基于GPRS的水文信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

0 引言

水文信息是衡量水資源的重要指標(biāo)，其中地下水位的變化與地下水的開采量和地面沉降有著密切的關(guān)系，對(duì)控制地面沉降具有重要的意義。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測(cè)主要依靠人工、半人工的監(jiān)測(cè)手段，造成了工作量大、效率低、數(shù)據(jù)處理繁雜易錯(cuò)、信息傳輸時(shí)效性差等問題，既不適應(yīng)信息化的發(fā)展，又不能滿足現(xiàn)代化管理的需要。而且勞動(dòng)強(qiáng)度也很大，測(cè)量精度無法保障，尤其是監(jiān)測(cè)一些地理位置比較偏遠(yuǎn)或分散的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，工作難度更大。

為了合理利用水資源，充分了解各個(gè)流域水資源的狀況，實(shí)現(xiàn)水文信息的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理，合理利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、高精度的測(cè)量?jī)x器、公眾通信平臺(tái)等工具，對(duì)實(shí)現(xiàn)水文信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)同步動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)有重要意義。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)信息化進(jìn)程不斷推進(jìn)，各行各業(yè)對(duì)信息化要求也越來越高，在對(duì)信息化的認(rèn)識(shí)上，從先前單純的數(shù)字化提升到數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化、無線化相統(tǒng)一的高度。相對(duì)于目前信息化的要求，原有的有線系統(tǒng)雖然基本完成了數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化，但其布線復(fù)雜、維護(hù)成本高使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能大范圍地普及推廣，這對(duì)信息化的深入和發(fā)展造成了很大的限制。因此，信息化對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的需求不斷增大。如今移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，它所提供的各項(xiàng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使許多智能設(shè)備、儀表實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。GPRS即通用系統(tǒng)無線業(yè)務(wù)可靠性高，且收費(fèi)相對(duì)低廉。此外基于GPRS 的系統(tǒng)，可以有效簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地面設(shè)施。

所以利用GPRS 作為通信媒介是實(shí)現(xiàn)水文信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)有效途徑。

實(shí)現(xiàn)對(duì)水文信息的大面積自動(dòng)監(jiān)測(cè)需解決兩個(gè)問題：

(1)如何在惡劣環(huán)境下準(zhǔn)確測(cè)得水位信息;

(2)找到一種既能應(yīng)用于人煙稀少的偏僻地區(qū)，又能在人口密集、建筑條件復(fù)雜的城市進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)通信，且耗資少，便于推廣并進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理的數(shù)據(jù)通信手段。

基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)水文信息無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可大大提高地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的水平和質(zhì)量，為科學(xué)、合理開發(fā)利用水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)的應(yīng)用，為城市可持續(xù)發(fā)展和減災(zāi)防災(zāi)工作提供了必要的決策支持和多元化服務(wù)。

1 系統(tǒng)方案的總體結(jié)構(gòu)及工作過程

該系統(tǒng)利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的單片機(jī)控制技術(shù)和GPRS無線模塊的通信為核心，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、處理，傳至監(jiān)測(cè)中心用戶終端，實(shí)現(xiàn)水位的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)分為智能信息采集終端、信息綜合服務(wù)器和用戶終端三個(gè)部分。

方案的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1中的智能信息采集終端由單片機(jī)、GPRS無線模塊、傳感器、變送器等部分組成，主要負(fù)責(zé)采集水位信息，并將其發(fā)送至信息綜合服務(wù)器;信息綜合服務(wù)器主要分為數(shù)據(jù)接收和發(fā)送、控制管理、終端處理三個(gè)模塊，用來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、存儲(chǔ)和顯示;用戶終端包括計(jì)算機(jī)用戶終端和GPRS手機(jī)用戶終端兩種。使用計(jì)算機(jī)終端的用戶需在計(jì)算機(jī)上安裝終端應(yīng)用程序，然后可上網(wǎng)查閱存放在信息綜合服務(wù)器中的詳細(xì)水位資料;手機(jī)用戶在獲得授權(quán)后，可通過手機(jī)得到實(shí)時(shí)的水文信息。

系統(tǒng)的工作過程如下：信息采集終端采集現(xiàn)場(chǎng)水位數(shù)據(jù)，利用傳感器和變送器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)的主控程序和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)經(jīng)GPRS調(diào)制解調(diào)器(GPRS Modem)以短消息的方式發(fā)送出去。信息綜合服務(wù)器接收到采集終端傳來的由數(shù)據(jù)編碼的短消息后，處理得到水位高程及相關(guān)信息，并將其存入數(shù)據(jù)庫方便用戶查閱。一旦用戶有需要，便可啟動(dòng)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)庫中水位信息及相關(guān)信息將會(huì)發(fā)送到用戶終端。

系統(tǒng)的基本功能如下：

(1)定時(shí)自動(dòng)采集水位數(shù)據(jù)并存儲(chǔ);

(2)人工錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)的編輯與修改;

(3)對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并制表繪圖;

(4)利用計(jì)算機(jī)及專用軟件，通過GPRS 系統(tǒng)提供的手機(jī)短信功能對(duì)觀測(cè)子站直接進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試和監(jiān)測(cè);

