王飛飛，李瑋瑤

（平頂山學院 河南 平頂山467000）

水庫的水位監(jiān)測是一項關系到人民安危的重要工作，監(jiān)測數據的質量和精度都會影響到水情信息的準確性和實時性。隨著監(jiān)測技術的不斷發(fā)展，計算機、無線通信、微電子等先進技術逐漸地應用到了水位監(jiān)測中。 由于大部分的水庫位置偏僻、依靠人工采集監(jiān)測數據存在執(zhí)行效率低、存在誤差等問題[1]。因此，本論文在分析現有水庫水位監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，采用新型的水位傳感技術和無線通信技術，設計了一種基于GPRS 的水庫水位實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現水庫水位數據的實時采集、處理和顯示等功能。 該系統(tǒng)包括數據采集、數據傳輸、數據處理、遠程監(jiān)測中心四部分[2-3]。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

本水位監(jiān)控系統(tǒng)包括對水位及周邊環(huán)境的溫濕度， 光照度的測量。 水位的測量通過壓阻式水位傳感器實現，通過將水位的狀態(tài)轉換成模擬信號，再利用模數轉換器把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O 接口，單片機經過運算控制，輸出數字信號。測量得到的數據通過GPRS 模塊傳送到遠程監(jiān)控端，監(jiān)控端可對數據進行分析處理[4-6]。 系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖Fig. 1 System overall design

1.2 系統(tǒng)硬件選擇

由于水位監(jiān)測裝置是長時間無人職守的監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)應用一種高性能、低功耗的單片機，對各個部分進行自動控制，以降低儀器的整體功耗，在采集數據后將數據傳向遠端服務器。

本系統(tǒng)采用的主要硬件有：

單片機：STC12C5A60S2 單片機， 其片內具有大容量程序存儲器且是FLASH 工藝的，內部自帶高達60K FLASH ROM，而且和8051 指令、管腳完全兼容。

水位傳感器：壓阻式水位傳感器。

溫濕度傳感器：SHT10 溫濕度傳感器，SHT10 傳感器采用專利的CMOSens 技術，屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，產品具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。

光照傳感器：GY－30 光照傳感器。

GPRS 模塊：SIM900A 模塊。

2 系統(tǒng)實現

在對現有技術、 水位監(jiān)測系統(tǒng)研究以及對該水庫水位監(jiān)測需求進行調研分析的基礎上，設計并實現一種符合該水庫實際需求的水位監(jiān)控系統(tǒng)，主要分為以下四部分：

2.1 數據采集

在數據采集階段， 系統(tǒng)通過壓阻式水位傳感器進行水位的數據信息采集。 水位傳感器將測量所得數據保存在存儲器中，微處理器發(fā)送命令將數據取出，通過相關協(xié)議將數據傳送到單片機的A/D 轉換模塊， 由于A/D 轉換模塊接收到的數據是電壓信號，需要將其轉換為相應的數字信號。轉換過程如下：

首先應將ADC 的高八位和低八位都重置為零， 初始化

ADC：

unsigned int adc10_start(unsigned char channel)

{

unsigned int adc;

unsigned char i;

ADC_RES=0;

ADC_RESL=0;

ADC_CONTR = (ADC_CONTR & 0xe0) |

ADC_START|channel;

}

初始化完成后，進行一次ADC 轉換：

do{

if(ADC_CONTR&ADC_FLAG)

{

ADC_CONTR&=～ADC_FLAG;

adc=(unsigned int)ADC_RES;

adc=(adc ＜＜2)|(ADC_RESL&3);return adc;

}

}while(－－i);

return 1024;

A/D 轉換的實現：

ADC_10data=adc10_start(4);

DEPTH=((unsigned long)ADC_10data*2000)/1024;

DEPTHdata[0]=DEPTH/1000+0x30;

DEPTHdata[1]=DEPTH%1000/100+0x30;

DEPTHdata[2]=DEPTH%100/10+0x30;

DEPTHdata[3]=DEPTH%10+0x30;

數據采集階段主要完成水位、溫度等相關信息的采集。

2.2 數據傳輸

單片機和上位機之間的通信主要分為兩部分： 串口發(fā)送與GPRS 發(fā)送，如圖2 所示。

圖2 GPRS 通信流程圖Fig. 2 The flow chart of GPRS communication

串口發(fā)送：水位監(jiān)控系統(tǒng)中的各個傳感器采集到的數據存儲在單片機的RAM 里，在單片機的控制下，通過UART 串口將采集到的水位、溫濕度、光照、GPS 位置數據信息發(fā)送至外接設備。單片機在與外接的GPRS 無線傳輸模塊之間的數據傳輸過程中，首先考慮的是數據傳輸的效率、數據傳輸的可靠性以及安全性等問題。 UART 串口是單片機自身嵌置的串口，通過該串口可將水位、溫度、濕度、光照、經度、緯度、海拔等數據信息傳輸到串行接口接收/發(fā)送緩沖區(qū)（SBUF）中，用以實現于外接的GPRS 無線通信模塊之間的通信。

