基于GPRS超低功耗地下水远程数据采集终端的研究

李祥坤

(青海省水文水资源测报中心， 西宁 810001)

1 引言

地下水是水资源的重要组成部分，在有些平原城市甚至是唯一的水源，而这种对地下水资源的高度依赖性，体现了地下水监测的重要性，它对开展城市建设布局研究和制定区域经济发展规划有重大参考意义。针对于我国地下水专用监测井稀少、密度低、监测技术落后、信息服务能力薄弱等突出问题，推进科学先进监测手段的应用从而及时获取有效信息尤为必要。

GPRS(General Packet Radio Service的简写)是通用分组无线服务技术的简称，它是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS是一项高速数据处理的技术，GPRS是以封包(Packet)形式来传输的。全国覆盖的网络可以及时低成本地传输地下水的数据信息。本文介绍的基于GPRS超低功耗地下水远程数据采集终端(以下简称终端机)，非常适用于无人值守的全国地下水位数据采集和管理发送[1]。

2 系统结构及功能

本文介绍的这款地下水监测系统分为地下水终端机和监测软件(另文阐述)两部分，地下水终端机是内置GPRS模块系统与供电系统的浮子传感方式的水位计。如图1所示。

图1 地下水位监测系统结构图

地下水终端机分布安装在各个采集点上，将采集点所对应的水位定时采集，并存储在唯一的存储空间中(不同时间对应唯一地址)。在每天早8时通过GPRS网络发送到上位机。每个地下水终端机都能够设置站号，这就保证了数据不会混淆，根据站号就可以判断出是哪个采集点的数据。数据报文在上位机监测软件中解析后可显示各个采集点的水位数据。

3 地下水终端机

3.1 硬件组成

本文所描述的地下水终端机主要包括CPU控制系统、GPRS模块、水位采集传感系统、数据存储系统、时控系统和供电系统。终端机完整的硬件组成框图如图2所示。

图2 地下水终端机硬件组成图

3.2 时控系统和供电系统

本文选用的供电方式为在值守状态下关闭整个系统的电源，电子开关处于关闭状态，仅时控芯片在微弱电流下工作，实测为1.5微安，已经接近或低于电池的自放电。根据设定的时间点，时控芯片自动恢复，并启动电子开关，给整个系统供电。当系统完成相关数据的采集和发送后，又处于完全掉电状态。

供电系统选用自放电性能较好的锂电池，根据5Ah锂电池的计算理论，可以满足超过15年的供电需求。本文选用2节2600mAh的锂电池并联，考虑到间断的数据采集和数据发送功耗，可以运行工作超过15年。采集时间为0.5s，采集平均电流为60mA,采集6次发送时间为30s,平均电流为100mA，每天发送1次。系统理论耗电如下：

值守平均电流：1.5μA=0.0015mA

数据采集平均电流：60×0.5×6/(60×60×24)=1/480mA

数据发送平均电流：100×30×1/(60×60×24)=5/144mA

电池供电时长：2600×2/(0.0015+1/480+5/144)≈135762hour≈5656day≈15.49year

3.3 GPRS模块

SIM900A通信芯片用于水位检测系统的内置GPRS模块中。SIM900A采用行业标准接口，SIM900A的工作频率分别为GSM/GP850/900/1800/1900MHz,低功耗可实现语音、短信、数据和传真信息的传输[2]。终端使用SIM900B芯片，把数据经过GPRS信道传输到数据中心，实现了各个节点的水位数据的收集。运用GPRS的方法采集具有巨大的优势。基于GPRS系统，在上位机软件电子地图上就可以清晰看见水位监测系统的分布以及对应的水文信息，可以实现地下水位的分布及水位的信息化管理[3]。

3.4 水位传感系统

浮子水位计按照国家标准GB/T1828.1—2002要求设计、制造。仪器结构简单、工作可靠、维护方便、价格较低，具有良好的测量精度和工作稳定性(如图3所示)。上部有机械读数视窗，侧面是水位轮，浮子的升降带动水位轮旋转，水位轮带动内部机械转盘，从而显示相应水位数据[4，5]。

