基于GPRS的水文信息無(wú)線(xiàn)遠程監測系統

摘要：研究設計了一種基于單片機與GPRS網(wǎng)絡(luò )的水文信息遠程監測管理系統，利用GPRS網(wǎng)絡(luò )的短消息業(yè)務(wù)來(lái)完成水位、溫度等參數的無(wú)線(xiàn)、遠程和實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現測量結果的計算機管理，測量精度高。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明，系統具有較高的穩定性與實(shí)用性，從而為科學(xué)開(kāi)發(fā)和合理利用地下水資源、有效地預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。

0 引言

水文信息是衡量水資源的重要指標，其中地下水位的變化與地下水的開(kāi)采量和地面沉降有著(zhù)密切的關(guān)系，對控制地面沉降具有重要的意義。傳統的水文監測主要依靠人工、半人工的監測手段，造成了工作量大、效率低、數據處理繁雜易錯、信息傳輸時(shí)效性差等問(wèn)題，既不適應信息化的發(fā)展，又不能滿(mǎn)足現代化管理的需要。而且勞動(dòng)強度也很大，測量精度無(wú)法保障，尤其是監測一些地理位置比較偏遠或分散的監測點(diǎn)，工作難度更大。為了合理利用水資源，充分了解各個(gè)流域水資源的狀況，實(shí)現水文信息的自動(dòng)化監測及遠程管理，合理利用計算機技術(shù)、高精度的測量?jì)x器、公眾通信平臺等工具，對實(shí)現水文信息的遠程實(shí)時(shí)同步動(dòng)態(tài)監測有重要意義。

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)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(lái)越高，在對信息化的認識上，從先前單純的數字化提升到數字化與網(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化相統一的高度。相對于目前信息化的要求，原有的有線(xiàn)系統雖然基本完成了數字化與網(wǎng)絡(luò )化，但其布線(xiàn)復雜、維護成本高使得網(wǎng)絡(luò )節點(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(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)的需求不斷增大。如今移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣，它所提供的各項數據業(yè)務(wù)使許多智能設備、儀表實(shí)現了無(wú)線(xiàn)數據的遠程傳輸。GPRS即通用系統無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)可靠性高，且收費相對低廉。此外基于GPRS的系統，可以有效簡(jiǎn)化監測系統的地面設施。所以利用GPRS作為通信媒介是實(shí)現水文信息動(dòng)態(tài)監測系統的一個(gè)有效途徑。

實(shí)現對水文信息的大面積自動(dòng)監測需解決兩個(gè)問(wèn)題：

(1)如何在惡劣環(huán)境下準確測得水位信息;

(2)找到一種既能應用于人煙稀少的偏僻地區，又能在人口密集、建筑條件復雜的城市進(jìn)行數據遠程、實(shí)時(shí)通信，且耗資少，便于推廣并進(jìn)行計算機網(wǎng)絡(luò )化管理的數據通信手段。

基于GPRS網(wǎng)絡(luò )水文信息無(wú)線(xiàn)遠程監測系統可實(shí)現自動(dòng)化監測，可大大提高地下水動(dòng)態(tài)監測的水平和質(zhì)量，為科學(xué)、合理開(kāi)發(fā)利用水資源，保護生態(tài)環(huán)境奠定扎實(shí)的基礎。通過(guò)系統的應用，為城市可持續發(fā)展和減災防災工作提供了必要的決策支持和多元化服務(wù)。

1 系統的總體結構及工作過(guò)程

該系統利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的單片機控制技術(shù)和GPRS無(wú)線(xiàn)模塊的通信為核心，經(jīng)數據采集、處理，傳至監測中心用戶(hù)終端，實(shí)現水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測。系統分為智能信息采集終端、信息綜合服務(wù)器和用戶(hù)終端三個(gè)部分。

系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1中的智能信息采集終端由單片機、GPRS無(wú)線(xiàn)模塊、傳感器、變送器等部分組成，主要負責采集水位信息，并將其發(fā)送至信息綜合服務(wù)器;信息綜合服務(wù)器主要分為數據接收和發(fā)送、控制管理、終端處理三個(gè)模塊，用來(lái)對數據進(jìn)行接收、處理、存儲和顯示;用戶(hù)終端包括計算機用戶(hù)終端和GPRS手機用戶(hù)終端兩種。使用計算機終端的用戶(hù)需在計算機上安裝終端應用程序，然后可上網(wǎng)查閱存放在信息綜合服務(wù)器中的詳細水位資料;手機用戶(hù)在獲得授權后，可通過(guò)手機得到實(shí)時(shí)的水文信息。

