自動化遠程水位采集和傳輸終端系統設計

劉俊鋒，王 靜

（1.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟南 250100；2.山東省膠東調水工程平度管理處，山東 平度 262800）

自動化遠程水位采集和傳輸終端系統設計

劉俊鋒1，王 靜2

（1.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟南 250100；2.山東省膠東調水工程平度管理處，山東 平度 262800）

提出一種由超聲波傳感器和單片機組成的遠程水位采集和傳輸終端，介紹了整套系統的構成與設計，該系統由單片機將超聲波采集到的時間轉化為距離，通過串口發送給SIM300模塊，SIM300模塊自動將要發送的數據打包成TCP/IP數據包，經GPRS無線通訊網絡發送給遠端服務器。

GPRS；遠程數據采集；無線傳輸；TCP/IP協議

水位信息，作為水利工程專項防洪、調度預案汛情等級劃分以及工程調度運用的主要依據，對于防汛工作而言，是最為重要的基礎汛情信息之一。當前，山東省的大、中型水庫以及主要河湖控制站都已設有國家級或省級無線水位測報站，但是數量龐大的大多數小型水庫、塘壩以及河湖的非控制站閘壩依然通過人工觀測逐級上報的方式進行水位測報，尤其山區的小型塘壩，地處偏僻分散，通訊條件落后，交通困難，非工程措施落實不到位，遇汛期突發降雨，水位信息通過人工觀測再逐級進行上報，一是水位報訊人員難以落實，二是水位信息傳輸緩慢，三是水位信息相對較為分散凌亂，難以有效實現信息共享，為防汛工作帶來諸多不便。

本文根據目前超聲波技術、無線通訊技術和防汛工作需求，結合防洪工程現狀，利用信號覆蓋范圍能滿足數據傳輸需求的GPRS無線通信技術，設計了遠程水位采集傳輸系統，實現監測點的水位在無人值守的情況下周期性自動測報，監控中心可以實時查閱、監視所有采集傳輸終端的歷史及最新水位，實現洪水位預警功能。

1 系統構成

本系統由遠程水位采集傳輸終端、下位機C程序和服務器端上位機軟件組成。采集傳輸終端包括主控制器AT89S52單片機、US-100超聲波測距模塊、1602LCD屏顯模塊、SIM300無線傳輸模塊及基礎電源供電模塊；下位機C程序用于實現采集傳輸終端各部分硬件資源的特定功能；服務器端上位機軟件用于將采集傳輸終端發來的數據進行外包，實現數據存儲、查閱、圖表顯示等功能。

1.1 水位采集原理

實際應用中，將US-100安裝于標準洪水位以上合適的固定位置，使探頭的方向垂直于下方的超聲波反射板，反射板隨著水位的升降而自動升降，探頭與反射板之間的距離也隨之動態變化。

1.2 數據傳輸

GPRS作為一種快速、高效、經濟的無線系統，具有網絡覆蓋范圍廣、數據帶寬寬、適應性強、計價按數據流量計算、實時在線等一系列優點，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大量數據傳輸，完全滿足采集終端與服務器端的雙向數據信息傳輸，為野外防汛工程水位采集傳輸及監控提供了一種新的數據傳輸通信方式。

2 硬件設計

本系統硬件設計的核心為下位機硬件設計，其中主要包括控制、采集、顯示、傳輸及電源幾個模塊。

2.1 控制模塊

控制模塊電路是整個系統的核心，因此控制芯片的選擇尤為重要，選型時，既要考慮到芯片的功耗，又要滿足所需的功能，設計中采用Atmel公司研制的AT89S52微控制器，他采用低功耗CMOS工藝生產，具有片內8KB的程序存儲器(FLASH)、256字節RAM，32個I/O端口，3個16位定時計數器，1個異步通信串行口。設計中選用12MHz晶振為單片機提供時鐘周期，串行通訊波特率選擇誤差最小的2400bps，I/O端口滿足設計需求，剩余的空閑端口以備日后擴展功能，留作其他外設使用。

2.2 采集模塊

采集模塊根據超聲波原理選用技術性能較為成熟的US-100模塊，該模塊可實現0～4.5m的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5V寬電壓輸入范圍，靜態功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行修正的功能，測量誤差低于1cm，且接口簡單，直接由單片機I/O口電平控制即可測出模塊探頭聲波從發射至返回的來回時間，再根據時間和聲波在空氣中傳播的速度以及模塊安裝的基點高程即可換算出水位數據。

