賈建科

摘 要： 為實(shí)現(xiàn)河流水位信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，提出基于GPRS和Internet的河流水情實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)解決方案。以STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)控制中心，控制水位傳感器進(jìn)行河流水位信息的采集和處理，并控制GPRS通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。選用LC?SW1型水位傳感器測(cè)量水位，使用SIM900A無線通信模塊作為GPRS通信模塊。監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)通過具有公網(wǎng)IP的服務(wù)器建立，網(wǎng)絡(luò)連接方式為TCP，將遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的數(shù)據(jù)和監(jiān)控端連接。該系統(tǒng)具有成本低和監(jiān)控范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足應(yīng)用的要求。關(guān)鍵詞： 水情監(jiān)控； GPRS網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)通信； SIM900A中圖分類號(hào)： TN967?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0132?04Research on river water regimen real?time remote monitoring system based on GPRS and InternetJIA Jianke（School of Physics and Telecommunication Engineering， Shaanxi University of Technology， Hanzhong 723003， China）Abstract： To realize the real?time remote monitoring of river water?level information， a solution of river water regimen real?time remote monitoring system based on GPRS and Internet is proposed. The microcontroller STC12C5A60S2 is taken as the system control center to control the water?level sensor for rivers water?level information acquisition and processing， and control the GPRS transmission module for data transmission. The LC?SW1 water?level sensor is selected to measure the water?level， and SIM900A wireless communication module as GPRS communication module. The monitoring communication network is established with the server owning public network IP， and its connection mode is TCP to connect the data from remote monitoring side to the monitoring side. This system has the advantages of low cost and wide monitoring range， and can satisfy the application requirements.Keywords： water regimen monitoring； GPRS network； network communication； SIM900A

0 引 言

我國(guó)河流多，河流水位變化大，尤其在汛期，河流水位在暴雨和山洪的影響下迅速上漲，給人民的生產(chǎn)生活帶來不可估量的損失。目前國(guó)內(nèi)許多河流水情的監(jiān)測(cè)主要依靠水文站觀測(cè)人員進(jìn)行觀察、逐級(jí)匯報(bào)的方式，該方式不僅需要大量的人力，而且很難做到及時(shí)、準(zhǔn)確地了解河流水情狀態(tài)。特別是在遇到暴雨或特大暴雨時(shí)，觀測(cè)人員很難進(jìn)入觀測(cè)地點(diǎn)，各種數(shù)據(jù)的采集與傳遞都無從談起，勢(shì)必引發(fā)災(zāi)難性的后果。因此，加強(qiáng)對(duì)河流水情的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)就顯得極其重要。雖然現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)一些公司企業(yè)設(shè)計(jì)了水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但購(gòu)買成本高，運(yùn)行費(fèi)用也高。GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）無線通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)遍布世界各地，覆蓋范圍及其廣泛，可靠性高，且收費(fèi)相對(duì)低廉，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達(dá)到171.2 Kb/s，同時(shí)GPRS網(wǎng)絡(luò)能接入Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大范圍遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控[1?2]。

基于此針對(duì)當(dāng)前河流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，提出一種經(jīng)濟(jì)小型化的河流水情實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。以陜南漢江為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，利用低成本處理器和水位傳感器，結(jié)合GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和Internet的無線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)河流水情信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

河流水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端、通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端3部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端由控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，信號(hào)處理模塊和電源管理模塊組成。 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心由一臺(tái)具有公網(wǎng)IP地址的云服務(wù)器主機(jī)和上位機(jī)軟件組成。通信網(wǎng)絡(luò)包括GPRS通信模塊SIM900A、 GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。 SIM900A內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，GPRS模塊插上SIM卡經(jīng)過AT指令配置后可以接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端，遠(yuǎn)程監(jiān)控端與Internet網(wǎng)絡(luò)連接。系統(tǒng)工作過程為：首先數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行河流水位數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)信號(hào)處理模塊處理后送到單片機(jī)，單片機(jī)處理后經(jīng)串口送到GPRS模塊發(fā)送，再經(jīng)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)，將數(shù)據(jù)送到監(jiān)控端。河流水情實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 河流水情實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由河流水位信息采集模塊、水位信息顯示模塊、控制單元和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊3部分組成。水情信息采集模塊主要由水位傳感器和I?V轉(zhuǎn)換電路組成，顯示模塊由字符型液晶顯示模塊LCD1602組成，控制單元由STC12C5A60S2單片機(jī)組成。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要由SIM900A模塊組成。系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件組成

