基于GPRS的水文信息無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要： 研究設(shè)計了一種基于單片機與GPRS網(wǎng)絡(luò)的水文信息遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的短消息業(yè)務(wù)來完成水位、溫度等參數(shù)的無線、遠程和實時傳輸，實現(xiàn)測量結(jié)果的計算機管理，測量精度高。經(jīng)過實際使用證明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性與實用性，從而為科學開發(fā)和合理利用地下水資源、有效地預防地面沉降及地裂縫的發(fā)展和政府決策提供了科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 水文信息； 遙測系統(tǒng)； GPRS； 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0019?04

GPRS?based remote monitoring system for hydrographic information

DAI Xia?yi， HUO Ai?di， WU Ya?jing， LI Feng?gu， ZHANG Yu?zhan， ZHANG Xiao?nan

（School of Environmental Science and Engineering， Chang’an University， Xi’an 710018， China）

Abstract： A remote monitoring and management system for hydrographic information was designed in this study， which is based on SCM and GPRS network. The wireless remote and real?time transmission of the ghydrographic information， temperature and water level parameters are completed by the short message service of GPRS networks. It can realize the high?accuracy measurement and computer management of the measured results. The practical application shows that the system has high stability and applicability， can provide a scientific basis for the scientific development and rational use of groundwater resources， effective prevention of the land subsidence and ground fissures， and government decision?making.

Keywords： hydrographic information； telemetry system； GPRS； embedded system

0 引 言

水文信息是衡量水資源的重要指標，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，對控制地面沉降具有重要的意義。傳統(tǒng)的水文監(jiān)測主要依靠人工、半人工的監(jiān)測手段，造成了工作量大、效率低、數(shù)據(jù)處理繁雜易錯、信息傳輸時效性差等問題，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。而且勞動強度也很大，測量精度無法保障，尤其是監(jiān)測一些地理位置比較偏遠或分散的監(jiān)測點，工作難度更大。為了合理利用水資源，充分了解各個流域水資源的狀況，實現(xiàn)水文信息的自動化監(jiān)測及遠程管理，合理利用計算機技術(shù)、高精度的測量儀器、公眾通信平臺等工具，對實現(xiàn)水文信息的遠程實時同步動態(tài)監(jiān)測有重要意義。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，我國信息化進程不斷推進，各行各業(yè)對信息化要求也越來越高，在對信息化的認識上，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，但其布線復雜、維護成本高使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不能大范圍地普及推廣，這對信息化的深入和發(fā)展造成了很大的限制[1]。因此，信息化對無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的需求不斷增大。如今移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，它所提供的各項數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使許多智能設(shè)備、儀表實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的遠程傳輸。GPRS即通用系統(tǒng)無線業(yè)務(wù)可靠性高，且收費相對低廉。此外基于GPRS的系統(tǒng)，可以有效簡化監(jiān)測系統(tǒng)的地面設(shè)施。所以利用GPRS作為通信媒介是實現(xiàn)水文信息動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的一個有效途徑[2]。

實現(xiàn)對水文信息的大面積自動監(jiān)測需解決兩個問題：

（1）如何在惡劣環(huán)境下準確測得水位信息；

（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、建筑條件復雜的城市進行數(shù)據(jù)遠程、實時通信，且耗資少，便于推廣并進行計算機網(wǎng)絡(luò)化管理的數(shù)據(jù)通信手段。

基于GPRS網(wǎng)絡(luò)水文信息無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)自動化監(jiān)測，可大大提高地下水動態(tài)監(jiān)測的水平和質(zhì)量，為科學、合理開發(fā)利用水資源，保護生態(tài)環(huán)境奠定扎實的基礎(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)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)測中心用戶終端，實現(xiàn)水位的實時動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)分為智能信息采集終端、信息綜合服務(wù)器和用戶終端三個部分。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 水文信息自動監(jiān)測系統(tǒng)

圖1中的智能信息采集終端由單片機、GPRS無線模塊、傳感器、變送器等部分組成，主要負責采集水位信息，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、終端處理三個模塊，用來對數(shù)據(jù)進行接收、處理、存儲和顯示；用戶終端包括計算機用戶終端和GPRS手機用戶終端兩種。使用計算機終端的用戶需在計算機上安裝終端應(yīng)用程序，然后可上網(wǎng)查閱存放在信息綜合服務(wù)器中的詳細水位資料；手機用戶在獲得授權(quán)后，可通過手機得到實時的水文信息[3]。

