基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統設計

江世雄，李熙，羅富財，陳垚，翁孫賢

（國網福建省電力有限公司，福建福州 350007）

近些年來，我國的水土流失情況變得越來越嚴重，水土流失面積占我國土地總面積的41%，給人們的生產生活和人身安全造成了嚴重的影響，政府對此非常關注，出臺了一系列的水土保護措施。徑流泥沙含量可反映水土流失程度，是一個關鍵的衡量指標，測量徑流泥沙的含量是一項十分重要的工作，將測量得到的地表徑流泥沙含量數據上傳至監測系統，技術人員通過監測系統上的徑流泥沙數據評估當地的水土流失狀況，根據評估結果為預防水土流失采取相應的措施[1-2]。

為此，國內的研究學者們設計了大量的監測系統，其中包括利用反射率數據監測徑流泥沙濃度、遙感法評估徑流泥沙淤積狀況、通過掌握徑流泥沙與雨量的變化規律，對徑流泥沙數據庫進行信息管理、設計徑流泥沙含沙量監測系統等幾種方法，上述研究工作對徑流泥沙的監測起到了一定程度的推動作用，但徑流泥沙監測設備一般設置在水庫、山區等無人看守的地區，需要工作人員現場采集監測數據，導致監測效率較低，以上設計的監測系統無法實現監測數據的實時上傳和監測，很難滿足無人實時采集的要求[3-5]。

基于以上傳統監測系統出現的問題，該文設計了一種基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統，該系統采用GPRS 通信技術實現地表徑流泥沙監測數據的遠程傳輸，能夠實時在線監測徑流泥沙含量數據，并可以實現自動、實時數據存儲，促使該系統實現網絡信息化。

1 系統硬件設計

基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

根據圖1 所示的硬件結構，分別設計采集器、控制器、傳輸器和監測器。

1.1 采集器設計

監測系統的采集器芯片選擇三星公司的SM2394，該芯片集成了放大器、電壓調節器和A/D 轉換器等外設，該文設計的采集器主要用于采集水庫、山區等地的徑流泥沙含量數據，可本地存儲8 MB 字節容量的數據，在監測現場就可進行數據存儲。采集器內部設置了傳感器，可采集地表徑流泥沙的電壓信號，將其進行離散化操作[6-7]。采集器結構如圖2所示。

圖2 采集器結構

傳感器采集信號與電壓信號進行對比得出相位差值信號，采集器采用線性濾波和求取均值的方式采集數據，且速度較快，可以實現30 s 采集30 個數據。采集器電路圖如圖3 所示。

圖3 采集器電路圖

1.2 控制器設計

監測系統的控制器模塊主要包括數據存儲模塊、主控制器、狀態控制模塊。其中，數據存儲模塊可緩存并存儲多路徑流泥沙數據，并將數據輸出至控制器后端模塊，狀態控制模塊可以對比徑流泥沙電流、電壓信號之間的狀態，并產生相應的狀態控制指令。主控制器內設有存儲器，該存儲器的地址空間為256 MB，采集器采集的徑流泥沙數據在由數據庫輸入存儲器前，需要完成相應格式的數據打包操作，根據格式源包的大小將存儲器的地址空間分成兩部分：一部分為構成存儲數據包的18-8 位地址，另一部分為構成存儲數據包的7-0 位地址。由主控制器對地址指針進行控制，徑流泥沙含量數據每構成一整包數據，該數據包地址加1，這樣可以使存儲器與地址信息進行交互，并通過主控制器對徑流泥沙數據包內的數據地址進行處理，每完成一整包徑流泥沙數據的讀、寫，整包數據就經由GPRS 通信技術遠程傳輸至監測系統[8-12]。控制器電路圖如圖4所示。

圖4 控制器電路圖

1.3 傳輸器設計

監測系統的傳輸器選擇TI 公司的TD5428，芯片選擇三星公司的SD4398，傳輸器內部集成了單片機和處理器，具有豐富的外設和接口。傳輸器可利用串行通信接口和傳輸器芯片共同構成通信網絡，在通信網絡中可引入PC 機通過并行通信監測徑流泥沙的濃度、含量指標，監測器的驅動器電容負載最高可達2 800 pF，通信距離不會受到電容的限制，并且在傳輸過程中不存在共地噪聲，可以更好地抑制共模干擾，通常采用平衡式傳輸方式來傳輸徑流泥沙的電流和電壓信號，其輸入和輸出方式均采用差動方式，如果在傳輸過程中受到外界的干擾，驅動器的信號線會產生抗干擾電平，以保證差動輸入和輸出的正常運行。傳輸器內的單片機通過串行通信接口傳輸徑流泥沙的狀態信息，PC 機由USB 接口向監測系統發送徑流泥沙的濃度數據[13-16]。

1.4 監測器設計

監測器內部150 ksps 的A/D 轉化器是監測器的核心器件，具有8位分辨率，輸入和輸出范圍為2～12 A，可以高效處理精度為2 mA 的輸出電流，內置的傳感器包括溫度傳感器和供電傳感器，溫度傳感器可以監測徑流泥沙的溫度和濃度，轉換器將供電傳感器上的徑流泥沙信息存儲到存儲器內，監測器的內置存儲器存儲容量為256 kB，可以協助監測系統的存儲器完成對徑流泥沙各項信息和數據的存儲。監測器的通信接口包括動態再配置接口、狀態監測接口和控制接口，動態再配置端口可以在任意時間讀取存儲在數據包中的徑流泥沙信息，狀態監測接口可實時監測監測系統所有器件的狀態，如果有任何一個器件的狀態信息出現異常，狀態監測接口會將異常信息發送至后臺，方便工作人員及時檢測，保證盡快恢復對地表徑流泥沙含量的采集、傳輸和分析。

