一种水库防洪远程监测系统的设计
2014-07-18李新成龚丽农
李新成 龚丽农
摘 要：针对农村地区水库雨季隐患大、值守人员少的情况，设计了一种水库防洪远程监测报警系统。各水库检测点为系统的数据采集单元，主要由微控制器MSP430、液位传感器等实现水情信息检测，并通过GPRS模块进行数据远程传输。系统的远程监测中心接收数据并处理后进行显示，当有险情发生时，系统将启动短信模块报警。
关键词：水位监测；GPRS通信；短信模块
中图分类号：TV697.1+3+TP277 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）04-0020-04
目前我国农村的大部分地区在水库防洪水位监测中仍然是用人工的方式，存在着数据测量准确度低、费时费力等问题。特别是近年来，我国洪涝灾害频发，已经造成了很大的经济损失甚至人员伤亡[1，2]。为解决水库防洪水位的监测问题，本文设计了一种基于无线通信网络的水位监测报警系统。该系统通过传感器采集水位信息，并利用GPRS无线网络将数据传送到远程监控中心，实现水库水位存储、显示、报警以及短信提醒功能。
1 系统总体方案
系统主要由水库水位检测单元、通信网络、远程监控中心以及短信收发模块构成，检测单元为数据采集单元，检测的数据经GPRS模块发送到远程监控中心，当有险情发生时，监控中心通过短信模块及时将报警信息发送到值守人员手机上，实现了水库水情的远程实时监测和报警功能。其中，GPRS通信网络和Internet 网络是监控中心和各个数据检测单元之间数据传输的通道。系统组成框图如图1所示。
2 系统硬件设计
2.1 水库检测单元设计
检测单元是水情信息的采集中心，实现水位实时检测和数据发送功能，系统主要包括MSP430单片机、水位传感器模块、GPRS模块和电源等，检测单元的组成框图如图2所示。工作时，水位
图1 系统组成框图
传感器的输出信号经A/D转换后输入到MSP430单片机，单片机对数据进行处理和打包，再通过串行通信方式与GPRS模块连接，将水情信息经无线网络上传到系统的远程监测中心。
图2 检测单元硬件组成框图
2.1.1 水位传感器模块 该模块由水位传感器和信号变送电路组成。水位传感器采用PTKR301，这是一种压力式液位传感器，其工作原理是根据压力与水深的正比关系，运用压敏元件来实现水位检测[2]。当传感器固定在水下某一检测点时，根据该检测点以上水柱压力测算的高度加上该点的高程，即可间接地测出水库水位。
压力式传感器具有测量精度高、安装简便、价格相对低廉的优点，但也存在一些缺点，如：对泥沙含量大的水质其测量精度会受到影响，工作不稳定，有温度漂移等。为提高测量精度，我们采取了以下措施：（1）使用前对传感器电路充分老化，以减小水位计温度漂移；（2）施工时，通过管道将传感器安装在水中，并定期清理传感器进水孔以消除泥沙和水流的影响。
2.1.2 A/D转换器 水位传感器输出信号为模拟量，需经A/D模数转换器转换为数字量。A/D转换器我们采用AD7705，该芯片具有16 位模数转换精度，含有2 通道全差分模拟输入，采用+5V单电源供电，主要用于低频测量，若要求水位测量精度为1 cm，则理论上的水位量程可达655.35 m，能够满足水库的测量范围。AD7705芯片采用三线串行接口方式，可以方便地与微控制器连接，其中CS端连接到低电平。
2.1.3 MSP430单片机模块 单片机系统包括处理器、存储器、模数转换单元等，其中处理器采用低能耗的微控制器MSP430。MSP430系列是一个16位超低功耗的混合型单片机，其主要特点有：低工作电压、超低功耗，工作电压范围为1.8～3.6 V，有P1.0～P6.0 共6个数据端口，能为用户提供更多的处理功能[3]。工作时，MSP430负责检测水位并将检测的数据通过串口发送给GPRS模块。
2.1.4 GPRS模块 本系统选用北京驰润达通信公司的GP40型GPRS模块用于数据的无线传输和通信。其端口及外观结构如图3所示，技术指标如表1所示[4]。
GPRS模块数据的收发是按包透明传输的，收到检测单元送来的数据后，GPRS模块先将这些数据按包存储到数据缓冲区，然后再按包发送到GPRS网上去。分包的原则是：当串口数据有一个大于300 ms的时间间隔，就认为一个数据包已经结束。这个时间间隔后再有数据到来，新到的数据就是下一个新的数据包的开始，直至又出现一个大于300 ms的时间间隔，这个新的数据包就结束了。每个数据包的最大长度是700 B，当数据超过700 B，而分包间隔还没有到来时，将丢弃这一包数据。