(5)能進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

2 智能信息采集終端的設(shè)計(jì)

2.1 智能信息采集終端硬件

智能信息采集終端硬件主要由液位變送器、溫度變送器、連接電纜和水文信息智能監(jiān)測(cè)儀等構(gòu)成，如圖2所示。

方案設(shè)計(jì)采用防腐性投入式液位變送器和鉑電阻溫度變送器。變送器前端采用不銹鋼外殼用來防止觀測(cè)井內(nèi)水中雜質(zhì)的干擾。連接電纜是指變送器與水文信息智能監(jiān)測(cè)儀之間連接的電纜。由于液位測(cè)量時(shí)采用壓力比較形式，故連接電纜采用中心有通氣導(dǎo)管的專用電纜。水文信息智能監(jiān)測(cè)儀以單片機(jī)為核心，配合模數(shù)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、后備電源等部分。

觀測(cè)子站工作原理如下：利用分散設(shè)置在觀測(cè)點(diǎn)的液位、溫度變送器將測(cè)量得到液位、溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號(hào)。系統(tǒng)采用4~20 mA電流信號(hào)傳輸方式將信號(hào)送入信息采集終端模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，以減少信號(hào)的衰減和接線的復(fù)雜性，再經(jīng)單片機(jī)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分使用大容量存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)。

日歷時(shí)鐘具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)功能還能為監(jiān)測(cè)儀提供準(zhǔn)確的日期及時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)據(jù)顯示部分現(xiàn)場(chǎng)顯示出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。最后經(jīng)由數(shù)據(jù)通信模塊利用其內(nèi)置的調(diào)制解調(diào)器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀與各級(jí)水務(wù)部門中心監(jiān)測(cè)站的計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。后備電源部分能在市電無法正常提供的時(shí)候保證監(jiān)測(cè)儀的正常使用，且后備電源能與市電自動(dòng)切換。

2.2 智能信息采集終端軟件流程

濾波能將信號(hào)中特定波段頻率濾除，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施，基于數(shù)字濾波具有精度高、可靠性強(qiáng)、可程控改變特性和便于集成等優(yōu)點(diǎn)考慮。本系統(tǒng)利用程序用數(shù)字濾波來提高水位采樣信號(hào)的真實(shí)度。

測(cè)量水位時(shí)，江河、湖泊和水庫等的波浪沖擊可能引起采樣信號(hào)產(chǎn)生瞬時(shí)、幅值較大的脈沖干擾，而一旦在采樣時(shí)刻出現(xiàn)這種干擾，系統(tǒng)就無法正常工作，所以對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波十分必要。智能信息采集終端采用中值濾波法，即從采樣窗口取出奇數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，用排序后的中值取代要處理的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件的程序中安排了“冗余指令”可在PC因干擾出錯(cuò)，程序脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”時(shí)使程序迅速進(jìn)入正軌，還安排了“軟件陷阱”可在亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)無法用冗余指令使程序入軌時(shí)發(fā)揮作用。數(shù)據(jù)采集分機(jī)軟件包括主程序和數(shù)據(jù)傳送子程序。數(shù)據(jù)傳送子程序流程如圖3所示。

智能信息采集終端軟件，使用C++語言編寫，利用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的編程架構(gòu)，以構(gòu)件的形式搭建應(yīng)用軟件的主要功能部件，以提高系統(tǒng)的可視性，也便于數(shù)據(jù)匯總和數(shù)據(jù)交換。利用MICroSOFt ACCess數(shù)據(jù)庫保存及處理數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。

3 信息綜合服務(wù)器程序的設(shè)計(jì)

水文遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由中心監(jiān)測(cè)站和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)子站組成，分為兩級(jí)聯(lián)網(wǎng)。由三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)庫管理，如圖4所示。

水文信息遙測(cè)管理系統(tǒng)使用C++語言編寫，完成了由上到下的模塊式總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)集合了水位信息的實(shí)時(shí)采集、預(yù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理功能，構(gòu)成了一個(gè)一體化的綜合信息平臺(tái)。通過無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水資源信息，按照日、月、年，分不同時(shí)段將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并繪制曲線(見圖5)與直方圖對(duì)比分析數(shù)據(jù)，最終將結(jié)果顯示給用戶，并能依照用戶需求自動(dòng)生成報(bào)表。上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)功能主要由信息綜合管理模塊、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊、水資源決策支持系統(tǒng)、輸出模塊及其他輔助功能組構(gòu)成。

3.1 實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和串口通信技術(shù)采集數(shù)據(jù)信息，能隨時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)采集水位、水溫?cái)?shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位、水溫傳感器將水位、水溫這兩個(gè)物理量信息轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)傳輸至測(cè)報(bào)儀，經(jīng)A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并儲(chǔ)存。需要水資源信息時(shí)，用戶終端可以依據(jù)指定的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)送至與之相連的Modem即調(diào)制解調(diào)器，再利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)出。

監(jiān)測(cè)中心的Modem 收到短信后，