2 系統軟件設計

GPRS 通信是一種無線分組數據交換和數據傳輸技術，該技術利用GSM 的時隙，數據傳輸速率正常為61.7 kB/s，最高能達到178.4 kB/s。與此同時，GPRS 的接入速度快，可以隨時向用戶提供清晰的地址通道。移動用戶完成登錄操作后，GPRS 也會一直在線或者處于與用戶連線的狀態，能夠實時在線。該文設計的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統會始終伴有GPRS 網絡，工作人員登錄監測系統后，可以實時在線發送和接收徑流泥沙所有的數據信息，根據徑流泥沙的數據指標，及時掌握當地的水土流失情況[17-19]。

該文設計的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統的流程如圖5 所示。

圖5 基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監測系統流程

首先，采集地表徑流泥沙的含量。利用監測系統的采集模塊采集地表徑流泥沙的泥沙量、當地前后兩天的降雨量和徑流總量這3 種數據信息，在采集過程中要確保沒有其他因素的干擾，以保證采集數據信息的完整性和真實性。

采集完成后通過GPRS 通信技術進行遠程實時傳輸，并將獲得的數據信息存儲至監測系統的數據庫中。監測系統的通信模塊屬于接入終端設備，支持無線分組轉移模式以及GPRS 通信網絡，工作人員通過使用移動設備與GPRS 進行網絡直連，在GPRS通信網絡內嵌入了網絡TCP/IP 協議，通過GPRS 與監測系統建立連接就可以進行數據信息的傳輸，在傳輸過程中，終端設備與網絡服務器指定一個傳輸IP 地址，通過傳輸通道與終端設備進行連接，在接收數據信息發送的請求后，按照阻塞式接收方法與服務器進行連接，可以實時在線發送并接收數據信息包，接收到上傳的徑流泥沙數據信息包后，按照TCP/IP協議格式將其解析，最后將解析完的數據信息存儲至監測系統的數據庫中。

最后，顯示并分析徑流泥沙數據信息。將儲存在數據庫中的徑流泥沙數據信息提取出來，以列表形式顯示，或者通過計算機屏幕上的導出鍵將徑流泥沙數據信息及其他信息以Excel 形式顯示，對表中的數據信息按照相關條件進行篩選，篩選結果通過可放大曲線圖表示，再由工作人員對表中的徑流泥沙原始數據和曲線圖中體現的變化規律進行分析，幫助工作人員觀測和了解監測設備的連接狀態和工作狀態，便于及時進行維護，通過分析徑流泥沙數據信息，了解當地地表徑流泥沙的狀態，掌握水土流失情況，及時采取預防措施。

3 實驗研究

為了驗證該文設計的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統的有效性，采用了GPRS 通信技術，通過實驗與文獻[5]提出的基于多源雷達遙感技術的黃河徑流反演研究進行對比，驗證其有效性。文獻[5]的監測系統采用遙感法評估徑流泥沙數據結果，需要工作人員現場采集相關數據，存在較多的不確定因素，還會受到現場采集環境的限制，導致無法實現在線監測徑流泥沙數據，并且監測效率較低。該文設計的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統，采用了GPRS 通信技術，利用其較為理想的傳輸速率和實時在線的特點，使工作人員通過網絡服務器就可實時監測地表徑流泥沙的數據以及監測設備的運行狀態，一旦發現監測設備發生故障，工作人員可以接收相關的異常數據從而判斷故障原因，及時派遣維修人員進行維護，同時可以實時監測并掌握徑流泥沙的數據信息，如果發現數據有較大的波動，則可以判斷水土流失情況，從而及時采取相關預防措施，相較于現有監測系統更具有實時性，提升了監測的效率。

除此之外，該文設計的監測系統比文獻[5]監測系統監測的徑流泥沙含量數據具有更高的準確性，徑流泥沙含量的監測值和實際值對比結果如表1所示。

表1 監測結果準確率

由表1 可知，該文系統監測到的徑流泥沙數據值與實際值僅相差0.2 kg/m3，且監測值與實際值的最小差距為0.18 kg/m3，波動較小，數據較為穩定，而文獻[5]系統監測的數據值與實際值相差了1.2 kg/m3，監測值與實際值的差距在1.2～1.5 kg/m3之間波動，波動較大。因此，該文設計的監測系統準確性高于文獻[5]系統，穩定性更好。綜上所述，該文設計的基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監測系統具有更高的穩定性。

4 結束語

針對地表徑流泥沙含量數據監測效率低，無法實現在線準確監測的問題，該文設計了基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監測系統。該系統利用GPRS 較高的數據傳輸速率以及實時在線的特點，從采集器、控制器、傳輸器和檢測器硬件優化，以及更新地表徑流泥沙在線監測流程兩部分進行研究，實現了徑流泥沙在線監測。性能測試結果表明，該文系統地表徑流泥沙含量數據監測準確性較高，可為水土流失預警提供數據參考。