自动化远程水位采集和传输终端系统设计

刘俊锋，王 静

（1.山东省淮河流域水利管理局，山东 济南 250100；2.山东省胶东调水工程平度管理处，山东 平度 262800）

自动化远程水位采集和传输终端系统设计

刘俊锋1，王 静2

（1.山东省淮河流域水利管理局，山东 济南 250100；2.山东省胶东调水工程平度管理处，山东 平度 262800）

提出一种由超声波传感器和单片机组成的远程水位采集和传输终端，介绍了整套系统的构成与设计，该系统由单片机将超声波采集到的时间转化为距离，通过串口发送给SIM300模块，SIM300模块自动将要发送的数据打包成TCP/IP数据包，经GPRS无线通讯网络发送给远端服务器。

GPRS；远程数据采集；无线传输；TCP/IP协议

水位信息，作为水利工程专项防洪、调度预案汛情等级划分以及工程调度运用的主要依据，对于防汛工作而言，是最为重要的基础汛情信息之一。当前，山东省的大、中型水库以及主要河湖控制站都已设有国家级或省级无线水位测报站，但是数量庞大的大多数小型水库、塘坝以及河湖的非控制站闸坝依然通过人工观测逐级上报的方式进行水位测报，尤其山区的小型塘坝，地处偏僻分散，通讯条件落后，交通困难，非工程措施落实不到位，遇汛期突发降雨，水位信息通过人工观测再逐级进行上报，一是水位报讯人员难以落实，二是水位信息传输缓慢，三是水位信息相对较为分散凌乱，难以有效实现信息共享，为防汛工作带来诸多不便。

本文根据目前超声波技术、无线通讯技术和防汛工作需求，结合防洪工程现状，利用信号覆盖范围能满足数据传输需求的GPRS无线通信技术，设计了远程水位采集传输系统，实现监测点的水位在无人值守的情况下周期性自动测报，监控中心可以实时查阅、监视所有采集传输终端的历史及最新水位，实现洪水位预警功能。

1 系统构成

本系统由远程水位采集传输终端、下位机C程序和服务器端上位机软件组成。采集传输终端包括主控制器AT89S52单片机、US-100超声波测距模块、1602LCD屏显模块、SIM300无线传输模块及基础电源供电模块；下位机C程序用于实现采集传输终端各部分硬件资源的特定功能；服务器端上位机软件用于将采集传输终端发来的数据进行外包，实现数据存储、查阅、图表显示等功能。

1.1 水位采集原理

实际应用中，将US-100安装于标准洪水位以上合适的固定位置，使探头的方向垂直于下方的超声波反射板，反射板随着水位的升降而自动升降，探头与反射板之间的距离也随之动态变化。

1.2 数据传输

GPRS作为一种快速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线等一系列优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足采集终端与服务器端的双向数据信息传输，为野外防汛工程水位采集传输及监控提供了一种新的数据传输通信方式。

2 硬件设计

本系统硬件设计的核心为下位机硬件设计，其中主要包括控制、采集、显示、传输及电源几个模块。

2.1 控制模块

控制模块电路是整个系统的核心，因此控制芯片的选择尤为重要，选型时，既要考虑到芯片的功耗，又要满足所需的功能，设计中采用Atmel公司研制的AT89S52微控制器，他采用低功耗CMOS工艺生产，具有片内8KB的程序存储器(FLASH)、256字节RAM，32个I/O端口，3个16位定时计数器，1个异步通信串行口。设计中选用12MHz晶振为单片机提供时钟周期，串行通讯波特率选择误差最小的2400bps，I/O端口满足设计需求，剩余的空闲端口以备日后扩展功能，留作其他外设使用。

2.2 采集模块

采集模块根据超声波原理选用技术性能较为成熟的US-100模块，该模块可实现0～4.5m的非接触测距功能，拥有2.4～5.5V宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行修正的功能，测量误差低于1cm，且接口简单，直接由单片机I/O口电平控制即可测出模块探头声波从发射至返回的来回时间，再根据时间和声波在空气中传播的速度以及模块安装的基点高程即可换算出水位数据。

