基于GSM手机模块的钻孔水位、水温遥测系统的研究

李冬青 董 翠/.泰安市计量测试所；.泰安市岱岳区计量测试所

0 引言

水害作为煤矿井下主要灾害之一，长期以来严重威胁着煤矿的安全生产。目前，煤矿开采逐渐由浅部进入深部，矿井受水害威胁的程度越来越严重，所以煤矿在运营期间对水文的监测是煤矿安全生产中必不可少的工作内容。

本文针对目前煤矿生产中水害防治的现状及其存在的主要问题，设计了一种基于GSM手机模块的钻孔水位、水温遥测系统。该系统可同时检测多个钻孔的水位、水温，实现了采集、检测、传输的自动化。基于模块实现了无线传输，从而节省大量的人力、物力、财力。应用本系统，可以及时地掌握和分析地下水的动态变化规律，为矿井的安全生产提供保障。硬件着重进行水位传感器的性能和采集电路的设计、遥测仪的性能设计和相关芯片的选择、报警仪的性能和电路设计，以及相关通信接口的电路设计和芯片的选择。在软件方面，监测管理软件可完成数据采集、处理的功能，生成相关数据库，还可以响应远程用户的服务请求。

1 系统功能和特点

本系统集GSM无线通信、计算机控制、数据采集、数据库技术于一体，实现了钻孔水位及时监测、水位预防报警、事故处理等功能。系统主要完成水位、水温的遥测。硬件主要由传感器、采集板、遥测仪、移动通信中心、报警仪和检测计算机组成（图1）。

主要功能：

(1) 遥测：实现对水位、水温数据的自动采集并存储，通过GSM通信方式进行水位、水温数据的传输。

(2) 数据处理：实时接收遥测仪的数据，并对数据进行检错、数据分类，建立数据库文件；查询、检索数据，显示水位值及曲线图，输出打印。

(3) 预报、监测：系统对水位、水温、设备进行监测，当出现水位越限、遥测仪设备供电不足、遭破坏时进行声光报警。

2 系统部件设计

1）智能水位传感器

由采集板和水位、水温传感器构成智能传感器。根据水中某点的压力与水深成正比的原理，将压力传感器放入水下一定深度，其输出的电压信号反映了传感器以上的水柱高度。电压信号经钢丝电缆传输给遥测仪，由遥测仪推算水柱高度并存储，供电电源由遥测仪提供。智能水位传感器安装在钻孔水下，采用外部防水设计。

图1 系统总体框图

2）遥测仪

是一台由单片机控制的智能现场设备，其内部有一手机模块，同普通手机一样，每个手机模块都需配置SIM卡，分配一手机号码,需要向中国移动公司交费。遥测仪要完成与监测计算机和智能传感器双向数据传输功能，是钻孔下智能传感器与监测计算机连接的中心，主要将智能水位传感器传送的数据进行处理并存储，存储的数据通过手机模块的短信息功能发送给监测中心的报警仪。此外遥测仪还与设置器连接，进行一些参数的设定和标定。

3）报警仪

内部也有一手机模块，不断查询遥测仪内部手机模块的短信情况，如发现新短信，则提取水位、水温数据并保存，如短信中含有报警信息，则进行声光报警，并循环显示各钻孔的最新水位标高，同时将数据传送给监测计算机。此外报警仪还与其他专用报警仪通信。

4）监测计算机

通过RS－232串行口与报警仪通信，监测计算机可以读取报警仪存储的水位、水温数据，实现永久保存，并显示、打印报表和曲线。通过监测计算机还可将各钻孔的手机号码送给报警仪，以便报警仪剔除非遥测仪的短信。

5）系统供电

由于水文地质钻孔分布于野外，供电较困难，故采用太阳能电池板提供电能，白天转换的电能首先存入蓄电池，然后再提供给遥测仪和智能传感器。由于遥测仪和智能传感器功耗极低，且蓄电池容量大、漏电少，即使不通过太阳能转换充电，蓄电池的电量也能保证工作半年以上。为降低功耗，遥测仪采用定时上电工作方式，每当定时时间一到，遥测仪上电工作，测量水位、水温，并计算水位的变化。如果水位变化超过存储下限值，就存储水位数据和当时的时间；如变化小于存储下限值，则不存储，存储下限值可以设置。这样既可得到水位变化曲线，又可减少手机短信息的发送量。

3 软件设计

图2 监测计算机软件系统结构框图

本装置监测计算机软件系统结构如图2，在钻孔水位监测报警系统中，监测计算机接收到来自报警仪的测量数据后，需要对数据进行集中分析处理，并形成各种统计报表、曲线或监测计算机文档，将数据送入局域网，以便相关工作人员及时掌握钻孔水位的安全状况，管理人员经授权后，可以通过网页对系统进行远程监测。因此，监测计算机管理软件既要完成数据采集、处理的功能，又要生成相关数据库，还要响应远程用户的服务请求，这对于监测计算机的硬件和软件设计都有较高的要求。作为整个系统的关键，监测计算机软件系统对钻孔水位安全监测的实时性、高效性和可靠性具有重要的意义。数据库服务器，主要任务是建立监测计算机与报警仪的通信，并按照系统的参数设置，完成对系统报警仪的巡测，集中处理测量数据，更新数据库。网络服务器，主要建立用户与监测计算机的通信，完成“系统设置”和“数据浏览”功能，并根据用户要求生成相应的报表和曲线。

在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好等特点越来越受到重视。本设计应用以下措施：

1）指令冗余

在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。

2）拦截技术

所谓拦截，是指将乱飞的程序引向指定位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向指定位置，再进行出错处理。

3）软件“看门狗”技术

若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。

4 结语

本装置的研制成功将具有以下几方面的意义：首先，打破以前人工测量的模式，实现了采集、监测、传输、管理的自动化，从而节省大量的人力、物力资源，必将推动工业自动化的发展进程。其次，由于水害严重威胁矿井的安全，因此应用本系统后，可以及时掌握和分析地下水的动态变化规律，为矿井的安全生产提供保障。此外，通过测量水的混浊度，可以作为地震部门进行短期地震预测的依据。另外，本系统具有成本低廉、分布灵活、实时在线、安装和维护简单方便的优点，具有较高的社会推广价值。

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