系統(tǒng)的工作過程如下：信息采集終端采集現(xiàn)場水位數(shù)據(jù)，利用傳感器和變送器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標準信號，再經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，通過單片機的主控程序和發(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，便可啟動收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)庫中水位信息及相關(guān)信息將會發(fā)送到用戶終端[4]。

系統(tǒng)的基本功能如下：

（1）定時自動采集水位數(shù)據(jù)并存儲；

（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）對所采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并制表繪圖；

（4）利用計算機及專用軟件，通過GPRS系統(tǒng)提供的手機短信功能對觀測子站直接進行設(shè)置、調(diào)試和監(jiān)測；

（5）能進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。

2 智能信息采集終端的設(shè)計

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)測儀等構(gòu)成，如圖2所示。設(shè)計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)測儀之間連接的電纜。由于液位測量時采用壓力比較形式，故連接電纜采用中心有通氣導管的專用電纜。水文信息智能監(jiān)測儀以單片機為核心，配合模數(shù)轉(zhuǎn)換、時鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、后備電源等部分。

圖2 現(xiàn)場智能采集終端

觀測子站工作原理如下：利用分散設(shè)置在觀測點的液位、溫度變送器將測量得到液位、溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標準化輸出信號。系統(tǒng)采用4～20 mA電流信號傳輸方式將信號送入信息采集終端模數(shù)轉(zhuǎn)換部分將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，以減少信號的衰減和接線的復雜性，再經(jīng)單片機將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行分析處理。數(shù)據(jù)存儲部分使用大容量存儲芯片存儲處理后的數(shù)據(jù)。日歷時鐘具有實時時鐘計數(shù)功能還能為監(jiān)測儀提供準確的日期及時鐘信號。數(shù)據(jù)顯示部分現(xiàn)場顯示出實時監(jiān)測數(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，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測儀與各級水務(wù)部門中心監(jiān)測站的計算機之間的數(shù)據(jù)交換。后備電源部分能在市電無法正常提供的時候保證監(jiān)測儀的正常使用，且后備電源能與市電自動切換。

2.2 智能信息采集終端軟件

濾波能將信號中特定波段頻率濾除，是抑制和防止干擾的一項重要措施，基于數(shù)字濾波具有精度高、可靠性強、可程控改變特性和便于集成等優(yōu)點考慮。本系統(tǒng)利用程序用數(shù)字濾波來提高水位采樣信號的真實度。測量水位時，江河、湖泊和水庫等的波浪沖擊可能引起采樣信號產(chǎn)生瞬時、幅值較大的脈沖干擾，而一旦在采樣時刻出現(xiàn)這種干擾，系統(tǒng)就無法正常工作，所以對采樣數(shù)據(jù)進行濾波十分必要。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)個數(shù)據(jù)進行排序，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，程序脫離正常軌道，出現(xiàn)“亂飛”時使程序迅速進入正軌，還安排了“軟件陷阱”可在亂飛程序進入非程序區(qū)或表格區(qū)無法用冗余指令使程序入軌時發(fā)揮作用。數(shù)據(jù)采集分機軟件包括主程序和數(shù)據(jù)傳送子程序[5]。數(shù)據(jù)傳送子程序流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳送子程序

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)的可靠性和運行效率[6]。

3 信息綜合服務(wù)器程序的設(shè)計

水文遠程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由中心監(jiān)測站和現(xiàn)場觀測子站組成，分為兩級聯(lián)網(wǎng)。由三個環(huán)節(jié)構(gòu)成：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與存儲、遠程數(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。系統(tǒng)集合了水位信息的實時采集、預處理、數(shù)據(jù)存儲及管理功能，構(gòu)成了一個一體化的綜合信息平臺。通過無線遠程傳輸技術(shù)，實時獲取監(jiān)測點的水資源信息，按照日、月、年，分不同時段將數(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生成報表。上位機軟件管理系統(tǒng)功能主要由信息綜合管理模塊、實時遠程監(jiān)測模塊、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[4]。