GPRS 發(fā)送：水位監(jiān)控節(jié)點部署在水庫的不同位置，且水庫面積巨大，節(jié)點分布廣泛、位置特殊，要將各個傳感器采集到的數據分別發(fā)送至服務器，就必須使用無線通信技術。 單片機借助AT 指令來實現對GPRS 無線通信模塊的有效控制，對其進行初始化、指定接收服務器的網址和端口信息、指明要發(fā)送的數據，實現水位等數據的遠程自動化無線傳輸功能。 具體如下：利用void GSM_init(void)函數，通過調用AT 指令對模塊進行相關的設置，而AT 指令是一個個的字符串，通過UART 串口向GPRS 模塊的數據接收終端發(fā)送AT 指令時，需要利用一個名為void sendstring(unsigned char*p)的函數，該函數會自動調用并執(zhí)行其內部的嵌套的void sendchar(unsigned char ch)函數，將AT 指令發(fā)送至GPRS 模塊。

2.3 數據處理

通過Socket 技術將由GPRS 模塊通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送過來的緩沖數據接收，通過數據檢測進行初步的數據處理，然后將符合規(guī)則的數據存入指定數據庫的指定字段。 具體如下：

1)接收GPRS 信息

接收GPRS 信息時，首先通過GetServerIP()方法獲取服務器的IP 地址， 用指定的端口號和服務器的IP 建立一個EndPoint 對象，然后建立一個Socket 對象，用該對象Bind()方法綁定EndPoint，Listen()方法開始監(jiān)聽，接收到客戶端的連接后，用Accept()方法創(chuàng)建新的Socket 對象，通過Receive()方法，獲取接收到的信息，信息接收時，需要對接收到的數據長度進行判斷，然后按照規(guī)定長度截取有數據的部分，避免接收到后面的空格等沒用的信息,并以*字符來確定該字符串結束。

2)解析數據，保存到數據庫

本系統(tǒng)規(guī)定傳輸數據的格式為“#，經度，緯度，水深，溫度，濕度，光照強度，*”，中間用逗號分隔，所有接收到的數據以#開頭，以*結束，所以將數據插入到數據庫時，需要判斷接收的數據是不是與上述格式一致，如果一致，則進行處理并入庫，否則，則將該數據丟棄，繼續(xù)接收下一條數據。

2.4 數據顯示

將接收到的水位等數據信息進行顯示，設定刷新時間，每隔一定時間對顯示數據進行更新，同時由于監(jiān)測點可能不定時添加，所以刷新數據時首先分析監(jiān)測點，檢測界面上是否已有該監(jiān)測點，若有，則更新本監(jiān)測點數據，若沒有，則添加該監(jiān)測點；當鼠標懸放在某監(jiān)測點上時能夠在信息欄顯示此監(jiān)測點最新數據； 當鼠標左鍵點擊監(jiān)測點時彈出詳情查看確認對話框，點擊確認可查看詳情，取消則關閉對話框。 具體如下：

1)定義布爾變量FLAG（默認為true）用來標識是否為首次添加監(jiān)測點。

2) 當主窗體加載時打開定時器并定義定時器tick 事件；在tick 事件中首先獲取監(jiān)測點數據的數據表，遍歷該表，若無數據則刷新，直到有數據進入，然后獲取該監(jiān)測點id、經緯度信息，調用checkjd(id, x, y)方法，在checkjd(id, x, y)中首先檢查FLAG 是否為true： 若為true， 則直接添加該檢測點 （調用newRadioButton(id, x, y)），若為false，則檢查是否已有該監(jiān)測點，如果有就更新該監(jiān)測點信息及標識位置。

3 結束語

本水位監(jiān)控系統(tǒng)實現了數據的采集、 傳輸、 處理以及顯示，能夠較為準確及時地監(jiān)測水庫水位信息，幫助水位監(jiān)控工作者擺脫了對于有線網絡、人工采集匯總發(fā)送的諸多依賴和限制， 使人們更方便的對水位進行監(jiān)控以及對水位情況的對比，也降低了對工作人員的技術要求，但是本系統(tǒng)在平臺擴展性以及實時預警方面還存在一定限制。

[1] 王昆,陳昕志.基于GPRS 的地下水動態(tài)水位監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制,2011,19(2):263-266.

WANG Kun, CHEN Xin-zhi.Research on dynamic Level of groundwater monitoring system based on GPRS[J].Computer Measurement&Control, 2011,19(2):263-266.

[2] 徐航. 基于GPRS的水庫水位實時監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].江西理工大學, 2012.

[3] 閆靜杰,劉曉文,朱嘵穎,等.基于無線傳感器網絡的井下水位監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2008,27(12):73-75.

YAN Jing-jie,LIU Xiao-wen,ZHU Xiao-ying,et al.Design of coal mine water level measuring and monitoring system based on wireless sensor networks [J].Transducer and Microsystem Technologies,2008,27(12):73-75.

[4] 張建國,張英梅. 無線數字水位監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J]. 機械工程與自動化,2008(5):116-117.

ZHANG Jian-guo,ZHANG Ying-mei.Design of wireless digital water-level monitoring system[J].Mechanical Engineering& Automation,2008(5):116-117.

[5] 樓然苗,李光飛.單片機課程設計指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[6] 趙敏.基于GPRS網絡的無線通信系統(tǒng)的研究和實現[D]. 太原：太原理工大學，2010.