目前，典型的水情測報系統(tǒng)一般由傳感器、遙測站和數(shù)據(jù)中心（上位機）構(gòu)成。其中遙測站常常被放置于遠(yuǎn)離城市的偏遠(yuǎn)地方甚至野外，因其環(huán)境惡劣，為系統(tǒng)的建設(shè)、維護、檢修等帶來了很大的困難[1]。水情測報系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，而如何實現(xiàn)現(xiàn)場遙測站與數(shù)據(jù)中心的通信也是水情測報系統(tǒng)中必須要解決的問題。本文提出了一種基于GPRS的水情測報系統(tǒng)，通過采用GPRS無線通信技術(shù)實現(xiàn)了現(xiàn)場遙測站與數(shù)據(jù)中心之間的透明傳輸。通過實際應(yīng)用，該系統(tǒng)具有可靠性高、可擴展、檢測精確、維護方便等優(yōu)點。
    通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS允許用戶在分組交換模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2-3]。在有線不普及和布線困難的地方，借助于無線手段，使整個系統(tǒng)具有工程造價和資源成本低、傳輸數(shù)據(jù)受地域的影響小、可靠性高、維護率低的特點。GPRS技術(shù)大幅提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，是目前無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中最廣泛的技術(shù)之一[4]。本文采用GPRS技術(shù)作為遙測站與數(shù)據(jù)中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃晒崿F(xiàn)了對水情的實時在線檢測。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    基于GPRS的水情無線采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由現(xiàn)場遙測站、數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)(GPRS和Internet)及數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。

    遙測站安裝在水庫、大壩、海口等現(xiàn)場，主要實現(xiàn)對水情的各種參數(shù)的實時采集、處理、存儲等功能，并將測量到的信息(如雨量、水位等)通過GPRS模塊發(fā)送給無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時將GPRS模塊作為接收數(shù)據(jù)中心相關(guān)命令的有效途徑。遙測站既可以通過數(shù)據(jù)中心的命令控制其工作，也可脫離數(shù)據(jù)中心單獨工作。單獨工作時，其相關(guān)參數(shù)及命令通過遙測站面板上的按鍵輸入。
    數(shù)據(jù)中心安裝在水利部門的辦公樓內(nèi)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)完成對遙測站發(fā)送過來數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲、信息查詢和編制水文圖表等功能。另外，還能通過Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)向現(xiàn)場遙測站發(fā)送相關(guān)參數(shù)和命令的功能。
    數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)由GPRS無線模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它是現(xiàn)場遙測站與數(shù)據(jù)中心之間的無線數(shù)據(jù)傳輸通道，其傳輸過程是：遙測站將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，傳至微處理器，利用GPRS模塊對數(shù)據(jù)打包封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GRPS網(wǎng)絡(luò)又將數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)關(guān)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最后利用Internet將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到連接互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心主機。數(shù)據(jù)中心向現(xiàn)場遙測站發(fā)送運行參數(shù)和命令的過程正好與上述相反。在遙測站的GPRS模塊上安裝一個SIM卡，將數(shù)據(jù)中心開通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)同互聯(lián)網(wǎng)的連接。這樣就可以通過GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)現(xiàn)場遙測站與數(shù)據(jù)中心主機之間的無線透明傳輸。
2 遙測站硬件設(shè)計
    遙測站的硬件即數(shù)據(jù)采集終端，以AT91SAM9260ARM處理器為核心，包括一個高精度的MH-GA 超聲波物位儀、電源模塊、GPRS通信模塊(MC55)等。AT91SAM9260ARM處理器由A/D通道采集MH-GA超聲波物位儀的信號，經(jīng)過分析處理保存，再通過RS232串口將水位數(shù)據(jù)發(fā)送給MC55無線模塊，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

    AT91SAM9260是愛特梅爾公司集成最新的ARM926-EJ-S[TM]ARM Thumb內(nèi)核的工業(yè)級處理器，擁有8 KB數(shù)據(jù)緩存、18 KB指令緩存、MMU單元、在180 MHz頻率時有200 MIPS指令運行速度，內(nèi)嵌1個32 KB ROM、2個4 KB RAM，集成有EBI、USB、DMA等外設(shè)[5]；通過VDDCORE管腳提供內(nèi)核電源(包括處理器、內(nèi)嵌存儲器和外設(shè))，額定電壓為1.8 V，相應(yīng)的接地引腳為GND；VDDANA管腳提供ADC額定電壓3.3 V的電源，接地引腳為GNDANA。數(shù)據(jù)采集過程充分利用內(nèi)部ADC來完成，以降低功耗、減少芯片數(shù)量、提高可靠性。而且A/D接口在不用時還可作為GPIO使用。為給系統(tǒng)提供一個永久的低速時鐘，配有實時時鐘芯片PCF8563。為了方便數(shù)字語音、圖像、程序代碼和各種數(shù)據(jù)的存儲應(yīng)用，處理器外圍電路還配有運行速度快，方便讀、修改和寫操作的DATA Flash芯片AT45DB161D。
2.1 采集模塊

