一種水庫防洪遠程監測系統的設計

李新成　龔麗農

摘 要：針對農村地區水庫雨季隱患大、值守人員少的情況，設計了一種水庫防洪遠程監測報警系統。各水庫檢測點為系統的數據采集單元，主要由微控制器MSP430、液位傳感器等實現水情信息檢測，并通過GPRS模塊進行數據遠程傳輸。系統的遠程監測中心接收數據并處理后進行顯示，當有險情發生時，系統將啟動短信模塊報警。

關鍵詞：水位監測；GPRS通信；短信模塊

中圖分類號：TV697.1+3+TP277 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2014）04-0020-04

目前我國農村的大部分地區在水庫防洪水位監測中仍然是用人工的方式，存在著數據測量準確度低、費時費力等問題。特別是近年來，我國洪澇災害頻發，已經造成了很大的經濟損失甚至人員傷亡[1，2]。為解決水庫防洪水位的監測問題，本文設計了一種基于無線通信網絡的水位監測報警系統。該系統通過傳感器采集水位信息，并利用GPRS無線網絡將數據傳送到遠程監控中心，實現水庫水位存儲、顯示、報警以及短信提醒功能。

1 系統總體方案

系統主要由水庫水位檢測單元、通信網絡、遠程監控中心以及短信收發模塊構成，檢測單元為數據采集單元，檢測的數據經GPRS模塊發送到遠程監控中心，當有險情發生時，監控中心通過短信模塊及時將報警信息發送到值守人員手機上，實現了水庫水情的遠程實時監測和報警功能。其中，GPRS通信網絡和Internet 網絡是監控中心和各個數據檢測單元之間數據傳輸的通道。系統組成框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 水庫檢測單元設計

檢測單元是水情信息的采集中心，實現水位實時檢測和數據發送功能，系統主要包括MSP430單片機、水位傳感器模塊、GPRS模塊和電源等，檢測單元的組成框圖如圖2所示。工作時，水位

圖1 系統組成框圖

傳感器的輸出信號經A/D轉換后輸入到MSP430單片機，單片機對數據進行處理和打包，再通過串行通信方式與GPRS模塊連接，將水情信息經無線網絡上傳到系統的遠程監測中心。

圖2 檢測單元硬件組成框圖

2.1.1 水位傳感器模塊 該模塊由水位傳感器和信號變送電路組成。水位傳感器采用PTKR301，這是一種壓力式液位傳感器，其工作原理是根據壓力與水深的正比關系，運用壓敏元件來實現水位檢測[2]。當傳感器固定在水下某一檢測點時，根據該檢測點以上水柱壓力測算的高度加上該點的高程，即可間接地測出水庫水位。

壓力式傳感器具有測量精度高、安裝簡便、價格相對低廉的優點，但也存在一些缺點，如：對泥沙含量大的水質其測量精度會受到影響，工作不穩定，有溫度漂移等。為提高測量精度，我們采取了以下措施：（1）使用前對傳感器電路充分老化，以減小水位計溫度漂移；（2）施工時，通過管道將傳感器安裝在水中，并定期清理傳感器進水孔以消除泥沙和水流的影響。

2.1.2 A/D轉換器 水位傳感器輸出信號為模擬量，需經A/D模數轉換器轉換為數字量。A/D轉換器我們采用AD7705，該芯片具有16 位模數轉換精度，含有2 通道全差分模擬輸入，采用+5V單電源供電，主要用于低頻測量，若要求水位測量精度為1 cm，則理論上的水位量程可達655.35 m，能夠滿足水庫的測量范圍。AD7705芯片采用三線串行接口方式，可以方便地與微控制器連接，其中CS端連接到低電平。