2.1.5 电源模块及其省电控制 各个水库检测点要求在没有外部供电的情况下能持续工作，因此检测点的自带电源可持续供电时间必须较长，且检测单元电路的工作能耗必须很低。
在供电方式上，本系统采用了高效可充电锂电池和太阳能电池板技术，以解决外部无持续供电的问题。
在降低工作能耗方面，除了硬件方面选用低功耗器件外，主要在软件上适当增加传感器的睡眠时间，并尽可能减少数据发送量，以节省电能损耗。另外，为减小GPRS模块的功耗，设置该模块工作于省电模式下。在省电模式下，模块有睡眠状态和工作状态两种状态，当有数据收发时模块处于工作状态，当等待接收时处于睡眠状态。因为模块实际工作时大部分时间都在等待接收数据，所以在省电模式中模块大部分的时间都处于睡眠状态中，此时模块关闭了很多耗电的电路，使耗电大大减少，从而达到了省电的目的。
2.2 监控中心系统硬件设计
系统监控中心包括上位机和短信报警模块两部分，报警模块采用北京捷麦通信公司的G100A型短信模块来实现。G100A无线短信模块输出信号为TTL 电平，需要用MAX232芯片组成电平转换接口电路，把TTL 电平转换为RS232电平再与PC 机连接，其组成框图如图4所示。
图4 监控中心组成框图
G100A短信模块的实物图如图5所示，该短信模块采用的是三线制串口，即TXD、RXD、GND三条线，没有其它的任何握手和数据流控制线。其传输数据格式为：1个起始位、8个数据位、1个停止位，无校验，串口速率为固定的9 600 bps。发送短信时，上位机把要发送的短信通过串口经G100A模块发送到GSM网络。
图5 G100A短信模块
3 系统软件设计
3.1 水位检测单元程序
水库水位检测是整个监测系统的前端，其软件部分主要包括主程序、定时程序和滤波子程序等。主程序对系统进行初始化，完成水位信息的检测和滤波等处理；在GPRS 模块和远程监控中心建立连接后，水位检测单元将采集到的数据信息进行处理、封装后，通过RS-232C 串口将数据定时发送到GPRS 网络，再经Internet互联网传送到远程监控中心[5]。当有险情发生时，系统将响应中断程序，立即将险情信息发送到远程监控中心报警，其主程序流程如图6所示。
图6 检测单元主程序流程
3.2 远程监测中心软件设计
本系统开发了基于VB的远程水位计算机监控软件以及PC机与G100A短信模块的串口通信程序。
为方便与GPRS模块通信，远程监测中心采用固定IP地址的组网方式[6]。监测中心接收水位检测器发送的数据，并完成各检测点水情信息的显示、存储和查询等功能，当有水位超过设定的阈值即警情发生时，监测中心计算机将通过串口程序立即启动G100A模块，实现短信报警功能[7]。监控中心的主程序流程如图7所示。
图7 监测中心主程序流程
4 结语
本文设计的水库防洪监测系统能够对水位进行实时检测，并将相关信息通过GPRS通讯模块传输到远程监控中心进行存储、显示、查询和打印，当有险情时，能及时发现并以短信方式报警，提升了防洪系统的自动化管理水平。该系统可靠性高，易于实现，具有较好的应用前景。
参 考 文 献：
[1] 尚盈，雷涛，王昌.无线水位监测系统的设计与实现[J].信息技术， 2010（1）：115-117.
[2] 李继超.基于GPRS的河流水位实时监测系统的研究[J].黑龙江科技信息， 2008（32）：51-51.
[3] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.
[4] 北京驰润达通信公司.GP40型GPRS模块使用说明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.
[5] 王盟，马艳峥，徐晓辉，等. 一种无线数据采集及远程监测系统的设计[J]. 现代电子技术，2009（1）：30-32.
[6] 付强松. 基于无线移动网络的远程数据采集系统的设计[J]. 信息与电子工程，2007（5）：352-355.
[7] 北京捷麦顺驰科技有限公司.短信模块产品说明书[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.
