基于A(yíng)VR和GPRS的遠程水情監控系統設計

摘要：設計了一種基于AVR和無(wú)線(xiàn)技術(shù)的水情監控系統，簡(jiǎn)要介紹了監控系統的各個(gè)組成部分的功能要求、設計要求以及關(guān)鍵設備硬件設計。采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)實(shí)現對水情數據的監測、遠程實(shí)時(shí)傳輸及整編處理，是實(shí)現水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動(dòng)化管理水平的有效手段。本系統具有硬件電路簡(jiǎn)單可靠，數據采集準確便捷，對水情監測提供了幫助。

關(guān)鍵詞：水情監控;無(wú)線(xiàn)技術(shù);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，興建該監控自動(dòng)化系統，可有效地改善管理人員的工作條件和減輕其勞動(dòng)強度。遠程水情監控系統采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)實(shí)現對水情數據的監測、遠程實(shí)時(shí)傳輸及整編處理，是實(shí)現水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動(dòng)化管理水平的有效手段。針對我國水資源自動(dòng)

化監控系統的發(fā)展現狀和前景，與時(shí)俱進(jìn)，基于無(wú)線(xiàn)通信方式，設計了適用于水利工程的無(wú)線(xiàn)分布式監控系統。

1 系統需求分析

該系統的設計旨在為各個(gè)水利部門(mén)在實(shí)施水利管理和調度提供有力的決策和參考依據，最終達到充分合理的利用現有水資源和防洪抗旱的目的。要實(shí)現系統的全程自動(dòng)化，主要包括以下幾個(gè)方面：

1)數據采集自動(dòng)化：能夠通過(guò)設計合適的工作機制，實(shí)現水利部門(mén)需要的各項數據的自動(dòng)采集，并按照一定的方式存儲;

2)數據處理自動(dòng)化：采集到的數據能夠按照事先設置的方式由系統自動(dòng)轉化為特定的形式并完成存儲;

3)控制自動(dòng)化：能夠根據上位機發(fā)來(lái)的閘門(mén)控制命令，自動(dòng)的控制閘門(mén)完成水位調節，直至達到開(kāi)度值為止。

2 系統關(guān)鍵設備的功能要求

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

2.1 現場(chǎng)測控模塊

隨著(zhù)傳感器技術(shù)逐步走向智能化，其內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據參量轉化為可用于傳輸的數字化信號，同時(shí)存貯于微處理器內部。目前水文數據的自動(dòng)觀(guān)測已經(jīng)實(shí)現，水文站也改為以無(wú)人值守、巡測方式為主的工作方式，實(shí)現了信息從采集至傳輸的全程自動(dòng)化。

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

1)數據采集：用于數據采集的傳感器將安設于觀(guān)測場(chǎng)的適當位置，根據設定的觀(guān)測參數，定時(shí)或按指令完成監測點(diǎn)信息的測量，同時(shí)將采集到的信號連接至單片機的信號處理接口，同時(shí)整個(gè)采集過(guò)程必須控制在20 min以?xún)取?/p>

2)設備控制：接收監控終端發(fā)來(lái)的控制命令，執行相應的操作。

3)數據傳送：根據監控終端發(fā)出的指令，將傳感器采集到的數據依據相應的通信協(xié)議，傳送到終端節點(diǎn)。

2.2 監控終端

監控終端作為系統的脊梁，在實(shí)現硬件設計的同時(shí)，按照本系統設計的通信方案，完成現場(chǎng)測控模塊的數據采集和閘門(mén)的啟閉控制。經(jīng)過(guò)處理的數據，每隔一定的時(shí)間間隔，通過(guò)GPRS移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸到上位機，保證與上位機間的雙向通訊。主要技術(shù)指標包括以下幾個(gè)方面：

1)實(shí)時(shí)監測：對于閘位值實(shí)時(shí)巡測，指定監控點(diǎn)降雨量監測;

2)實(shí)時(shí)控制：能按照當前的運行控制方式和預定的決策參數進(jìn)行控制調節，以滿(mǎn)足閘門(mén)的實(shí)時(shí)控制要求。

3)信號采集處理：負責識別各個(gè)從節點(diǎn)上傳的數據，并將其臨時(shí)存貯。同時(shí)進(jìn)行水位檢查，如果當前水位超限，進(jìn)行信息上報;

