基于SDI-12總線的地下水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王艇 李博

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.北京字節(jié)跳動科技有限公司，北京 100000）

基于SDI-12總線的地下水監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王艇1李博2

（1.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.北京字節(jié)跳動科技有限公司，北京 100000）

隨著采集技術(shù)的更新，生態(tài)水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷向網(wǎng)絡(luò)化、微型化和智能化的方向發(fā)展。近年來，在水文監(jiān)測領(lǐng)域的推廣下，SDI-12總線（Serial Digital Interface with 1200 band）作為一種新型串行數(shù)據(jù)通訊接口協(xié)議，是為采集環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器所設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)總線。它在對比了傳統(tǒng)監(jiān)測手段與現(xiàn)代化自動監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于SDI-12總線的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和計算機技術(shù)相結(jié)合，完成了實驗室的初步設(shè)計，實現(xiàn)對水位、水溫及pH值等參數(shù)的實時采集、無線傳輸以及遠程管理。

地下水監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集；SDI-12總線；GPRS；B/S架構(gòu)

在我國，地下水是非常重要的供水資源，全國大約有66%的城市是依賴地下水供水的。根據(jù)調(diào)查可知，每年大約農(nóng)業(yè)用水量占地下水開采量的80%以上。

本文針對地下水保護方案，采用單片機技術(shù)、無線傳輸技術(shù)、自動化及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)初步設(shè)計實現(xiàn)24h地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)。進行數(shù)據(jù)自動采集、自動處理，并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)自動傳送到監(jiān)測中心。這便于地下水環(huán)境管理部門及時掌握水體狀況、了解水情信息，從而可以及時預(yù)警預(yù)報重大地下水事故，為地下水的排放達標(biāo)等提供可靠的依據(jù)［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個系統(tǒng)設(shè)計要遵循的原則主要有：經(jīng)濟性、合理性、實用性、可擴性、安全性、可維護性、開放性。

1.1 系統(tǒng)布局

地下水遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測現(xiàn)場和監(jiān)測中心兩部分組成。監(jiān)測現(xiàn)場主要由地下水?dāng)?shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊組成。監(jiān)測中心則是裝有管理信息系統(tǒng)軟件的客戶端，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互通，將結(jié)果傳輸?shù)街髡究刂浦行?。地下水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)造如圖1所示。

1.2 監(jiān)測現(xiàn)場的設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測端點主要由三部分構(gòu)成：采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。監(jiān)測現(xiàn)場通過先進的傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)和通信技術(shù)實現(xiàn)了對地下水的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)自動處理。地下水監(jiān)測現(xiàn)場的設(shè)計如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

圖2 監(jiān)測采集現(xiàn)場設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖3給出了整體系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖，其中包括主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、串口調(diào)試模塊、GPRS無線傳輸模塊、液晶顯示、SD卡模塊和電源管理模塊等。單片機選用的是MC9S12XS128主控芯片，測量地下水參數(shù)的傳感器采用的是Level TROLL 700壓力式水位傳感器、DS18B20溫度傳感器以及PC2121復(fù)合電極PH值傳感器。

圖3 系統(tǒng)硬件組成框圖

2.1 顯示電路

本設(shè)計中選用的液晶顯示模塊是LCD1602顯示屏。在實驗室環(huán)境下測得水溫（單位：℃）、水位（單位：m）、pH值在LCD1602液晶顯示屏的顯示結(jié)果如圖4所示。

圖4 LCD1602液晶顯示結(jié)果

2.2 SD卡接口電路

本設(shè)計采用MC99S12XS128對SD卡進行控制，主機系統(tǒng)選用SPI模式［2］，其與SD卡的接口電路圖如圖5所示。

圖5 MC9SXS128單片機與SD卡接口電路圖

2.3 系統(tǒng)防雷電路

由于地下水自動監(jiān)測站一般都建在野外，其工作環(huán)境惡劣，因常年進行監(jiān)測，極有可能遭受雷擊。為了保障系統(tǒng)安全運行，必須制定防雷措施。本系統(tǒng)中采用的措施是利用齊納擊穿原理在地與電源之間加上瞬態(tài)防雷二極管來保護地下水自動監(jiān)測站的工作。如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)防雷電路

2.4 傳感器接口電路

圖7是SDI-12傳感器接口電路［3］。該電路利用接口電路的特性，可以并行連接多個傳感器到總線上使用，且該電路是帶瞬態(tài)傳輸保護功能的，電路中的接地和數(shù)據(jù)采集器的接地端與總線中的地線相連。如果將傳感器電路連接到大地，那么連接到傳感器和數(shù)據(jù)采集器之間的地線應(yīng)足夠粗（導(dǎo)線直徑大于2cm），可以起到雷電防護的作用。

圖7 SDI-12傳感器接口電路

2.5 通信模塊接口電路設(shè)計

由于本設(shè)計主要用于野外環(huán)境中對地下水?dāng)?shù)據(jù)的采集，所以最后選SIM300。SIM300內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧。同時，在該模塊的使用過程中，為了使用戶更加方便地開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，還擴展了TCP/IP AT指令集。此外，SIM300睡眠模式下的電流消耗僅為2.5mA，其具有低功耗的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

