郭志俊，陳光亮

(浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州 310018)

0 引言

水資源短缺已經(jīng)逐步成為制約地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的瓶頸，尋求解決水資源需求與短缺之間的矛盾是各地水利管理部門的當(dāng)務(wù)之急.針對(duì)水庫(kù)灌區(qū)工程分散的特殊性，建立水庫(kù)灌溉實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于及時(shí)掌握水庫(kù)灌區(qū)水情變化、作物需水情況和灌溉供水的動(dòng)態(tài)變化情況是十分必要的，是確保灌區(qū)工程安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、提高用水效率、保障灌區(qū)持續(xù)發(fā)展的實(shí)際需要.水庫(kù)灌溉用水管理主要包括計(jì)劃制定、水位數(shù)據(jù)采集、泵站啟停、閘門控制、流量檢測(cè)、水量計(jì)算及水費(fèi)用結(jié)算等下作.目前，大型灌區(qū)已經(jīng)建立起相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，主要側(cè)重于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用.大多數(shù)中小型灌區(qū)，由于受投資能力、管理規(guī)模、人員素質(zhì)等條件的限制，水利信息化水平仍然較為落后.建立一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的水庫(kù)灌溉用水監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)水位、監(jiān)控閘門運(yùn)行狀態(tài)及閘門高度的自動(dòng)控制，改變?nèi)斯ぶ凳赜涗洈?shù)據(jù)的落后狀況，對(duì)于水資源調(diào)度和抗旱防汛具有非常重要的意義.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案由監(jiān)控中心和現(xiàn)場(chǎng)采集與監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，見(jiàn)圖1，供水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集終端可采集水位、壓力、流速、等各種數(shù)據(jù)，供監(jiān)控中心及有關(guān)部門分析和決策使用.數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，分為上行傳輸通道和下行傳輸通道，上行傳輸專業(yè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，下行傳輸指令數(shù)據(jù)，有效的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)供水設(shè)備的啟停、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)等，極大的降低了故障率和提高了對(duì)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間.現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)施，是以單片機(jī)ARM2132為核心，AVR與單片機(jī)連接組成分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)收集各個(gè)傳感器上的狀態(tài)信息并將這些信息按照一定的格式傳送給上位機(jī)，所采集的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)按照協(xié)議傳遞給遠(yuǎn)端的控制中心，數(shù)據(jù)分析處理由監(jiān)控中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)配合相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析處理軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)的最終匯總、分析以及做出相應(yīng)的決策響應(yīng)[1］.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，其中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控中心信息管理保持相對(duì)獨(dú)立性，有利于系統(tǒng)的調(diào)試、升級(jí)與擴(kuò)展.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 單片機(jī)與GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其主要硬件是由單片機(jī)和GPRS模塊(MC55芯片)組成，其部分電路原理圖見(jiàn)圖2，其中單片機(jī)LPC2132是系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)GPRS模塊與外網(wǎng)的連接，接收并處理GPRS模塊上傳來(lái)的數(shù)據(jù)包;組裝或生成要發(fā)送數(shù)據(jù)包并傳送給GPRS模塊，通過(guò)串口與數(shù)據(jù)采集模塊連接或控制其他串口與外接模塊的工作.單片機(jī)LPC2132與GPRS模塊之間的通信，主要是通過(guò) TXD0、TXD、RXDO、RXD端口完成數(shù)據(jù)傳輸，其中TXDO端口是GPRS模塊用于接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，單片機(jī)TXD端口是用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)，RXDO端口是用于GPRS模塊向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)的RXD端口則是用于接收從GPRS模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù).S1M卡的6個(gè)引腳 CCCLK、CCVCC、CC10、CCRST、CC1N 以 及 CCGND，分 別 接 在MC55的1到6腳上，這里接的S1M卡有分別對(duì)應(yīng)接在 MC55的第1到第6個(gè)引腳上，實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸及短信的收發(fā)[2］.

圖2 LPC2132與GPRS模塊電路原理圖

3 數(shù)據(jù)采集與控制電路設(shè)計(jì)

水庫(kù)灌溉現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)主要有:水位、流量、閘門開(kāi)關(guān)等信號(hào)，這些信號(hào)可以轉(zhuǎn)化為模擬量或數(shù)字量，對(duì)于連續(xù)的模擬量可轉(zhuǎn)化為電壓變化信號(hào)，通過(guò)AD0～AD3四個(gè)端口接入到ATmega8單片機(jī)的ADC端口，見(jiàn)圖3，片內(nèi)有8通道的模擬多路復(fù)用器，能直接對(duì)8路單端電壓輸入進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并帶有采樣保持電路，現(xiàn)場(chǎng)模擬電壓信號(hào)可轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)可以通過(guò)PB1～PB4端口輸入到單片機(jī).現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)是通過(guò)TXD、TXR端口傳輸?shù)絃PC2132和GPRS模塊，其傳輸過(guò)程是單片機(jī)首先對(duì)下位機(jī)地址進(jìn)行識(shí)別，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給中心控制系統(tǒng)，中心對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行判斷，通過(guò)GPRS發(fā)送控制指令給ATmega8單片機(jī)，由單片機(jī)輸出模擬控制量，由驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制設(shè)備開(kāi)、停機(jī)和事故停機(jī)自動(dòng)實(shí)時(shí)控制.采集電路可以通過(guò)PD端口對(duì)不同的監(jiān)測(cè)終端設(shè)置地址，來(lái)區(qū)分其編號(hào)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)控.

圖3 信號(hào)采集與控制電路圖

4 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Delphi7來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面和通信功能，軟件功能框圖見(jiàn)圖4.

圖4 軟件功能框圖

(1)主界面是整個(gè)軟件的框架，管理各個(gè)功能模塊.

(2)任務(wù)配置模塊主要配置采集的各個(gè)參數(shù)，包括各個(gè)終端模塊地址，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔等數(shù)據(jù).

(3)數(shù)據(jù)采集模塊是根據(jù)任務(wù)，定時(shí)發(fā)送采集命令，讀取各個(gè)終端的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)把數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)庫(kù)控制模塊，保存數(shù)據(jù).

(4)數(shù)據(jù)查詢模塊主要是根據(jù)用戶要求從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖表顯示，同時(shí)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的功能.

(5)通信模塊是負(fù)責(zé)接收來(lái)自GRPS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理.

(6)控制模塊負(fù)責(zé)分析采集來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)值超過(guò)用戶設(shè)定的限值時(shí)，控制模塊自動(dòng)發(fā)送停機(jī)指令，也可用戶手動(dòng)控制[3］.

5 結(jié)語(yǔ)

本文以PC機(jī)為中心控制機(jī)，在windows操作系統(tǒng)下，利用Delphi7開(kāi)發(fā)了灌區(qū)人機(jī)交互控制界面.現(xiàn)場(chǎng)采集與控制系統(tǒng)充分利用ARM功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，以及GPRS組網(wǎng)方便的特點(diǎn)，以ARM微控制器LPC 2132為主控單元，用GPRS通信模塊MC55作為調(diào)制解調(diào)芯片，實(shí)現(xiàn)了灌溉工況的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能.

[1]徐國(guó)章，鄭雪峰，涂序彥.灌區(qū)灌溉用水測(cè)控與管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(33):21 －23.

[2]呂 鑫，王 忠.GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(9):18 －20.

[3]何 瑛，工航宇.基于GPRS的分布式灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J］.西安:電子設(shè)計(jì)工程，2009(3):19－20.