    由于現(xiàn)場情況特殊，選用的傳感器要具有抗干擾能力強，耐潮濕、耐高溫和耐腐蝕氣體及可靠性高、性能穩(wěn)定等特點。本系統(tǒng)選用了MH-GA 超聲波物位儀。該儀器具有完善的物位測控功能、數(shù)據(jù)傳輸功能和人機交流功能。主芯片采用進口工業(yè)級單片機，數(shù)字溫度補償和寬電壓輸入穩(wěn)壓等，擁有模擬量及RS485/232輸出，可方便與主機連接。
    AT91SAM9260芯片內(nèi)部帶有4路模擬信號輸入，是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。本系統(tǒng)采用ARM9處理器內(nèi)部的10 bit A/D實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。由于MH-GA超聲波物位儀輸出的是4 mA～20 mA的電流，而A/D接收的必須是電壓信號，因此需要電流取樣，在MH-GA和A/D之間加一個高精度電阻，讓電流經(jīng)過150 Ω的采樣電阻轉(zhuǎn)換之后，通過RC濾波電路進行濾波，最后引出采樣電壓信號連接到A/D轉(zhuǎn)換器。傳感器輸出與A/D轉(zhuǎn)換器之間的連接如圖3所示。

    通過設(shè)置休眠模式為0來選擇普通模式，設(shè)置控制寄存器ADC_CR的開始位為1 bit，寫入1觸發(fā)軟件觸發(fā)器，開始進行A/D轉(zhuǎn)換。ADC使用ADC時鐘來執(zhí)行轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)定單一的模擬值轉(zhuǎn)換為10 bit數(shù)據(jù)值時的取樣和保持時鐘周期為8 s。當(dāng)一個轉(zhuǎn)換完成后，所產(chǎn)生的10 bit數(shù)字值被存儲在ADC_CDR和ADC_LCDR寄存器中，一直保持到一個新的轉(zhuǎn)換完成。當(dāng)讀取一個ADC_CDR寄存器時，就會清除相應(yīng)的EOC位，讀ADC_LCDR時清除DRDY位，并且EOC位與最后轉(zhuǎn)換的通道一致。
2.2 GPRS通信模塊
    GPRS通信模塊是現(xiàn)場遙測站接入無線網(wǎng)絡(luò)的接口，同時也是實現(xiàn)遙測站與數(shù)據(jù)中心無線雙向通信的重要部件，其性能的好壞直接關(guān)系到水情測量系統(tǒng)是否能正常、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地運行。為減少成本、縮短開發(fā)時間，本文選用MC55無線模塊。MC55為SIEMENS公司推出的被譽為當(dāng)今世上最具價值、尺寸最小的三頻GSM/GPRS模塊，除具有普通GSM模塊的通話、短信、電話簿管理、電路交換數(shù)據(jù)(CSD)傳輸?shù)裙δ芎蜔o線MODEM的GPRS連接功能外，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，不僅支持SOCKET 連接下的TCP／UDP數(shù)據(jù)傳輸，還支持HTTP、FTP、SMTP、POP3等上層應(yīng)用協(xié)議[6]。MC55的使用說明如下：
    (1)MC55的電源由單一電壓源VBATT+3.3 V~4.8 V供電。由于VDD引腳在電源掉電模式下無法工作，因此，VDD引腳用來判斷MC55是否處在電源掉電模式。
    (2)MC55提供6個專用引腳與SIM卡連接；將MC55的CCVCC引腳與SIM卡的CCVCC引腳相連，作為SIM卡的電源，必須使用SIM卡的CCGND作為電源地。
    (3)MC55的軟件存儲在快速閃存器的一個緊湊型的“疊層閃存/SRAM”設(shè)備中，靜態(tài)隨機存儲器為GPRS的連接提供了額外的存儲空間。
    (4)MC55包含ASC0和ASC1兩個串行接口，為綜合人機界面提供最大的適應(yīng)。
    (5)關(guān)閉MC55模塊，必須使用指令“AT^SMSO”，確認(rèn)MC55關(guān)閉后才能切斷電源。如果系統(tǒng)時常斷電，一定要有備用電池，以保證無線模塊的正常工作。
3 數(shù)據(jù)中心
    數(shù)據(jù)中心主要由監(jiān)控主機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和打印機構(gòu)成。其中監(jiān)控主機通過固定IP接入Internet，然后再通過移動網(wǎng)接入GPRS網(wǎng)絡(luò)。這種連接方式相對于其他方式具有接人帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸安全性高、實時性好及運行成本低等優(yōu)點[7]。數(shù)據(jù)中心是水情測報系統(tǒng)采集信息的最終接收中心，具有雙重功能：(1)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場遙測站發(fā)送過來的數(shù)據(jù)采集信息，并對接收的信息進行檢查、存儲、顯示和打印等處理，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場水情的實時在線監(jiān)測功能；(2)將相關(guān)設(shè)置參數(shù)和控制命令一起打包通過Internet網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊(MC55)發(fā)送給現(xiàn)場遙測站控制單元，從而實現(xiàn)對遙測站的實時在線控制功能。
4 軟件設(shè)計
    該數(shù)據(jù)采集終端選用目前較為流行的ARM處理器和Linux實時嵌入式操作系統(tǒng)。由于Linux具有開放源代碼、支持多種類型硬件驅(qū)動、內(nèi)核更新速度快、網(wǎng)絡(luò)功能強、免費下載等優(yōu)點，是嵌入式操作系統(tǒng)中完整廉價的開發(fā)工具[8]。
4.1 遙測站軟件設(shè)計
    系統(tǒng)通過AT91SAM9260不斷檢測GPRS模塊是否有傳輸命令，如果有，則直接建立連接，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給數(shù)據(jù)中心；如果沒有，則定時啟動A/D采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)定時時間為1 h，采集完成后先將數(shù)據(jù)保存，然后將存儲的數(shù)據(jù)根據(jù)傳輸協(xié)議打包封裝后，經(jīng)串口發(fā)送給GPRS通信模塊，再利用AT指令控制GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)，最后數(shù)據(jù)就可以發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖4所示。