2.3 顯示模塊

顯示模塊用于現場水位信息顯示，考慮到功耗和顯示內容，選用LCD1602模塊，最多可顯示16列2行共32個英文數字字符，工作電壓為5V，關閉背光的情況下靜態電流10mA左右，本設計主要用于顯示當前采集到的水位信息以及GPRS和超聲波模塊的工作狀態，滿足實際需求。

2.4 傳輸模塊

傳輸模塊選用目前市面上應用廣泛、技術成熟的SIM300或SIM900模塊（SIM900為SIM300的升級版，功能差異很小）。考慮到性價比的關系，本設計中選用SIM300模塊，該模塊是一款三頻段GSM/ GPRS模塊，可工作于全球范圍內的EGSM、DCS、PCS頻段，結構小巧，接口方便，低功耗設計，睡眠模式下電流消耗僅2.5mA，內部集成TCP/IP協議棧，并且擴展了TCP/IPAT指令，傳輸數據非常簡便。

2.5 電源模塊

本設計各模塊中，控制、采集、顯示模塊均需使用5V電源供電，SIM300模塊需用4.2V電源，且峰值電流接近2A，所以設計中由9V、2A的電源輸入端分別通過LM2576S-ADJ和MIC29302BU調節后輸出兩路電壓，一路輸出5V、1A供控制、采集、顯示模塊用，另一路輸出4.2V、2A供SIM300使用。

3 軟件設計

3.1 下位機程序

程序一開始，先對串口、定時器寄存器以及1602液晶進行初始化，接著啟動US-100開始探測時間，用定時器T0記錄采集的時間，然后將測量的時間結合基點高程轉換為水位，輸出到本地1602顯示，接著通過單片機I/O口啟動SIM300，啟動成功后發送AT指令控制SIM300連接服務器，通過串口應答的信息判斷連接成功與否，若連接失敗，繼續返回重新連接，連接成功后將集采到的水位通過GPRS網絡進行傳輸，完成傳輸后，判斷當前水位是否促發預警，若條件滿足，則通過短信自動將水位預警信息發至預設的工程調度操作員，然后發送AT指令關閉連接并關閉模塊，以節約功耗，接著判斷定時器T2的累積定時時間是否到達采集發送周期，若未到達，繼續等待，到達后循環進入下一個采集傳輸周期。

3.2 服務器端上位機軟件設計

上位機軟件采用VisualBasic6.0程序編制，主要由Winsock、MsHflexgrid、Teechart等控件組成，Winsock控件用于偵聽各采集傳輸終端的連接請求，接收連接成功的采集傳輸終端發送過來的數據，根據數據包預設的格式，識別出終端編號以及水位數據，附加上接收時間存入數據庫；MsHflexgrid控件用于以表格形式顯示測站歷史數據記錄；Teechart控件用于顯示時間水位曲線，既可以顯示歷史數據曲線，也可以實時顯示動態監控曲線。

4 結 語

基于超聲波傳感器結合SIM300模塊的遠程數據采集傳輸終端，具有成本低、體積小、布設方便、運行穩定等特點，克服了現場環境改造困難、布線成本高等問題，能夠適應野外水利工程監測點的實際環境，全自動測報水位，無需人員親臨現場觀測，為現場水位數據的采集和傳輸提出了一種解決方案。傳輸終端與遠程服務器間可以通過GPRS無線網絡進行可靠地數據傳輸，服務器端根據收到的數據，生成水位～時間變化曲線，一目了然，滿足防汛工作中對水位實時性的要求。在今后的研究中，可進一步完善系統的功能，為該系統增加鍵盤輸入模塊，以實現設定探測點基點高程、服務器端IP地址和端口號等功能；進一步優化下位機程序代碼，最大限度地降低系統功耗，為野外電池供電的情況下提供更多的續航能力；不斷完善服務器端上位機軟件，提供更為友好的數據圖表顯示、查詢、預警等功能。

（責任編輯張玉燕）

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1009-6159（2013）-12-0043-02

劉俊鋒（1978—），男，工程師