基于GPRS超低功耗地下水遠程數據采集終端的研究

李祥坤

(青海省水文水資源測報中心， 西寧 810001)

1 引言

地下水是水資源的重要組成部分，在有些平原城市甚至是唯一的水源，而這種對地下水資源的高度依賴性，體現了地下水監測的重要性，它對開展城市建設布局研究和制定區域經濟發展規劃有重大參考意義。針對于我國地下水專用監測井稀少、密度低、監測技術落后、信息服務能力薄弱等突出問題，推進科學先進監測手段的應用從而及時獲取有效信息尤為必要。

GPRS(General Packet Radio Service的簡寫)是通用分組無線服務技術的簡稱，它是一種基于GSM系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS是一項高速數據處理的技術，GPRS是以封包(Packet)形式來傳輸的。全國覆蓋的網絡可以及時低成本地傳輸地下水的數據信息。本文介紹的基于GPRS超低功耗地下水遠程數據采集終端(以下簡稱終端機)，非常適用于無人值守的全國地下水位數據采集和管理發送[1]。

2 系統結構及功能

本文介紹的這款地下水監測系統分為地下水終端機和監測軟件(另文闡述)兩部分，地下水終端機是內置GPRS模塊系統與供電系統的浮子傳感方式的水位計。如圖1所示。

圖1 地下水位監測系統結構圖

地下水終端機分布安裝在各個采集點上，將采集點所對應的水位定時采集，并存儲在唯一的存儲空間中(不同時間對應唯一地址)。在每天早8時通過GPRS網絡發送到上位機。每個地下水終端機都能夠設置站號，這就保證了數據不會混淆，根據站號就可以判斷出是哪個采集點的數據。數據報文在上位機監測軟件中解析后可顯示各個采集點的水位數據。

3 地下水終端機

3.1 硬件組成

本文所描述的地下水終端機主要包括CPU控制系統、GPRS模塊、水位采集傳感系統、數據存儲系統、時控系統和供電系統。終端機完整的硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 地下水終端機硬件組成圖

3.2 時控系統和供電系統

本文選用的供電方式為在值守狀態下關閉整個系統的電源，電子開關處于關閉狀態，僅時控芯片在微弱電流下工作，實測為1.5微安，已經接近或低于電池的自放電。根據設定的時間點，時控芯片自動恢復，并啟動電子開關，給整個系統供電。當系統完成相關數據的采集和發送后，又處于完全掉電狀態。

供電系統選用自放電性能較好的鋰電池，根據5Ah鋰電池的計算理論，可以滿足超過15年的供電需求。本文選用2節2600mAh的鋰電池并聯，考慮到間斷的數據采集和數據發送功耗，可以運行工作超過15年。采集時間為0.5s，采集平均電流為60mA,采集6次發送時間為30s,平均電流為100mA，每天發送1次。系統理論耗電如下：

值守平均電流：1.5μA=0.0015mA

數據采集平均電流：60×0.5×6/(60×60×24)=1/480mA

數據發送平均電流：100×30×1/(60×60×24)=5/144mA

電池供電時長：2600×2/(0.0015+1/480+5/144)≈135762hour≈5656day≈15.49year

3.3 GPRS模塊

SIM900A通信芯片用于水位檢測系統的內置GPRS模塊中。SIM900A采用行業標準接口，SIM900A的工作頻率分別為GSM/GP850/900/1800/1900MHz,低功耗可實現語音、短信、數據和傳真信息的傳輸[2]。終端使用SIM900B芯片，把數據經過GPRS信道傳輸到數據中心，實現了各個節點的水位數據的收集。運用GPRS的方法采集具有巨大的優勢。基于GPRS系統，在上位機軟件電子地圖上就可以清晰看見水位監測系統的分布以及對應的水文信息，可以實現地下水位的分布及水位的信息化管理[3]。

3.4 水位傳感系統

浮子水位計按照國家標準GB/T1828.1—2002要求設計、制造。儀器結構簡單、工作可靠、維護方便、價格較低，具有良好的測量精度和工作穩定性(如圖3所示)。上部有機械讀數視窗，側面是水位輪，浮子的升降帶動水位輪旋轉，水位輪帶動內部機械轉盤，從而顯示相應水位數據[4，5]。