水位传感系统是通过主控芯片轮采集各位对应的电平，并通过机械转盘的变化带动相应位置开关按键的变化产生机械信号，转盘机械信号转换为电信号格雷码信号。主控板对电信号进行采集、计算，就得到了水位值。

图3 浮子水位计结构原理图

由于浮子带动轮盘转动，这就要求轮盘转动的摩擦力不能太大，内部开关使用的是进口欧姆龙滚珠摆杆型微动开关。

3.5 存储系统

按照《国家地下水监测工程(水利部分)数据通信报文规定》所述，水位监测站采用六采发一的工作方式，每隔4h采集一次，每天采集6次(同时存入固态存储器)，最后一次采集为次日早8时；同时还会采集实时电源电压，这样即使通信出现问题也不会丢失水位数据。确保每天早8时发送一次数据共6组数据。

数据存储按照年、月、日、时、水位、水温数据进行排列存储，一次水位数据分配16字节，每个月分配30720字节。这样对于存储地址有着很好的管理，下载数据时只要根据这个地址就能很好地找到对应的水位数据。存储器为16M固态存储器。按照这种存储方式，16M的存储空间可以存储约46年水位数据。水位数据可以通过远程下载，也可以通过侧面下载端口下载任意时段的水位数据，同时可以通过配置端口设置相应的参数。

4 终端机基本工作原理

终端机平时处于值守状态，在采集时间点到时唤醒CPU进行水位采集，并将其存储，如果需要发送就开启无线发送模式，进行报文发送。发送后在30s内处于等待报文状态，在此期间可以与其进行通信，设置修改各种参数。配置状态中，技术人员可以设置站号、时间等参数，我们可以使用GPRS无线方式远距离配置，同时可以用配置电缆线通过接口随时配置。完成配置后系统进入低功耗的值守状态[6]。终端机工作流程图如图4所示。

图4 终端机工作流程图

5 终端机报文

配置状态中，终端机与上位机之间通过报文进行通信，此时技术人员可以设置站号，时间等参数。可以使用GPRS无线方式远距离配置，同时可以用配置线通过接口随时配置。

5.1 报文格式说明

通信报文按照《水文监测数据通信规约》(SL651—2014)和《国家地下水监测工程(水利部分)监测数据通信报文规定》编写，分为监测站自报报文、远程数据下载报文、实时数据查询报文等。本项目采用HEX/BCD编码的报文编码结构。

监测站自报报文采用每日6次采集1次报送方式，采集时间确定为12时、16时、20时、00时、4时、8时,报送数据时间为每日8时;该报文正文中应包括监测参数、实时电源电压、电源警告等；中心站在接收成功测站自报数据后，给该站返回“确认报”，测站从“确认报”中取得中心站发报时间，以此用于本站校时，此步骤之后，监测站进入“值守”状态。

远程数据下载(中心站查询遥测站时段数据，双向报文)：当中心站收到某测站定时自报数据时，若中心站需查询该站某时段数据，则中心站立即下发数据下载命令报文，监测站收到该命令报文后，实时根据命令要求同时上报水位和监测站供电电压实时数据[7]。

5.2 报文传输链路

监测站自报报文的传输链路的方式是：采用自报式报文传输。报文从遥测站发出之后，中心站如果接收报文正确，就会发送“确认”报文；如果中心站接收报文无效，那么就不响应。自报式M2发送/确认传输模式如图5所示。

图5 自报式M2发送/确认传输模式

6 结束语

本文基于GPRS超低功耗地下水远程数据采集终端,具有数据采集精度高、实时性好、覆盖范围广等优点，能解决人工地下水位观测客观性差、可靠性低的问题,可以实现区域地下水动态监测自动化监测的目标,达到提高区域水资源管理水平和工作效率的目的,有很高的推广与应用价值。