图4 监控中心组成框图
G100A短信模块的实物图如图5所示，该短信模块采用的是三线制串口，即TXD、RXD、GND三条线，没有其它的任何握手和数据流控制线。其传输数据格式为：1个起始位、8个数据位、1个停止位，无校验，串口速率为固定的9 600 bps。发送短信时，上位机把要发送的短信通过串口经G100A模块发送到GSM网络。
图5 G100A短信模块
3 系统软件设计
3.1 水位检测单元程序
水库水位检测是整个监测系统的前端，其软件部分主要包括主程序、定时程序和滤波子程序等。主程序对系统进行初始化，完成水位信息的检测和滤波等处理；在GPRS 模块和远程监控中心建立连接后，水位检测单元将采集到的数据信息进行处理、封装后，通过RS-232C 串口将数据定时发送到GPRS 网络，再经Internet互联网传送到远程监控中心[5]。当有险情发生时，系统将响应中断程序，立即将险情信息发送到远程监控中心报警，其主程序流程如图6所示。
图6 检测单元主程序流程
3.2 远程监测中心软件设计
本系统开发了基于VB的远程水位计算机监控软件以及PC机与G100A短信模块的串口通信程序。
为方便与GPRS模块通信，远程监测中心采用固定IP地址的组网方式[6]。监测中心接收水位检测器发送的数据，并完成各检测点水情信息的显示、存储和查询等功能，当有水位超过设定的阈值即警情发生时，监测中心计算机将通过串口程序立即启动G100A模块，实现短信报警功能[7]。监控中心的主程序流程如图7所示。
图7 监测中心主程序流程
4 结语
本文设计的水库防洪监测系统能够对水位进行实时检测，并将相关信息通过GPRS通讯模块传输到远程监控中心进行存储、显示、查询和打印，当有险情时，能及时发现并以短信方式报警，提升了防洪系统的自动化管理水平。该系统可靠性高，易于实现，具有较好的应用前景。
参 考 文 献：
[1] 尚盈，雷涛，王昌.无线水位监测系统的设计与实现[J].信息技术， 2010（1）：115-117.
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[3] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.
[4] 北京驰润达通信公司.GP40型GPRS模块使用说明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.
[5] 王盟，马艳峥，徐晓辉，等. 一种无线数据采集及远程监测系统的设计[J]. 现代电子技术，2009（1）：30-32.
[6] 付强松. 基于无线移动网络的远程数据采集系统的设计[J]. 信息与电子工程，2007（5）：352-355.
[7] 北京捷麦顺驰科技有限公司.短信模块产品说明书[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.
图4 监控中心组成框图
G100A短信模块的实物图如图5所示，该短信模块采用的是三线制串口，即TXD、RXD、GND三条线，没有其它的任何握手和数据流控制线。其传输数据格式为：1个起始位、8个数据位、1个停止位，无校验，串口速率为固定的9 600 bps。发送短信时，上位机把要发送的短信通过串口经G100A模块发送到GSM网络。
图5 G100A短信模块
3 系统软件设计
3.1 水位检测单元程序
水库水位检测是整个监测系统的前端，其软件部分主要包括主程序、定时程序和滤波子程序等。主程序对系统进行初始化，完成水位信息的检测和滤波等处理；在GPRS 模块和远程监控中心建立连接后，水位检测单元将采集到的数据信息进行处理、封装后，通过RS-232C 串口将数据定时发送到GPRS 网络，再经Internet互联网传送到远程监控中心[5]。当有险情发生时，系统将响应中断程序，立即将险情信息发送到远程监控中心报警，其主程序流程如图6所示。
图6 检测单元主程序流程
3.2 远程监测中心软件设计
本系统开发了基于VB的远程水位计算机监控软件以及PC机与G100A短信模块的串口通信程序。
为方便与GPRS模块通信，远程监测中心采用固定IP地址的组网方式[6]。监测中心接收水位检测器发送的数据，并完成各检测点水情信息的显示、存储和查询等功能，当有水位超过设定的阈值即警情发生时，监测中心计算机将通过串口程序立即启动G100A模块，实现短信报警功能[7]。监控中心的主程序流程如图7所示。
图7 监测中心主程序流程
4 结语
本文设计的水库防洪监测系统能够对水位进行实时检测，并将相关信息通过GPRS通讯模块传输到远程监控中心进行存储、显示、查询和打印，当有险情时，能及时发现并以短信方式报警，提升了防洪系统的自动化管理水平。该系统可靠性高，易于实现，具有较好的应用前景。
参 考 文 献：
[1] 尚盈，雷涛，王昌.无线水位监测系统的设计与实现[J].信息技术， 2010（1）：115-117.
[2] 李继超.基于GPRS的河流水位实时监测系统的研究[J].黑龙江科技信息， 2008（32）：51-51.
[3] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.
[4] 北京驰润达通信公司.GP40型GPRS模块使用说明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.
[5] 王盟，马艳峥，徐晓辉，等. 一种无线数据采集及远程监测系统的设计[J]. 现代电子技术，2009（1）：30-32.
[6] 付强松. 基于无线移动网络的远程数据采集系统的设计[J]. 信息与电子工程，2007（5）：352-355.
[7] 北京捷麦顺驰科技有限公司.短信模块产品说明书[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.