水位傳感系統是通過主控芯片輪采集各位對應的電平，并通過機械轉盤的變化帶動相應位置開關按鍵的變化產生機械信號，轉盤機械信號轉換為電信號格雷碼信號。主控板對電信號進行采集、計算，就得到了水位值。

圖3 浮子水位計結構原理圖

由于浮子帶動輪盤轉動，這就要求輪盤轉動的摩擦力不能太大，內部開關使用的是進口歐姆龍滾珠擺桿型微動開關。

3.5 存儲系統

按照《國家地下水監測工程(水利部分)數據通信報文規定》所述，水位監測站采用六采發一的工作方式，每隔4h采集一次，每天采集6次(同時存入固態存儲器)，最后一次采集為次日早8時；同時還會采集實時電源電壓，這樣即使通信出現問題也不會丟失水位數據。確保每天早8時發送一次數據共6組數據。

數據存儲按照年、月、日、時、水位、水溫數據進行排列存儲，一次水位數據分配16字節，每個月分配30720字節。這樣對于存儲地址有著很好的管理，下載數據時只要根據這個地址就能很好地找到對應的水位數據。存儲器為16M固態存儲器。按照這種存儲方式，16M的存儲空間可以存儲約46年水位數據。水位數據可以通過遠程下載，也可以通過側面下載端口下載任意時段的水位數據，同時可以通過配置端口設置相應的參數。

4 終端機基本工作原理

終端機平時處于值守狀態，在采集時間點到時喚醒CPU進行水位采集，并將其存儲，如果需要發送就開啟無線發送模式，進行報文發送。發送后在30s內處于等待報文狀態，在此期間可以與其進行通信，設置修改各種參數。配置狀態中，技術人員可以設置站號、時間等參數，我們可以使用GPRS無線方式遠距離配置，同時可以用配置電纜線通過接口隨時配置。完成配置后系統進入低功耗的值守狀態[6]。終端機工作流程圖如圖4所示。

圖4 終端機工作流程圖

5 終端機報文

配置狀態中，終端機與上位機之間通過報文進行通信，此時技術人員可以設置站號，時間等參數。可以使用GPRS無線方式遠距離配置，同時可以用配置線通過接口隨時配置。

5.1 報文格式說明

通信報文按照《水文監測數據通信規約》(SL651—2014)和《國家地下水監測工程(水利部分)監測數據通信報文規定》編寫，分為監測站自報報文、遠程數據下載報文、實時數據查詢報文等。本項目采用HEX/BCD編碼的報文編碼結構。

監測站自報報文采用每日6次采集1次報送方式，采集時間確定為12時、16時、20時、00時、4時、8時,報送數據時間為每日8時;該報文正文中應包括監測參數、實時電源電壓、電源警告等；中心站在接收成功測站自報數據后，給該站返回“確認報”，測站從“確認報”中取得中心站發報時間，以此用于本站校時，此步驟之后，監測站進入“值守”狀態。

遠程數據下載(中心站查詢遙測站時段數據，雙向報文)：當中心站收到某測站定時自報數據時，若中心站需查詢該站某時段數據，則中心站立即下發數據下載命令報文，監測站收到該命令報文后，實時根據命令要求同時上報水位和監測站供電電壓實時數據[7]。

5.2 報文傳輸鏈路

監測站自報報文的傳輸鏈路的方式是：采用自報式報文傳輸。報文從遙測站發出之后，中心站如果接收報文正確，就會發送“確認”報文；如果中心站接收報文無效，那么就不響應。自報式M2發送/確認傳輸模式如圖5所示。

圖5 自報式M2發送/確認傳輸模式

6 結束語

本文基于GPRS超低功耗地下水遠程數據采集終端,具有數據采集精度高、實時性好、覆蓋范圍廣等優點，能解決人工地下水位觀測客觀性差、可靠性低的問題,可以實現區域地下水動態監測自動化監測的目標,達到提高區域水資源管理水平和工作效率的目的,有很高的推廣與應用價值。