監(jiān)測站主程序是一個以MC9S12XS128單片機為核心的按順序執(zhí)行的無限循環(huán)的程序。應(yīng)用程序的主體是一個無限循環(huán)，循環(huán)內(nèi)部對數(shù)據(jù)定時采集、處理、存儲及顯示，由定時器定時中斷和接收一個完整的數(shù)據(jù)幀所引發(fā)的接收中斷來喚醒單片機，一般設(shè)定間隔一小時讓傳感器采集一次數(shù)據(jù)，當(dāng)采集時間一到，立即喚醒單片機進行數(shù)據(jù)采集和處理，然后通過SIM300傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。

3.2 數(shù)據(jù)采集測試

數(shù)據(jù)采集終端采集相關(guān)數(shù)據(jù)之后，設(shè)置串口等一系列初始化項將測得的結(jié)果發(fā)送到串口助手。在主函數(shù)中設(shè)置采集信息每隔30s發(fā)送一次到串口。測得的數(shù)據(jù)參數(shù)依次為水溫、水位、pH值。

3.3 GPRS通信程序設(shè)計

采集終端將采集到的實時數(shù)據(jù)通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器［4］。通信過程是，首先串口到GPRS模塊，然后由GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GMS移動網(wǎng)通信網(wǎng)，再到互聯(lián)網(wǎng)。設(shè)計中用到的GPRS模塊為SIM300模塊。GPRS在SIM300模塊工作流程如圖8所示。

圖8 GPRS在SIM300模塊工作流程

4 地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)實驗結(jié)果

4.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

基于SDI-12總線的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一套獨立的信息管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，管理者可以實時查詢當(dāng)前采集值及采集狀態(tài)，可以導(dǎo)出實時采集到的數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)，便于分析地下水水情變化趨勢。為了信息管理的安全性，可以對不同管理者設(shè)置不同的管理權(quán)限。管理員可以添加用戶、設(shè)置用戶權(quán)限、設(shè)置采集參數(shù)等，而普通用戶只能查詢相關(guān)信息，不能對某些參數(shù)進行設(shè)置。

4.2 系統(tǒng)測試結(jié)果

考慮到B/S模式的遠程監(jiān)測系統(tǒng)完全開放在互聯(lián)網(wǎng)上［5］，因此安全性問題值得考慮。為實現(xiàn)本系統(tǒng)的安全性，要求在使用某些功能時要先輸入密碼口令，輸入時只接受不顯示，經(jīng)系統(tǒng)確認后方可進入系統(tǒng)進行下一步操作。系統(tǒng)登錄界面如圖9所示。

圖9 登錄界面顯示

圖10為進入系統(tǒng)的主界面，根據(jù)提示選擇各個模塊的樣值顯示，如水位信息、水溫信息、pH值信息。顯示的內(nèi)容包括傳感器編號信息、數(shù)據(jù)采集的時間及采集的數(shù)據(jù)樣值。同時，管理員可以對每條信息進行管理，刪除或者點擊查看具體狀態(tài)，可以將測量的信息導(dǎo)出Ex?cel格式。

圖10 系統(tǒng)主界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于SDI-12總線的地下水監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和微計算機技術(shù)相結(jié)合，在實驗室初步設(shè)計實現(xiàn)對地下水水位、水溫及pH值等參數(shù)的實時采集、無線傳輸及遠程管理。該系統(tǒng)具有高精度、低功耗、運行穩(wěn)定、投資少、可靠性高等可實用性特點。

［1］周仰效，李文鵬.地下水監(jiān)測信息系統(tǒng)模型及可持續(xù)開發(fā)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［2］范寒柏，王少仙，彭安.大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（4）：30-32.

［3］程序，陳向飛.基于SDI-12的智能溫濕度傳感器系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2009（12）：23-25.

［4］王昆，陳昕志.基于GPRS的地下水動態(tài)水位監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.計算機測量與控制，2011（2）：263-265.

［5］劉媛，張偉，王知學(xué).基于B/S和C/S架構(gòu)的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（10）：39-41.

Design of the Groundwater Monitoring System Based on SDI-12 Bus

Wang Ting1Li Bo2
（1.Huaian College of Information Technology，Huaian Jiangsu 223003；2.Beijing Byte Beating Technology Co.，Ltd.，Beijing 100000）

With eco-hydrological data collection systems are becoming more networked,minimize,intelligent and standardized.SDI-12 bus is a new-typed serial data communication interface standard and has been widely used in hydrological monitoring filed.Comparing the modern automatic monitoring tools with traditional monitoring tools,we designed a kind of monitoring groundwater system based on SDI-12 bus,combined with sensor technology,data com?munication technology and computer technology.We completed the preliminary design of the laboratory.The whole system can collect real-time water level,water temperature and pH value and other parameters to realize wireless transmission and remote management.

groundwater monitoring；data collection；SDI-12 bus；GPRS；B/S architecture

TP274.2

A

1003-5168（2017）08-0036-03

2017-07-02

王艇（1989-），男，碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、視頻圖像；李博（1989-），女，碩士，測試開發(fā)工程師，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)。