4)數據顯示：實(shí)現監控終端的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點(diǎn)，為保證系統運行，值守狀態(tài)下，不進(jìn)行任何操作的電路應處于休眠狀態(tài)，除實(shí)時(shí)鐘部件和低功耗紙板電路;

6)數據通信：與上位機進(jìn)行連接，獲取各種命令，定時(shí)與測控節點(diǎn)進(jìn)行通信，實(shí)現命令的發(fā)布和獲取命令的響應信息。

3 系統設計總原則

原型觀(guān)測是把握系統運行性態(tài)、安全系數的主要手段，同時(shí)可以檢驗系統設計的合理性和控制水情變化在可操作范圍之內。本系統借助自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現系統的遠程監控，更加實(shí)時(shí)、精確、有效地評估水資源的管理狀況。系統的設計原則如下：

1)可靠性原則

監控系統中，各測控點(diǎn)數據實(shí)時(shí)有效的采集，監控終端收集數據并可以準確地發(fā)布控制指令無(wú)疑是系統的核心，這就要求系統硬件具有可靠性較高的數據采集和控制能力，并采用有效的通訊方式，系統軟件必須可以及時(shí)準確的對數據進(jìn)行分析處理。我們在終端與測控單元的通信系統中選用了半雙工無(wú)線(xiàn)通信模塊作為網(wǎng)絡(luò )的物理層結構，自主開(kāi)發(fā)了適宜于數據傳輸的通信協(xié)議，實(shí)現了一站多點(diǎn)測試功能。

2)低功耗原則

考慮監控系統野外使用環(huán)境，測控節點(diǎn)的能耗必須盡量減少。由于水情信息大部分屬于慢變化類(lèi)型，傳輸的數據量又很少，而通信設備往往耗電很大，故可以?xún)H當需要其工作時(shí)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，在不采集數據和通信時(shí)可以下電，盡量降低測控模塊的功耗。

3)可擴展性原則

為實(shí)現系統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(lái)完成，每個(gè)模塊僅具有簡(jiǎn)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(gè)指標，可以通過(guò)增加串行接口實(shí)現。在具體設計電路時(shí)也應該留有余地，便于以后修改。

4)經(jīng)濟性原則

在滿(mǎn)足功能需求的前提下，系統越簡(jiǎn)單，價(jià)格也越便宜。一個(gè)好的測控模塊或監控終端在經(jīng)濟上一定要是最合理的，而不一定是最先進(jìn)最復雜的。因此設計時(shí)要考慮性?xún)r(jià)比，功能模板的MCU應選用通用型號以滿(mǎn)足經(jīng)濟性的要求，元器件的選型也應兼顧可靠性同時(shí)兼顧經(jīng)濟性。

4 系統結構總體設計

考慮到系統的工作環(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(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的輻射區域內。因此從實(shí)際應用出發(fā)，系統采用點(diǎn)對多點(diǎn)的系統結構。系統由3部分組成：上位機、監控終端(主節點(diǎn))和現場(chǎng)測控模塊(從節點(diǎn))。系統基本組成如圖1所示。

上位機負責連接各個(gè)監控終端，并將由管理員設置的各種采集命令轉化為監控終端可以接受的形式發(fā)送至監控終端，并能識別由監控終端傳來(lái)的響應信號，如果是數據，將數據發(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(shí)該部分還需要記錄操作日志，對管理員進(jìn)行的各項操作以及采集過(guò)程中發(fā)生的各種異常事件進(jìn)行記錄，供管理員以后查詢(xún)。

監控終端主要負責定時(shí)與中心站進(jìn)行連接，并能識別其傳來(lái)的各種命令，根據命令進(jìn)行響應操作。如果是數據采集命令，將數據封裝成規定格式，發(fā)送給上位機;如果是操作命令，就進(jìn)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(lèi)傳感器的信號，采集并將其轉換為系統所需要的數據形式，并能臨時(shí)存儲。同時(shí)根據本系統設計的通信協(xié)議，接收監控終端發(fā)來(lái)的命令，完成數據傳輸或閘門(mén)電路啟閉控制。

