傳感器接口和通信接口擴展能力是最主要的兩個指標，可以通過增加串行接口實現(xiàn)。在具體設計電路時也應該留有余地，便于以后修改。

4)經(jīng)濟性原則

在滿足功能需求的前提下，系統(tǒng)越簡單，價格也越便宜。一個好的測控模塊或監(jiān)控終端在經(jīng)濟上一定要是最合理的，而不一定是最先進最復雜的。因此設計時要考慮性價比，功能模板的MCU應選用通用型號以滿足經(jīng)濟性的要求，元器件的選型也應兼顧可靠性同時兼顧經(jīng)濟性。

4 系統(tǒng)結構總體設計

考慮到系統(tǒng)的工作環(huán)境以及用于采集水位、雨量和閘位等信息的傳感器距離都不遠，容易置于同一無線節(jié)點的輻射區(qū)域內(nèi)。因此從實際應用出發(fā)，系統(tǒng)采用點對多點的系統(tǒng)結構。系統(tǒng)由3部分組成：上位機、監(jiān)控終端(主節(jié)點)和現(xiàn)場測控模塊(從節(jié)點)。系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

上位機負責連接各個監(jiān)控終端，并將由管理員設置的各種采集命令轉(zhuǎn)化為監(jiān)控終端可以接受的形式發(fā)送至監(jiān)控終端，并能識別由監(jiān)控終端傳來的響應信號，如果是數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給入庫處理部分;如果是響應報文，就將其傳送給界面處理部分。同時該部分還需要記錄操作日志，對管理員進行的各項操作以及采集過程中發(fā)生的各種異常事件進行記錄，供管理員以后查詢。

監(jiān)控終端主要負責定時與中心站進行連接，并能識別其傳來的各種命令，根據(jù)命令進行響應操作。如果是數(shù)據(jù)采集命令，將數(shù)據(jù)封裝成規(guī)定格式，發(fā)送給上位機;如果是操作命令，就進行相應操作，在操作完成之后，并將操作的結果返回給上位機。

測控模塊負責識別各類傳感器的信號，采集并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)形式，并能臨時存儲。同時根據(jù)本系統(tǒng)設計的通信協(xié)議，接收監(jiān)控終端發(fā)來的命令，完成數(shù)據(jù)傳輸或閘門電路啟閉控制。

5 系統(tǒng)關鍵設備的硬件設計

本系統(tǒng)是軟硬件的綜合體，設計中注重軟硬件的功能分配。系統(tǒng)中的關鍵設備是指現(xiàn)場測控模塊(從節(jié)點)和監(jiān)控終端(主節(jié)點)，主要包含數(shù)據(jù)采集單元、閘門控制電路、電源、無線收發(fā)單元以及其它外圍電路。系統(tǒng)采用分層的設計結構，底層控制電路由AVR單片機負責，主要實現(xiàn)對從節(jié)點以及閘門啟閉電路的控制，并負責與上位機進行通訊。根據(jù)各部分的功能要求。

5.1 從節(jié)點硬件設計

從節(jié)點主要包括4個部分：數(shù)據(jù)采集單元(傳感器)、控制單元(繼電器電路)、數(shù)據(jù)傳輸單元(SI4431PA)和實時時鐘，如圖2所示。

5.1.1 數(shù)據(jù)采集單元

傳感器作為信息采集的主力軍，擔任著對水情和閘位多方面的參數(shù)測量。主要的傳感器有水位計、雨量計和閘位傳感器。測點的環(huán)境一般情況下很惡劣，傳感器會被暴露在水中或大氣中，因此必須能夠有很強的環(huán)境適應能力和易維護特性。

1)雨量傳感器

系統(tǒng)選用DY1090A型翻斗式雨量計，主要由簡身、底座和內(nèi)部翻斗3部分構成。雨量分辨率為1 mm，測量準確度為±3%，觸點接觸次數(shù)可達107次。工作原理為：降水進入筒身上部的承雨口首先經(jīng)過防蟲網(wǎng)過濾并清除污物，接著進入翻斗。當翻斗內(nèi)的水量達到規(guī)定量時，翻斗立即自行翻轉(zhuǎn)。在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中，磁鋼和干簧管會發(fā)生相對運動，從而使得干簧管接點處的狀態(tài)改變，輸出電信號。輸出的是干簧管機械接觸的通斷狀態(tài)，接出的兩根連接線組成開關量輸出。干簧管通斷信號一次代表翻斗翻轉(zhuǎn)一次，即代表一個分辨率的雨量。雨量傳感器本身輸出為開關信號，連接至單片的引腳，利用計數(shù)器統(tǒng)計低電平次數(shù)，當然在每次讀取后應及時復位該芯片。翻斗式雨量計本身是無需電源供電便能工作的，由于在使用時要產(chǎn)生、處理和接收信號，因此仍需外部電源，但是可以跟系統(tǒng)其它設備共用電源。