水位傳感器選用LC?SW1型水位傳感器，LC?SW1型水位傳感器是投入式液位變送器，由殼體、放大器、接線端子、防護(hù)帽、中空導(dǎo)線等組成。寬電壓抗沖擊設(shè)計(jì)，體積小、重量輕、抗震動(dòng)。輸出有兩線制和三線制，設(shè)計(jì)中采用兩線制接法，輸出4～20 mA電流信號(hào)，正極接24 V，負(fù)極接輸入-24 V?？紤]到STC12C5A60S2單片機(jī)的I/O引腳要求輸入電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了I?V轉(zhuǎn)換電路，與STC12C5A60S2單片機(jī)的連接如圖2所示。

LCD1602的4引腳RS接STC12C5A60S2的P2.0 I/O口，5引腳R/W接P3.5口，使能端6引腳E接P3.6口，數(shù)據(jù)總線DB0～DB7接P0 I/O口。

STC12C5A60S2單片機(jī)是一款功能非常強(qiáng)大的單片機(jī)，有兩個(gè)串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統(tǒng)51單片機(jī)串行口相同；串口1可以使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，而串口2只能使用獨(dú)立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器，控制水位傳感器和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊SIM900A的工作。在該系統(tǒng)中，使用串口2與SIM900A相連接，P1.2和P1.3作為串口2，負(fù)責(zé)發(fā)送控制SIM900A指令，串口1主要是用來調(diào)試，將相關(guān)的調(diào)試信息從串口1輸出。

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊SIM900A是SIMCom公司提出的一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，主要是為了實(shí)現(xiàn)SMS與TCP功能，語(yǔ)音接口沒有引出，外部功能模塊主要分為串口、電源、SIM卡、以及單片機(jī)相應(yīng)接口。

硬件系統(tǒng)通過SIM900A模塊接入Internet 和監(jiān)控端相連接，單片機(jī)STC12C5A60S2和SIM900A通過串口連接，利用AT指令收發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)串口通信。由于計(jì)算機(jī)串口輸出的是RS 232電平，而單片機(jī)和SIM900A模塊都是TTL電平，不能直接進(jìn)行通信，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行通信。本系統(tǒng)選擇美信（MAXIM）公司專為RS 232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)端軟件設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)端軟件設(shè)計(jì)包括主控制器程序的設(shè)計(jì)、水位信息采集處理程序設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)端網(wǎng)絡(luò)通信程序的設(shè)計(jì)。軟件工作過程為： 首先完成主控制器STC12C5A60S2串口的初始化和GPRS模塊的初始化，初始化完成后開始水位信息的采集和處理， GPRS模塊SIM900A發(fā)起TCP連接， 連接成功， 主控制器將水位信息數(shù)據(jù)打包通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端[3]。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)端工作流程如圖3所示。遠(yuǎn)程監(jiān)控端軟件設(shè)計(jì)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控端網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)。

3.1 主控制器STC12C5A60S2程序設(shè)計(jì)

主控制器STC12C5A60S2程序設(shè)計(jì)流程為系統(tǒng)初始化（主要包括定時(shí)器初始化、串口初始化、端口初始化等）、串口接收發(fā)送數(shù)據(jù)、按鍵鍵值的讀取、與SIM900A的通信等。STC12C5A60S2內(nèi)部有兩個(gè)串口，第一個(gè)串口與通用51單片機(jī)相同，在P3.0和P3.1口；第二個(gè)串口是可以配置的，默認(rèn)在P1.2和P1.3端口。對(duì)于串口1初始化，配置串口模式為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，使用定時(shí)器T1參數(shù)波特率，波特率為9 600 b/s。配置完成，開定時(shí)器T1中斷，啟動(dòng)定時(shí)器T1，串口接收中斷。串口2的初始化和串口1的類似，只是串口2使用的是STC12C5A60S2內(nèi)部的波特率發(fā)生器BRT，串口2的配置模式為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，波特率為9 600 b/s。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)端工作流程