5 系統關(guān)鍵設備的硬件設計

本系統是軟硬件的綜合體，設計中注重軟硬件的功能分配。系統中的關(guān)鍵設備是指現場(chǎng)測控模塊(從節點(diǎn))和監控終端(主節點(diǎn))，主要包含數據采集單元、閘門(mén)控制電路、電源、無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元以及其它外圍電路。系統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(shí)現對從節點(diǎn)以及閘門(mén)啟閉電路的控制，并負責與上位機進(jìn)行通訊。根據各部分的功能要求。

5.1 從節點(diǎn)硬件設計

從節點(diǎn)主要包括4個(gè)部分：數據采集單元(傳感器)、控制單元(繼電器電路)、數據傳輸單元(SI4431PA)和實(shí)時(shí)時(shí)鐘，如圖2所示。

5.1.1 數據采集單元

傳感器作為信息采集的主力軍，擔任著(zhù)對水情和閘位多方面的參數測量。主要的傳感器有水位計、雨量計和閘位傳感器。測點(diǎn)的環(huán)境一般情況下很惡劣，傳感器會(huì )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

系統選用DY1090A型翻斗式雨量計，主要由簡(jiǎn)身、底座和內部翻斗3部分構成。雨量分辨率為1 mm，測量準確度為±3%，觸點(diǎn)接觸次數可達107次。工作原理為：降水進(jìn)入筒身上部的承雨口首先經(jīng)過(guò)防蟲(chóng)網(wǎng)過(guò)濾并清除污物，接著(zhù)進(jìn)入翻斗。當翻斗內的水量達到規定量時(shí)，翻斗立即自行翻轉。在翻斗翻轉過(guò)程中，磁鋼和干簧管會(huì )發(fā)生相對運動(dòng)，從而使得干簧管接點(diǎn)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(xiàn)組成開(kāi)關(guān)量輸出。干簧管通斷信號一次代表翻斗翻轉一次，即代表一個(gè)分辨率的雨量。雨量傳感器本身輸出為開(kāi)關(guān)信號，連接至單片的引腳，利用計數器統計低電平次數，當然在每次讀取后應及時(shí)復位該芯片。翻斗式雨量計本身是無(wú)需電源供電便能工作的，由于在使用時(shí)要產(chǎn)生、處理和接收信號，因此仍需外部電源，但是可以跟系統其它設備共用電源。

2)水位/閘位傳感器

進(jìn)行水位自動(dòng)測量時(shí)，傳統的用于人工觀(guān)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(dòng)化測量設備?，F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。本系統選用南京水利水文自動(dòng)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(jiǎn)單、精度高、穩定性同時(shí)價(jià)格較便宜，更重要的是它是無(wú)源的，不易受外界干擾，無(wú)掉電、雷擊危險，長(cháng)期準確運行時(shí)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(gè)浮子，作為水位感測元件。水位發(fā)生變化時(shí)，浮子靈敏地響應水位變化并作相應的漲落運動(dòng)，同時(shí)把此水位漲落的直線(xiàn)運動(dòng)借助懸索傳遞給水位輪，使水位輪產(chǎn)生圓周運動(dòng)，并準確地將直線(xiàn)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，當水位旋轉的同時(shí)，軸角編碼器已將水位模擬量A轉換，并編碼成相應的數字編碼D。

5.1.2 單片機

單片機作為節點(diǎn)內部的控制中心，主要負責節點(diǎn)的數據采集以及閘門(mén)啟閉控制。因此，MCU必須考慮指令執行速度、功率消耗、強大的外圍電路和可用存儲空間等因素。

綜合節點(diǎn)設計要求，對于MCU的主要要求為：1)由于系統是建立是實(shí)時(shí)采集的基礎上，因此對于單片機的處理速度要求比較高;2)系統采用周期性休眠喚醒的工作調度方式，而大部分時(shí)間來(lái)講，節點(diǎn)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)節點(diǎn)供電方式為蓄電池供電，因此芯片功耗應盡可能低。

本系統選用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(guān)閉時(shí)為100hA，適用于電池供電的應用設備。Atmega169L單片機以時(shí)鐘周期為指令周期，16 MHz時(shí)性能可達16MIPS。單片機的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反復燒寫(xiě)、支持在ISP在線(xiàn)編程(燒寫(xiě));片內集成多種功能電路，電路設計非常簡(jiǎn)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。本系統主要用到功能包括SPI、USART、中斷、定時(shí)器/計數器等。