2)水位/閘位傳感器

進行水位自動測量時，傳統(tǒng)的用于人工觀讀的水尺和浮子式自記水位計已不能勝任，因為它們的水位輸出不能接入自動化測量設備。現(xiàn)有的遙測水位計的感應方式主要有浮子式、壓力式或是非接觸式等。本系統(tǒng)選用南京水利水文自動化研究所研制的WFH-2型水位傳感器。WFH-2型水位計水位分辨率為1 cm，結構簡單、精度高、穩(wěn)定性同時價格較便宜，更重要的是它是無源的，不易受外界干擾，無掉電、雷擊危險，長期準確運行時不需要特別的維護。其工作原理是：在水位測站水位計井臺的測井中，安裝一個浮子，作為水位感測元件。水位發(fā)生變化時，浮子靈敏地響應水位變化并作相應的漲落運動，同時把此水位漲落的直線運動借助懸索傳遞給水位輪，使水位輪產(chǎn)生圓周運動，并準確地將直線位移換為相應的角位移量。水位輪樞軸就是軸角編碼器輸入軸，因此，當水位旋轉(zhuǎn)的同時，軸角編碼器已將水位模擬量A轉(zhuǎn)換，并編碼成相應的數(shù)字編碼D。

5.1.2 單片機

單片機作為節(jié)點內(nèi)部的控制中心，主要負責節(jié)點的數(shù)據(jù)采集以及閘門啟閉控制。因此，MCU必須考慮指令執(zhí)行速度、功率消耗、強大的外圍電路和可用存儲空間等因素。

綜合節(jié)點設計要求，對于MCU的主要要求為：1)由于系統(tǒng)是建立是實時采集的基礎上，因此對于單片機的處理速度要求比較高;2)系統(tǒng)采用周期性休眠喚醒的工作調(diào)度方式，而大部分時間來講，節(jié)點是處于休眠狀態(tài)的，因此對于睡眠模式的功耗盡量要低;3)節(jié)點供電方式為蓄電池供電，因此芯片功耗應盡可能低。

本系統(tǒng)選用Atmega169L，電源管理方面，Atmega169L采用3.3 V供電電壓，已具備基本低功耗要求，對于典型功耗情況，WDT關閉時為100hA，適用于電池供電的應用設備。Atmega169L單片機以時鐘周期為指令周期，16 MHz時性能可達16MIPS。單片機的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反復燒寫、支持在ISP在線編程(燒寫);片內(nèi)集成多種功能電路，電路設計非常簡單;單片機具有休眠省電功能(POWERDOWN)及閑置(IDLE)低功耗功能，一般耗電在1～2.5 mA，電源抗干擾性強，可降低一般8位機中軟件抗干擾的設計工作量和硬件的使用量。本系統(tǒng)主要用到功能包括SPI、USART、中斷、定時器/計數(shù)器等。

5.2 主節(jié)點硬件設計

監(jiān)控終端針對分布距離遠且分散的系統(tǒng)，承載著數(shù)據(jù)接收、存儲和通信控制等任務。傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量經(jīng)無線收發(fā)模塊發(fā)送后，進入監(jiān)控終端MCU的數(shù)字量輸入口。其主要由AVR微處理器、無線收發(fā)模塊、GPRS模塊、顯示模塊、時鐘模塊等構成，由無線收發(fā)模塊采集到各監(jiān)測點的無線電信號后，輸送到AVR微處理器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信息，經(jīng)GPRS模塊發(fā)射到監(jiān)控中心;監(jiān)控中心發(fā)來的控制信號由GPRS模塊接收，傳送到AVR微處理器轉(zhuǎn)化成相應的數(shù)字信號，監(jiān)控終端再將這些命令傳送至從節(jié)點，完成取數(shù)或設備控制的操作。可實現(xiàn)連續(xù)不間斷地對監(jiān)控對象實時遠程監(jiān)控，適用于地理環(huán)境惡劣、無人值守的監(jiān)控環(huán)境。由于監(jiān)控終端的功能要求較高，因此在單片機選型上，選擇功能更為強大的ATmega1280，總體結構如圖3所示。