2.3 显示模块

显示模块用于现场水位信息显示，考虑到功耗和显示内容，选用LCD1602模块，最多可显示16列2行共32个英文数字字符，工作电压为5V，关闭背光的情况下静态电流10mA左右，本设计主要用于显示当前采集到的水位信息以及GPRS和超声波模块的工作状态，满足实际需求。

2.4 传输模块

传输模块选用目前市面上应用广泛、技术成熟的SIM300或SIM900模块（SIM900为SIM300的升级版，功能差异很小）。考虑到性价比的关系，本设计中选用SIM300模块，该模块是一款三频段GSM/ GPRS模块，可工作于全球范围内的EGSM、DCS、PCS频段，结构小巧，接口方便，低功耗设计，睡眠模式下电流消耗仅2.5mA，内部集成TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IPAT指令，传输数据非常简便。

2.5 电源模块

本设计各模块中，控制、采集、显示模块均需使用5V电源供电，SIM300模块需用4.2V电源，且峰值电流接近2A，所以设计中由9V、2A的电源输入端分别通过LM2576S-ADJ和MIC29302BU调节后输出两路电压，一路输出5V、1A供控制、采集、显示模块用，另一路输出4.2V、2A供SIM300使用。

3 软件设计

3.1 下位机程序

程序一开始，先对串口、定时器寄存器以及1602液晶进行初始化，接着启动US-100开始探测时间，用定时器T0记录采集的时间，然后将测量的时间结合基点高程转换为水位，输出到本地1602显示，接着通过单片机I/O口启动SIM300，启动成功后发送AT指令控制SIM300连接服务器，通过串口应答的信息判断连接成功与否，若连接失败，继续返回重新连接，连接成功后将集采到的水位通过GPRS网络进行传输，完成传输后，判断当前水位是否促发预警，若条件满足，则通过短信自动将水位预警信息发至预设的工程调度操作员，然后发送AT指令关闭连接并关闭模块，以节约功耗，接着判断定时器T2的累积定时时间是否到达采集发送周期，若未到达，继续等待，到达后循环进入下一个采集传输周期。

3.2 服务器端上位机软件设计

上位机软件采用VisualBasic6.0程序编制，主要由Winsock、MsHflexgrid、Teechart等控件组成，Winsock控件用于侦听各采集传输终端的连接请求，接收连接成功的采集传输终端发送过来的数据，根据数据包预设的格式，识别出终端编号以及水位数据，附加上接收时间存入数据库；MsHflexgrid控件用于以表格形式显示测站历史数据记录；Teechart控件用于显示时间水位曲线，既可以显示历史数据曲线，也可以实时显示动态监控曲线。

4 结 语

基于超声波传感器结合SIM300模块的远程数据采集传输终端，具有成本低、体积小、布设方便、运行稳定等特点，克服了现场环境改造困难、布线成本高等问题，能够适应野外水利工程监测点的实际环境，全自动测报水位，无需人员亲临现场观测，为现场水位数据的采集和传输提出了一种解决方案。传输终端与远程服务器间可以通过GPRS无线网络进行可靠地数据传输，服务器端根据收到的数据，生成水位～时间变化曲线，一目了然，满足防汛工作中对水位实时性的要求。在今后的研究中，可进一步完善系统的功能，为该系统增加键盘输入模块，以实现设定探测点基点高程、服务器端IP地址和端口号等功能；进一步优化下位机程序代码，最大限度地降低系统功耗，为野外电池供电的情况下提供更多的续航能力；不断完善服务器端上位机软件，提供更为友好的数据图表显示、查询、预警等功能。

（责任编辑张玉燕）

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1009-6159（2013）-12-0043-02

刘俊锋（1978—），男，工程师