5.2 主節點(diǎn)硬件設計

監控終端針對分布距離遠且分散的系統，承載著(zhù)數據接收、存儲和通信控制等任務(wù)。傳感器輸出的信號轉化為數字量經(jīng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)送后，進(jìn)入監控終端MCU的數字量輸入口。其主要由AVR微處理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、GPRS模塊、顯示模塊、時(shí)鐘模塊等構成，由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊采集到各監測點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)電信號后，輸送到AVR微處理器轉化成數字信息，經(jīng)GPRS模塊發(fā)射到監控中心;監控中心發(fā)來(lái)的控制信號由GPRS模塊接收，傳送到AVR微處理器轉化成相應的數字信號，監控終端再將這些命令傳送至從節點(diǎn)，完成取數或設備控制的操作?？蓪?shí)現連續不間斷地對監控對象實(shí)時(shí)遠程監控，適用于地理環(huán)境惡劣、無(wú)人值守的監控環(huán)境。由于監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

監控系統中，為方便管理人員查詢(xún)已經(jīng)采集到的數據以及檢查設備的運行狀態(tài)，可以通過(guò)鍵盤(pán)對終端設備內部的參數、功能等進(jìn)行快速設置，再加上液晶顯示屏的數據顯示，體現了人機交互的友好性。

5.3.1 鍵盤(pán)

系統采用了簡(jiǎn)單鍵盤(pán)進(jìn)行時(shí)間調整、菜單選擇和輸入控制參數等操作，鍵值與按鍵功能對應關(guān)系為OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。由于芯片I/O口有限，系統將選用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(xiàn)接口。具有功耗低，輸出鎖存，驅動(dòng)能力大等特點(diǎn)，同時(shí)存在中斷請求線(xiàn)，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(guān)的看到采集到的信息，系統使用LCD顯示器用于顯示水位、雨量、采集時(shí)間、站號和通訊設備狀態(tài)等信息。為滿(mǎn)足系統顯示要求，專(zhuān)門(mén)定做了4x40的LCD顯示屏，電路設計時(shí)，使用單片通用低復用率LCD驅動(dòng)器PCF8576D，它可為任何靜態(tài)或多路LCD提供驅動(dòng)信號，帶電壓跟隨緩沖器的內部LCD偏壓電路，40x4的RAM顯示數據存儲器，含有4路背電極輸出和40路段輸出，同時(shí)無(wú)需連接外部元器件，通過(guò)雙向“二線(xiàn)”的I2C總線(xiàn)與MCU進(jìn)行通信，電路更加簡(jiǎn)單。將芯片的OSC與VSS引腳相連來(lái)使用內部振蕩，器件內部可產(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應用的連接。電路如圖4所示。

5.4 時(shí)鐘電路

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

5.5 GPRS通信模塊

監控終端站數據采集結束后，將數據發(fā)送至中心站，為確保通信鏈路的暢通，系統選用GPRS模塊作為通信信道。監控終端站采用CPRS實(shí)現與數據中心的數據通信，因此終端在配備GRRS通信模塊的同時(shí)需要開(kāi)通GPRS業(yè)務(wù)的SIM卡。監控站通信模塊上電之后，將會(huì )自動(dòng)登錄到GPRS移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )，接著(zhù)按照規定的撥號要求登錄GPRS移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò )中心CMNET，顯示登錄成功界面即表示監控站已經(jīng)連接至互聯(lián)網(wǎng)，此時(shí)就可以依照TCP/IP協(xié)議傳輸采集到的數據。

一般情況下，移動(dòng)公司會(huì )給各個(gè)監控站的GPRS通信模塊分配動(dòng)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據，同樣也可以通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)與移動(dòng)中心進(jìn)行連接。當監控站的規模較大時(shí)，采用這種結構可以有效地減少傳輸時(shí)延。規模較小的水清測報系統在進(jìn)行數據傳輸時(shí)，為減低運行費用，可以選用GPRS流量計費方式。

6 結束語(yǔ)

本監控系統具有高可靠性、低功耗、可擴展和經(jīng)濟性的系統電路，使得整個(gè)系統的性能得到很大的提高。同時(shí)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測帶來(lái)了極大的便利。本系統已部分應用于某公司的水情監控系統，實(shí)用表明，該系統測量準確，方便耐用，有良好的經(jīng)濟性能，達到設計要求。