2.1.3 MSP430單片機模塊 單片機系統包括處理器、存儲器、模數轉換單元等，其中處理器采用低能耗的微控制器MSP430。MSP430系列是一個16位超低功耗的混合型單片機，其主要特點有：低工作電壓、超低功耗，工作電壓范圍為1.8～3.6 V，有P1.0～P6.0 共6個數據端口，能為用戶提供更多的處理功能[3]。工作時，MSP430負責檢測水位并將檢測的數據通過串口發送給GPRS模塊。

2.1.4 GPRS模塊 本系統選用北京馳潤達通信公司的GP40型GPRS模塊用于數據的無線傳輸和通信。其端口及外觀結構如圖3所示，技術指標如表1所示[4]。

GPRS模塊數據的收發是按包透明傳輸的，收到檢測單元送來的數據后，GPRS模塊先將這些數據按包存儲到數據緩沖區，然后再按包發送到GPRS網上去。分包的原則是：當串口數據有一個大于300 ms的時間間隔，就認為一個數據包已經結束。這個時間間隔后再有數據到來，新到的數據就是下一個新的數據包的開始，直至又出現一個大于300 ms的時間間隔，這個新的數據包就結束了。每個數據包的最大長度是700 B，當數據超過700 B，而分包間隔還沒有到來時，將丟棄這一包數據。

2.1.5 電源模塊及其省電控制 各個水庫檢測點要求在沒有外部供電的情況下能持續工作，因此檢測點的自帶電源可持續供電時間必須較長，且檢測單元電路的工作能耗必須很低。

在供電方式上，本系統采用了高效可充電鋰電池和太陽能電池板技術，以解決外部無持續供電的問題。

在降低工作能耗方面，除了硬件方面選用低功耗器件外，主要在軟件上適當增加傳感器的睡眠時間，并盡可能減少數據發送量，以節省電能損耗。另外，為減小GPRS模塊的功耗，設置該模塊工作于省電模式下。在省電模式下，模塊有睡眠狀態和工作狀態兩種狀態，當有數據收發時模塊處于工作狀態，當等待接收時處于睡眠狀態。因為模塊實際工作時大部分時間都在等待接收數據，所以在省電模式中模塊大部分的時間都處于睡眠狀態中，此時模塊關閉了很多耗電的電路，使耗電大大減少，從而達到了省電的目的。

2.2 監控中心系統硬件設計

系統監控中心包括上位機和短信報警模塊兩部分，報警模塊采用北京捷麥通信公司的G100A型短信模塊來實現。G100A無線短信模塊輸出信號為TTL 電平，需要用MAX232芯片組成電平轉換接口電路，把TTL 電平轉換為RS232電平再與PC 機連接，其組成框圖如圖4所示。

圖4 監控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數據流控制線。其傳輸數據格式為：1個起始位、8個數據位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發送短信時，上位機把要發送的短信通過串口經G100A模塊發送到GSM網絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統軟件設計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監測系統的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序對系統進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數據信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數據定時發送到GPRS 網絡，再經Internet互聯網傳送到遠程監控中心[5]。當有險情發生時，系統將響應中斷程序，立即將險情信息發送到遠程監控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監測中心軟件設計

本系統開發了基于VB的遠程水位計算機監控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監測中心采用固定IP地址的組網方式[6]。監測中心接收水位檢測器發送的數據，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設定的閾值即警情發生時，監測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現短信報警功能[7]。監控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監測中心主程序流程

4 結語

本文設計的水庫防洪監測系統能夠對水位進行實時檢測，并將相關信息通過GPRS通訊模塊傳輸到遠程監控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發現并以短信方式報警，提升了防洪系統的自動化管理水平。該系統可靠性高，易于實現，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監測系統的設計與實現[J].信息技術， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監測系統的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數據采集及遠程監測系統的設計[J]. 現代電子技術，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網絡的遠程數據采集系統的設計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.

