基于GPRS的水文信息遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案

　　本文在傳統(tǒng)的水文監(jiān)測研究基礎上提出了一種基于單片機與 GPRS網(wǎng)絡的水文信息遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)的設計方案，該方案利用GPRS網(wǎng)絡的短消息業(yè)務來完成水位、溫度等參數(shù)的無線、遠程和實時傳輸，實現(xiàn)測量結果的計算機管理，測量精度高。經(jīng)過實際使用證明，本系統(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)。

　　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、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)絡化，但其布線復雜、維護成本高使得網(wǎng)絡節(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。因此，信息化對無線數(shù)據(jù)傳輸技術的需求不斷增大。如今移動網(wǎng)絡覆蓋范圍廣，它所提供的各項數(shù)據(jù)業(yè)務使許多智能設備、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。

　　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)絡化管理的數(shù)據(jù)通信手段。

　　基于GPRS 網(wǎng)絡水文信息無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案可實現(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。通過系統(tǒng)的應用，為城市可持續(xù)發(fā)展和減災防災工作提供了必要的決策支持和多元化服務。

　　1 系統(tǒng)方案的總體結構及工作過程

　　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、信息綜合服務器和用戶終端三個部分。

　　方案的總體結構框圖如圖1所示。

　　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)送至信息綜合服務器；信息綜合服務器主要分為數(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用程序，然后可上網(wǎng)查閱存放在信息綜合服務器中的詳細水位資料；手機用戶在獲得授權后，可通過手機得到實時的水文信息。

　　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)轉換成標準信號，再經(jīng)由模數(shù)轉換器（A/D）轉成數(shù)字信號，通過單片機的主控程序和發(fā)送數(shù)據(jù)子程序將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS 調制解調器（GPRS Modem）以短消息的方式發(fā)送出去。信息綜合服務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信息將會發(fā)送到用戶終端。

　　系統(tǒng)的基本功能如下：

　?。?）定時自動采集水位數(shù)據(jù)并存儲；

　?。?）人工錄入基礎數(shù)據(jù)及相關數(shù)據(jù)的編輯與修改；

　?。?）對所采集數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并制表繪圖；

　?。?）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置、調試和監(jiān)測；

　?。?）能進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。

　　2 智能信息采集終端的設計

　　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)測儀等構成，如圖2所示。

　　方案設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水中雜質的干擾。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)轉換、時鐘芯片、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、后備電源等部分。

　　觀測子站工作原理如下：利用分散設置在觀測點的液位、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)轉換部分將模擬信號轉成數(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)通信模塊利用其內置的調制解調器，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測儀與各級水務部門中心監(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流程

　　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。數(shù)據(jù)傳送子程序流程如圖3所示。

　　智能信息采集終端軟件，使用C++語言編寫，利用面向對象程序設計的編程架構，以構件的形式搭建應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。

　　3 信息綜合服務器程序的設計

　　水文遠程監(jiān)測網(wǎng)絡系統(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，構成了一個一體化的綜合信息平臺。通過無線遠程傳輸技術，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)傳輸技術和串口通信技術采集數(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換成模擬電信號傳輸至測報儀，經(jīng)A/D將模擬信號轉換成數(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即調制解調器，再利用GPRS 網(wǎng)絡將數(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)能夠實現(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)測領域中GPRS技術、嵌入式系統(tǒng)技術相互結合的發(fā)展趨勢，使用方便，結構簡單，操作容易，應用前景廣。

　　5 結語

　　隨著信息化進程，水文信息監(jiān)測系統(tǒng)趨向網(wǎng)絡化科技化發(fā)展，要求水文信息的獲取更加精準及時，水文觀測項目和內容也不斷增加，對觀測手段和方法及水文監(jiān)測技術的研發(fā)和應用提出了越來越高的要求。本方案所設計的基于GPRS 的水文信息無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)，基于GPRS網(wǎng)絡（在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡中增加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)傳輸技術相結合，改變了以往有線的局限，能夠實現(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)的結構簡單，易于擴展，網(wǎng)絡覆蓋廣，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，水文等領域，能應用于交通不便、沒有電力的偏遠地區(qū)，具有較高的應用與推廣價值。（作者：戴夏怡，霍艾迪，伍雅婧，李豐谷，張玉展，張小南）