系統的工作過(guò)程如下：信息采集終端采集現場(chǎng)水位數據，利用傳感器和變送器將數據轉換成標準信號，再經(jīng)由模數轉換器(A/D)轉成數字信號，通過(guò)單片機的主控程序和發(fā)送數據子程序將采集到的數據經(jīng)GPRS調制解調器(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(lái)的由數據編碼的短消息后，處理得到水位高程及相關(guān)信息，并將其存入數據庫方便用戶(hù)查閱。一旦用戶(hù)有需要，便可啟動(dòng)收發(fā)模塊，數據庫中水位信息及相關(guān)信息將會(huì )發(fā)送到用戶(hù)終端。

系統的基本功能如下：

(1)定時(shí)自動(dòng)采集水位數據并存儲;

(2)人工錄入基礎數據及相關(guān)數據的編輯與修改;

(3)對所采集數據進(jìn)行統計分析并制表繪圖;

(4)利用計算機及專(zhuān)用軟件，通過(guò)GPRS系統提供的手機短信功能對觀(guān)測子站直接進(jìn)行設置、調試和監測;

(5)能進(jìn)行數據遠程傳輸。

2 智能信息采集終端的設計

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測儀等構成，如圖2所示。設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(lái)防止觀(guān)測井內水中雜質(zhì)的干擾。連接電纜是指變送器與水文信息智能監測儀之間連接的電纜。由于液位測量時(shí)采用壓力比較形式，故連接電纜采用中心有通氣導管的專(zhuān)用電纜。水文信息智能監測儀以單片機為核心，配合模數轉換、時(shí)鐘芯片、數據存儲、數據顯示、后備電源等部分。

觀(guān)測子站工作原理如下：利用分散設置在觀(guān)測點(diǎn)的液位、溫度變送器將測量得到液位、溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號。系統采用4～20 mA電流信號傳輸方式將信號送入信息采集終端模數轉換部分將模擬信號轉成數字信號，以減少信號的衰減和接線(xiàn)的復雜性，再經(jīng)單片機將轉換后的數字信號進(jìn)行分析處理。數據存儲部分使用大容量存儲芯片存儲處理后的數據。日歷時(shí)鐘具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘計數功能還能為監測儀提供準確的日期及時(shí)鐘信號。數據顯示部分現場(chǎng)顯示出實(shí)時(shí)監測數據。最后經(jīng)由數據通信模塊利用其內置的調制解調器，實(shí)現現場(chǎng)監測儀與各級水務(wù)部門(mén)中心監測站的計算機之間的數據交換。后備電源部分能在市電無(wú)法正常提供的時(shí)候保證監測儀的正常使用，且后備電源能與市電自動(dòng)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，基于數字濾波具有精度高、可靠性強、可程控改變特性和便于集成等優(yōu)點(diǎn)考慮。本系統利用程序用數字濾波來(lái)提高水位采樣信號的真實(shí)度。測量水位時(shí)，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(shí)、幅值較大的脈沖干擾，而一旦在采樣時(shí)刻出現這種干擾，系統就無(wú)法正常工作，所以對采樣數據進(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個(gè)數據進(jìn)行排序，用排序后的中值取代要處理的數據。系統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“亂飛”時(shí)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)入非程序區或表格區無(wú)法用冗余指令使程序入軌時(shí)發(fā)揮作用。數據采集分機軟件包括主程序和數據傳送子程序。數據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(yǔ)言編寫(xiě)，利用面向對象程序設計的編程架構，以構件的形式搭建應用軟件的主要功能部件，以提高系統的可視性，也便于數據匯總和數據交換。利用Microsoft Access數據庫保存及處理數據，提高系統的可靠性和運行效率。

3 信息綜合服務(wù)器程序的設計

水文遠程監測網(wǎng)絡(luò )系統主要由中心監測站和現場(chǎng)觀(guān)測子站組成，分為兩級聯(lián)網(wǎng)。由三個(gè)環(huán)節構成：現場(chǎng)數據采集與存儲、遠程數據傳輸、數據分析與數據庫管理，如圖4所示。水文信息遙測管理系統使用C++語(yǔ)言編寫(xiě)，完成了由上到下的模塊式總體設計。系統集合了水位信息的實(shí)時(shí)采集、預處理、數據存儲及管理功能，構成了一個(gè)一體化的綜合信息平臺。通過(guò)無(wú)線(xiàn)遠程傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取監測點(diǎn)的水資源信息，按照日、月、年，分不同時(shí)段將數據存入數據庫，并繪制曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)與直方圖對比分析數據，最終將結果顯示給用戶(hù)，并能依照用戶(hù)需求自動(dòng)生成報表。上位機軟件管理系統功能主要由信息綜合管理模塊、實(shí)時(shí)遠程監測模塊、水資源決策支持系統、輸出模塊及其他輔助功能組構成。