5.3 人機接口模塊

監(jiān)控系統(tǒng)中，為方便管理人員查詢已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)以及檢查設備的運行狀態(tài)，可以通過鍵盤對終端設備內(nèi)部的參數(shù)、功能等進行快速設置，再加上液晶顯示屏的數(shù)據(jù)顯示，體現(xiàn)了人機交互的友好性。

5.3.1 鍵盤

系統(tǒng)采用了簡單鍵盤進行時間調(diào)整、菜單選擇和輸入控制參數(shù)等操作，鍵值與按鍵功能對應關系為OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。由于芯片I/O口有限，系統(tǒng)將選用PCF8574作為I/O輸出的擴展芯片。PCF8574是單片的CMOS電路，具有8位準雙向口和I2C總線接口。具有功耗低，輸出鎖存，驅(qū)動能力大等特點，同時存在中斷請求線，可直接連到單片機的中斷輸入端。

5.3.2 LCD顯示

為了更直觀的看到采集到的信息，系統(tǒng)使用LCD顯示器用于顯示水位、雨量、采集時間、站號和通訊設備狀態(tài)等信息。為滿足系統(tǒng)顯示要求，專門定做了4x40的LCD顯示屏，電路設計時，使用單片通用低復用率LCD驅(qū)動器PCF8576D，它可為任何靜態(tài)或多路LCD提供驅(qū)動信號，帶電壓跟隨緩沖器的內(nèi)部LCD偏壓電路，40x4的RAM顯示數(shù)據(jù)存儲器，含有4路背電極輸出和40路段輸出，同時無需連接外部元器件，通過雙向“二線”的I2C總線與MCU進行通信，電路更加簡單。將芯片的OSC與VSS引腳相連來使用內(nèi)部振蕩，器件內(nèi)部可產(chǎn)生多路復用LCD所需的合適偏壓。最后將各種電源信號以及所選的LCD電源輸入連接好就可完成系統(tǒng)應用的連接。電路如圖4所示。

5.4 時鐘電路

RTC(實時時鐘)芯片的主要功能是對年、月、日、時、分、秒等的計時，通過外部接口為MCU系統(tǒng)提供日歷和時鐘，因此實時時鐘芯片最基本的部件應該包含;電源電路、實時時鐘、時鐘信號產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)存儲器、通信接口、控制邏輯電路等，同時大多數(shù)的實時時鐘還會提供一些額外的RAM。實時時鐘的具體結構組成如圖5所示。

5.5 GPRS通信模塊

監(jiān)控終端站數(shù)據(jù)采集結束后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心站，為確保通信鏈路的暢通，系統(tǒng)選用GPRS模塊作為通信信道。監(jiān)控終端站采用CPRS實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)通信，因此終端在配備GRRS通信模塊的同時需要開通GPRS業(yè)務的SIM卡。監(jiān)控站通信模塊上電之后，將會自動登錄到GPRS移動網(wǎng)絡，接著按照規(guī)定的撥號要求登錄GPRS移動通訊網(wǎng)絡中心CMNET，顯示登錄成功界面即表示監(jiān)控站已經(jīng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，此時就可以依照TCP/IP協(xié)議傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

一般情況下，移動公司會給各個監(jiān)控站的GPRS通信模塊分配動態(tài)的IP地址，中心站需要配置一臺能夠申請到固定IP地址的GPRS通信模塊用于接收數(shù)據(jù)，同樣也可以通過專線與移動中心進行連接。當監(jiān)控站的規(guī)模較大時，采用這種結構可以有效地減少傳輸時延。規(guī)模較小的水清測報系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸時，為減低運行費用，可以選用GPRS流量計費方式。

6 結束語

本監(jiān)控系統(tǒng)具有高可靠性、低功耗、可擴展和經(jīng)濟性的系統(tǒng)電路，使得整個系統(tǒng)的性能得到很大的提高。同時充分利用AVR單片機的強大特性，使得水情信息采集可加方便快捷，為測量結果的后期處理與水情監(jiān)測帶來了極大的便利。本系統(tǒng)已部分應用于某公司的水情監(jiān)控系統(tǒng)，實用表明，該系統(tǒng)測量準確，方便耐用，有良好的經(jīng)濟性能，達到設計要求。