4.2 GPRS模塊與Internet的連接
    由于GPRS(MC55)沒有在線模式和命令模式，所以對它的控制均通過AT指令[9]實現(xiàn)。AT指令是一個標(biāo)準(zhǔn)接口，指令和響應(yīng)格式都很固定。MC55中內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，其與Internet的連接需要用到如下指令：
    (1)通過at^sics指令建立連接配置
    at^sics=0,conType,GPRS0 /*配置連接類型為GPRS0，
連接ID為0*/
    at^sics=0,user,liaocheng /*用戶名為liaocheng*/
    at^sics=0,passwd,liaocheng /*密碼為liaocheng*/
    at^sics=0,apn,cmnet /*GPRS接入點APN
選用公網(wǎng)默認(rèn)值cmnet*/
    (2)通過at^siss指令建立服務(wù)配置
    at^siss=0,srvType,socket /*設(shè)置0號服務(wù)配置，
服務(wù)類型為SOCKET TCP客戶端*/
    at^siss=0,conId,0 /*按0號配置連接*/
    at^siss=0,address,socktcp://192.168.0.243;5000/*ip地址
也可以改為相應(yīng)的主機域名，端口號設(shè)為5 000*/
    (3)使用at^siso指令啟動連接
    at^siso=0 /*開啟SOCKET連接*/
    at^sisw=0,<ByteNum>/*請求0號服務(wù)器，
發(fā)送ByteNum個數(shù)據(jù)*/
    at^sisr=0,<ByteNum>/*請求從Internet上
接收ByteNum個數(shù)據(jù)*/
    請求發(fā)送的字節(jié)在TCP方式下不允許超過1 500個。
    發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)完成后，通過如下命令關(guān)閉Internet服務(wù)：
    at^sisc=0
4.3 數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計
    數(shù)據(jù)中心軟件同樣采用模塊化程序設(shè)計思想，主要實現(xiàn)水情測報系統(tǒng)的系統(tǒng)化、自動化，從而減少工作量，提高效率。數(shù)據(jù)中心軟件的主要模塊有：
    (1)系統(tǒng)管理模塊：包括系統(tǒng)登錄，密碼修改、添加或者刪除系統(tǒng)信息等操作。
    (2)數(shù)據(jù)通信模塊：用于顯示遙測站與數(shù)據(jù)中心的連接情況，并完成數(shù)據(jù)信息的接收及相關(guān)命令的發(fā)送。
    (3)顯示查詢模塊：實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、查詢、刪除和打印、系統(tǒng)運行狀況、測站和系統(tǒng)的特征參數(shù)等；并且通過下拉菜單可以選擇特定的測報點和指定的日期進行查詢。
    (4)用戶設(shè)置模塊：實現(xiàn)用戶信息的設(shè)置和修改。
    (5)幫助模塊：為用戶提供方便快捷的在線式聯(lián)機幫助。
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件選用VB6.0工具開發(fā)。VB6.0簡單易學(xué)、功能強、效率高。數(shù)據(jù)庫軟件有兩種選擇，一種是桌面數(shù)據(jù)庫Access，它是一種小型的數(shù)據(jù)庫；另一種是基于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫SQL Server，無論在功能上還是容量上都比Access強大。但由于水情信息數(shù)據(jù)量小，且Access簡單好用、創(chuàng)建和配置都比較方便，因此，本設(shè)計選擇了Access作為數(shù)據(jù)庫。
    本文利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)水情測報系統(tǒng)中現(xiàn)場遙測站與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)信號傳輸，在充分發(fā)揮GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，同時借助現(xiàn)代計算機技術(shù)和嵌入式技術(shù)，設(shè)計了一種新型水情測報系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了對現(xiàn)場水情的實時無線測報。應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足防災(zāi)減災(zāi)的水情報汛的要求。而且該系統(tǒng)具有成本低、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，對水情測報系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的推動作用，有推廣價值。
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