3.1 實(shí)時(shí)遠程監測模塊

實(shí)時(shí)遠程監測系統采用無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)和串口通信技術(shù)采集數據信息，能隨時(shí)監控監測點(diǎn)的運行情況，實(shí)時(shí)采集水位、水溫數據。監測點(diǎn)的水位、水溫傳感器將水位、水溫這兩個(gè)物理量信息轉換成模擬電信號傳輸至測報儀，經(jīng)A/D將模擬信號轉換成數字信號進(jìn)行數據處理，并儲存。需要水資源信息時(shí)，用戶(hù)終端可以依據指定的通信協(xié)議將數據送至與之相連的Modem即調制解調器，再利用GPRS網(wǎng)絡(luò )將數據以短信形式發(fā)出。監測中心的Modem收到短信后，經(jīng)串口將收到的數據傳至與之相連的上位PC機。當監測中心需要采集實(shí)時(shí)數據時(shí)，可以經(jīng)由遙測管理系統的實(shí)時(shí)數據采集模塊向監測站發(fā)送信息。

3.2 水資源決策支持系統

該系統采用信息融合技術(shù)對多個(gè)傳感器的觀(guān)測信息進(jìn)行分析、綜合處理，根據采集到的信息，在水資源數據庫中查找并計算出每個(gè)測點(diǎn)每個(gè)年月水位的最大值、最小值、平均值等數據建立模型，結合當時(shí)的水環(huán)境情況、區域發(fā)展的現狀、總體規劃的要求，結合模型對數據進(jìn)行綜合處理和全面分析。

3.3 輸出模塊

在此部分用戶(hù)可將數據導入到Excel或Word中進(jìn)行查閱或做進(jìn)一步處理，根據各自需求的格式自動(dòng)生成電子報表，有一日報、三日報和五日報三種，并可通過(guò)打印機打印出來(lái)。

4 系統的功能擴展及創(chuàng )新點(diǎn)

目前該系統只用來(lái)監測水位，但其監測終端提供了多路模擬量輸入接口，可實(shí)現多路信號的同時(shí)接入。即在監測水位的同時(shí)，對水溫、流速等進(jìn)行測量。系統能夠實(shí)現數據的遠程傳輸，同時(shí)不受環(huán)境條件的限制，不但能用于水位的遠程監測，還能對水庫堤壩、江河水渠、

蓄水池等的水位進(jìn)行遠程監測。系統符合監測領(lǐng)域中GPRS技術(shù)、嵌入式系統技術(shù)相互結合的發(fā)展趨勢，使用方便，結構簡(jiǎn)單，操作容易，應用前景廣。

5 結語(yǔ)

隨著(zhù)信息化進(jìn)程，水文信息監測系統趨向網(wǎng)絡(luò )化科技化發(fā)展，要求水文信息的獲取更加精準及時(shí)，水文觀(guān)測項目和內容也不斷增加，對觀(guān)測手段和方法及水文監測技術(shù)的研發(fā)和應用提出了越來(lái)越高的要求。本文設計的基于GPRS的水文信息無(wú)線(xiàn)遠程監測系統，基于CPRS網(wǎng)絡(luò )(在現有的GSM網(wǎng)絡(luò )中增加GGSN和SGSN來(lái)實(shí)現)，利用短消息方式，進(jìn)行單片機模塊開(kāi)發(fā)的遠程數據采集系統。將遠距離采集數據與GPRS無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)相結合，改變了以往有線(xiàn)的局限，能夠實(shí)現水文站的無(wú)人值守功能，改變以往人工監測造成的低準確性。系統的結構簡(jiǎn)單，易于擴展，網(wǎng)絡(luò )覆蓋廣，不受地理位置限制，通信費用低，數據實(shí)時(shí)在線(xiàn)，可廣泛用于地質(zhì)，水文等領(lǐng)域，能應用于交通不便、沒(méi)有電力的偏遠地區，具有較高的應用與推廣價(jià)值。