圖4 上位機系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖5 水位動態(tài)曲線實時生成

3.1 實時遠程監(jiān)測模塊

實時遠程監(jiān)測系統(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，能隨時監(jiān)控監(jiān)測點的運行情況，實時采集水位、水溫數(shù)據(jù)。監(jiān)測點的水位、水溫傳感器將水位、水溫這兩個物理量信息轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸至測報儀，經(jīng)A/D將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理，并儲存。需要水資源信息時，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)測中心的Modem收到短信后，經(jīng)串口將收到的數(shù)據(jù)傳至與之相連的上位PC機。當監(jiān)測中心需要采集實時數(shù)據(jù)時，可以經(jīng)由遙測管理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集模塊向監(jiān)測站發(fā)送信息。

3.2 水資源決策支持系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用信息融合技術(shù)對多個傳感器的觀測信息進行分析、綜合處理，根據(jù)采集到的信息，在水資源數(shù)據(jù)庫中查找并計算出每個測點每個年月水位的最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)建立模型，結(jié)合當時的水環(huán)境情況、區(qū)域發(fā)展的現(xiàn)狀、總體規(guī)劃的要求，結(jié)合模型對數(shù)據(jù)進行綜合處理和全面分析。

3.3 輸出模塊

在此部分用戶可將數(shù)據(jù)導入到Excel或Word中進行查閱或做進一步處理，根據(jù)各自需求的格式自動生成電子報表，有一日報、三日報和五日報三種，并可通過打印機打印出來。

4 系統(tǒng)的功能擴展及創(chuàng)新點

目前該系統(tǒng)只用來監(jiān)測水位，但其監(jiān)測終端提供了多路模擬量輸入接口，可實現(xiàn)多路信號的同時接入。即在監(jiān)測水位的同時，對水溫、流速等進行測量。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，同時不受環(huán)境條件的限制，不但能用于水位的遠程監(jiān)測，還能對水庫堤壩、江河水渠、蓄水池等的水位進行遠程監(jiān)測。系統(tǒng)符合監(jiān)測領(lǐng)域中GPRS技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)相互結(jié)合的發(fā)展趨勢，使用方便，結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，應(yīng)用前景廣。

5 結(jié) 語

隨著信息化進程，水文信息監(jiān)測系統(tǒng)趨向網(wǎng)絡(luò)化科技化發(fā)展，要求水文信息的獲取更加精準及時，水文觀測項目和內(nèi)容也不斷增加，對觀測手段和方法及水文監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用提出了越來越高的要求。本文設(shè)計的基于GPRS的水文信息無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)（在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來實現(xiàn)），利用短消息方式，進行單片機模塊開發(fā)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。將遠距離采集數(shù)據(jù)與GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，改變了以往有線的局限，能夠?qū)崿F(xiàn)水文站的無人值守功能，改變以往人工監(jiān)測造成的低準確性。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，易于擴展，網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，不受地理位置限制，通信費用低，數(shù)據(jù)實時在線，可廣泛用于地質(zhì)，水文等領(lǐng)域，能應(yīng)用于交通不便、沒有電力的偏遠地區(qū)，具有較高的應(yīng)用與推廣價值。

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作者簡介：戴夏怡 女，1993年出生。主要研究方向為水土保持與荒漠化防治。

霍艾迪 男，1971年出生，博士、副教授。主要從事水文水資源方面的研究工作。現(xiàn)就職于長安大學環(huán)境科學與工程學院水文與水資源系。曾參加國家科研院所社會公益專項、國家十一五科技支撐計劃等多項國家級科研課題。在土地沙漠化定量遙感監(jiān)測、水土流失、地質(zhì)災(zāi)害、氣象預警、生態(tài)環(huán)境等方面有過前瞻性的研究工作。在《Canadian Journal of soil science》、《高技術(shù)通信》、《吉林大學學報（地球科學版）》等期刊發(fā)表論文近20篇，其中EI收錄6篇，SCI收錄5篇。目前主持國家博士后科研基金（2012m511961）：城市景觀水體富營養(yǎng)化多光譜遙感監(jiān)測的模型及其應(yīng)用；參與國家自然科學基金（41072183/D0213）：半干旱地區(qū)河流潛流帶中淤塞?去淤塞的機理研究。