基于GPRS水库灌溉监控系统的设计与实现

郭志俊，陈光亮

(浙江水利水电专科学校，浙江杭州 310018)

0 引言

水资源短缺已经逐步成为制约地方经济的发展的瓶颈，寻求解决水资源需求与短缺之间的矛盾是各地水利管理部门的当务之急.针对水库灌区工程分散的特殊性，建立水库灌溉实时监控系统，对于及时掌握水库灌区水情变化、作物需水情况和灌溉供水的动态变化情况是十分必要的，是确保灌区工程安全运行、实现水资源优化配置、提高用水效率、保障灌区持续发展的实际需要.水库灌溉用水管理主要包括计划制定、水位数据采集、泵站启停、闸门控制、流量检测、水量计算及水费用结算等下作.目前，大型灌区已经建立起相应的监控系统系统，主要侧重于基础数据的管理与应用.大多数中小型灌区，由于受投资能力、管理规模、人员素质等条件的限制，水利信息化水平仍然较为落后.建立一套经济实用的水库灌溉用水监控与管理系统，实时采集监测各测点水位、监控闸门运行状态及闸门高度的自动控制，改变人工值守记录数据的落后状况，对于水资源调度和抗旱防汛具有非常重要的意义.

1 系统方案设计

本监控系统的总体设计方案由监控中心和现场采集与监控系统构成，见图1，供水监测点的数据采集终端可采集水位、压力、流速、等各种数据，供监控中心及有关部门分析和决策使用.数据传输通过Internet和GPRS网络实现，分为上行传输通道和下行传输通道，上行传输专业数据、报警信息等，下行传输指令数据，有效的实现现场供水设备的启停、远程自动控制和自动检测等，极大的降低了故障率和提高了对系统的反应时间.现场数据采集的实施，是以单片机ARM2132为核心，AVR与单片机连接组成分布式数据采集系统，负责收集各个传感器上的状态信息并将这些信息按照一定的格式传送给上位机，所采集的远程数据通过GPRS网络按照协议传递给远端的控制中心，数据分析处理由监控中心系统数据库配合相应的数据分析处理软件来完成数据的最终汇总、分析以及做出相应的决策响应[1］.系统的结构采用模块化设计，其中现场数据采集与监控、远程数据传输和监控中心信息管理保持相对独立性，有利于系统的调试、升级与扩展.

图1 系统总体结构图

2 单片机与GPRS模块电路设计

用GPRS模块进行数据通信，其主要硬件是由单片机和GPRS模块(MC55芯片)组成，其部分电路原理图见图2，其中单片机LPC2132是系统的控制核心，负责驱动GPRS模块与外网的连接，接收并处理GPRS模块上传来的数据包;组装或生成要发送数据包并传送给GPRS模块，通过串口与数据采集模块连接或控制其他串口与外接模块的工作.单片机LPC2132与GPRS模块之间的通信，主要是通过 TXD0、TXD、RXDO、RXD端口完成数据传输，其中TXDO端口是GPRS模块用于接收单片机发来的数据，单片机TXD端口是用于向GPRS模块传送数据，RXDO端口是用于GPRS模块向单片机发送数据，单片机的RXD端口则是用于接收从GPRS模块传输来的数据.S1M卡的6个引脚 CCCLK、CCVCC、CC10、CCRST、CC1N 以 及 CCGND，分 别 接 在MC55的1到6脚上，这里接的S1M卡有分别对应接在 MC55的第1到第6个引脚上，实现GPRS数据传输及短信的收发[2］.

图2 LPC2132与GPRS模块电路原理图

3 数据采集与控制电路设计

水库灌溉现场采集的信号主要有:水位、流量、闸门开关等信号，这些信号可以转化为模拟量或数字量，对于连续的模拟量可转化为电压变化信号，通过AD0～AD3四个端口接入到ATmega8单片机的ADC端口，见图3，片内有8通道的模拟多路复用器，能直接对8路单端电压输入进行AD转换并带有采样保持电路，现场模拟电压信号可转换为数字信号.对于现场的开关信号可以通过PB1～PB4端口输入到单片机.现场数据是通过TXD、TXR端口传输到LPC2132和GPRS模块，其传输过程是单片机首先对下位机地址进行识别，将采集的数据进行打包，通过GPRS模块发送给中心控制系统，中心对接收到的信号进行判断，通过GPRS发送控制指令给ATmega8单片机，由单片机输出模拟控制量，由驱动执行机构控制设备开、停机和事故停机自动实时控制.采集电路可以通过PD端口对不同的监测终端设置地址，来区分其编号，实现多点监控.

图3 信号采集与控制电路图

4 系统软件功能设计

系统采用Delphi7来实现人机界面和通信功能，软件功能框图见图4.

图4 软件功能框图

(1)主界面是整个软件的框架，管理各个功能模块.

(2)任务配置模块主要配置采集的各个参数，包括各个终端模块地址，采集数据的时间间隔等数据.

(3)数据采集模块是根据任务，定时发送采集命令，读取各个终端的测量点数据，同时把数据提交给数据库控制模块，保存数据.

(4)数据查询模块主要是根据用户要求从数据库中读取数据，实现数据和图表显示，同时负责统计数据的功能.

(5)通信模块是负责接收来自GRPS网络的数据，并且对数据进行简单的处理.

(6)控制模块负责分析采集来的数据，当采集的数据值超过用户设定的限值时，控制模块自动发送停机指令，也可用户手动控制[3］.

5 结语

本文以PC机为中心控制机，在windows操作系统下，利用Delphi7开发了灌区人机交互控制界面.现场采集与控制系统充分利用ARM功耗低、体积小等优点，以及GPRS组网方便的特点，以ARM微控制器LPC 2132为主控单元，用GPRS通信模块MC55作为调制解调芯片，实现了灌溉工况的远程数据传输和监控功能.

[1]徐国章，郑雪峰，涂序彦.灌区灌溉用水测控与管理系统研究与设计[J］.微计算机信息，2008(33):21 －23.

[2]吕 鑫，王 忠.GPRS数据传输模块的设计与实现[J］.现代电子技术，2008(9):18 －20.

[3]何 瑛，工航宇.基于GPRS的分布式灌区监控系统设计与实现[J］.西安:电子设计工程，2009(3):19－20.