圖4 監控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數據流控制線。其傳輸數據格式為：1個起始位、8個數據位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發送短信時，上位機把要發送的短信通過串口經G100A模塊發送到GSM網絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統軟件設計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監測系統的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序對系統進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數據信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數據定時發送到GPRS 網絡，再經Internet互聯網傳送到遠程監控中心[5]。當有險情發生時，系統將響應中斷程序，立即將險情信息發送到遠程監控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監測中心軟件設計

本系統開發了基于VB的遠程水位計算機監控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監測中心采用固定IP地址的組網方式[6]。監測中心接收水位檢測器發送的數據，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設定的閾值即警情發生時，監測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現短信報警功能[7]。監控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監測中心主程序流程

4 結語

本文設計的水庫防洪監測系統能夠對水位進行實時檢測，并將相關信息通過GPRS通訊模塊傳輸到遠程監控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發現并以短信方式報警，提升了防洪系統的自動化管理水平。該系統可靠性高，易于實現，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監測系統的設計與實現[J].信息技術， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監測系統的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數據采集及遠程監測系統的設計[J]. 現代電子技術，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網絡的遠程數據采集系統的設計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.

圖4 監控中心組成框圖

G100A短信模塊的實物圖如圖5所示，該短信模塊采用的是三線制串口，即TXD、RXD、GND三條線，沒有其它的任何握手和數據流控制線。其傳輸數據格式為：1個起始位、8個數據位、1個停止位，無校驗，串口速率為固定的9 600 bps。發送短信時，上位機把要發送的短信通過串口經G100A模塊發送到GSM網絡。

圖5 G100A短信模塊

3 系統軟件設計

3.1 水位檢測單元程序

水庫水位檢測是整個監測系統的前端，其軟件部分主要包括主程序、定時程序和濾波子程序等。主程序對系統進行初始化，完成水位信息的檢測和濾波等處理；在GPRS 模塊和遠程監控中心建立連接后，水位檢測單元將采集到的數據信息進行處理、封裝后，通過RS-232C 串口將數據定時發送到GPRS 網絡，再經Internet互聯網傳送到遠程監控中心[5]。當有險情發生時，系統將響應中斷程序，立即將險情信息發送到遠程監控中心報警，其主程序流程如圖6所示。

圖6 檢測單元主程序流程

3.2 遠程監測中心軟件設計

本系統開發了基于VB的遠程水位計算機監控軟件以及PC機與G100A短信模塊的串口通信程序。

為方便與GPRS模塊通信，遠程監測中心采用固定IP地址的組網方式[6]。監測中心接收水位檢測器發送的數據，并完成各檢測點水情信息的顯示、存儲和查詢等功能，當有水位超過設定的閾值即警情發生時，監測中心計算機將通過串口程序立即啟動G100A模塊，實現短信報警功能[7]。監控中心的主程序流程如圖7所示。

圖7 監測中心主程序流程

4 結語

本文設計的水庫防洪監測系統能夠對水位進行實時檢測，并將相關信息通過GPRS通訊模塊傳輸到遠程監控中心進行存儲、顯示、查詢和打印，當有險情時，能及時發現并以短信方式報警，提升了防洪系統的自動化管理水平。該系統可靠性高，易于實現，具有較好的應用前景。

參 考 文 獻：

[1] 尚盈，雷濤，王昌.無線水位監測系統的設計與實現[J].信息技術， 2010（1）：115-117.

[2] 李繼超.基于GPRS的河流水位實時監測系統的研究[J].黑龍江科技信息， 2008（32）：51-51.

[3] 秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] 北京馳潤達通信公司.GP40型GPRS模塊使用說明[X/OL].http：//www.crdgprs.com/document/GP40shuoming.pdf.

[5] 王盟，馬艷崢，徐曉輝，等. 一種無線數據采集及遠程監測系統的設計[J]. 現代電子技術，2009（1）：30-32.

[6] 付強松. 基于無線移動網絡的遠程數據采集系統的設計[J]. 信息與電子工程，2007（5）：352-355.

[7] 北京捷麥順馳科技有限公司.短信模塊產品說明書[X/OL]. http：//www.sa68.com/document/G100V32D120619.pdf.