配置好串口之后，只需要往SBUF寫入字符就可以通過串口發(fā)送出去，在串口發(fā)送的時(shí)候需要檢測(cè)串口發(fā)送的忙碌位，在不忙時(shí)即可串口發(fā)送，同時(shí)在發(fā)送的時(shí)候暫時(shí)關(guān)閉串口接收中斷，使發(fā)送和接收互不影響（接收的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，緩存在寄存器中，只是暫時(shí)沒有接收中斷，一旦發(fā)送完成，開始接收中斷，就會(huì)處理接收），保證了系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性。下面代碼是發(fā)送一個(gè)字符的函數(shù)，目的是為了方便調(diào)試：

void Uart0_PutChar（char ch）

{

ES = 0 ；

SBUF = ch ；

while（！TI）；

TI = 0 ；

ES = 1 ；

}

void Uart0_PutString（char * pString，unsigned int len）

{

unsigned short i = 0；

for （i = 0；i < len；i++ ）{

Uart0_PutChar（pString[i]）；

}

}

串口的接收是以中斷的方式接收的，接收的格式是8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位，波特率為9 600 b/s。當(dāng)使能串口接收中斷（ES = 1），串口有數(shù)據(jù)時(shí)，STC12C5A60S2會(huì)跳轉(zhuǎn)到串口接收中斷函數(shù)中，數(shù)據(jù)緩存在SBUF里。當(dāng)串口接收中斷時(shí)，RI為1，將數(shù)據(jù)讀入到Temp，這樣就可以完成串口的接收。

3.2 監(jiān)測(cè)端網(wǎng)絡(luò)通信

監(jiān)測(cè)端網(wǎng)絡(luò)通信程序流程為通信模塊SIM900A的初始化、PDP的上下文激活、GPRS數(shù)據(jù)的讀取/發(fā)送、GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的檢測(cè)[4]。SIM900A的初始化完成GPRS網(wǎng)絡(luò)連接方式、傳輸方式、附著和分離GPRS業(yè)務(wù)、啟動(dòng)任務(wù)并設(shè)置接入點(diǎn)、啟動(dòng)連接和獲取本地IP的設(shè)置[5]。連接方式設(shè)為單點(diǎn)連接，傳輸方式設(shè)為透明傳輸方式，附著GPRS業(yè)務(wù)，設(shè)置參數(shù)為“AT+CGATT=1”，GPRS接入點(diǎn)APN（Access Point Name）設(shè)置為"AT+CSTT=＼"CMNET＼""，CMNET（China Mobile Net）是GPRS接入點(diǎn)名稱，CMNET提供了NAT服務(wù)，使用該服務(wù)的手機(jī)可以直接訪問Internet，CMNET可用于PC，筆記本電腦，PDA等設(shè)備實(shí)現(xiàn)GPRS上網(wǎng)[5]。考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，GPRS接入點(diǎn)名稱設(shè)置為CMNET；通過AT 指令"AT+CIICR"激活移動(dòng)場(chǎng)景，發(fā)起GPRS連接，GPRS連接成功后，向串口發(fā)送指令"AT+CIFSR"，獲取本地IP地址[6]。SIM900A的初始化完成后，建立TCP連接，發(fā)送數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行初始化，設(shè)置連接模式、端口號(hào)和IP地址，通過指令"AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"wap.baidu.com＼"，＼"80＼""完成。再利用AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，使采集到的水位信息數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)。在完成GPRS 數(shù)據(jù)傳輸過程中，相應(yīng)AT 命令必須設(shè)置，但相鄰AT命令間要有一定延時(shí)， 經(jīng)驗(yàn)證約為2 s。SIM900A模塊建立TCP連接、打包發(fā)送水位信息數(shù)據(jù)程序如下：

void GPRS_TCP_LINK（）

{

UART_SEND_STR（AT_CIPSTART，strlen（AT_CIPSTART））；

UART_SEND_STR（AT_END，2）；

m_long_delay（160）；

}

void GPRS_TCP_SEND_INIT（）

{

UART_SEND_STR（AT_CIPSEND，strlen（AT_CIPSEND））；

UART_SEND_STR（AT_END，2）；

m_long_delay（160）；

}

void GPRS_TCP_SEND_DATA（char * msg，unsigned int len）

{

UART_SEND_STR（msg，len）；

UART_SEND_CHAR（0x1A）；

UART_SEND_CHAR（0x0D）；

m_long_delay（100）；

}

3.3 監(jiān)控端網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

監(jiān)控端網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)器的建立和監(jiān)控端TCP連接的建立。SIM900A分配到GPRS網(wǎng)絡(luò)的IP是動(dòng)態(tài)的，重新連接網(wǎng)絡(luò)后IP變化，再次通過設(shè)備建立IP連接變得困難。同時(shí)設(shè)備只要能連接Internet，就能訪問具有公網(wǎng)IP的主機(jī)[7]。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸，有必要設(shè)置服務(wù)器，本系統(tǒng)采用云服務(wù)器。服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)通信采用Microsoft Visual basic 6.0 進(jìn)行編寫。利用TCP連接方式，Socket建立一個(gè)TCP服務(wù)器端口供GPRS模塊連接[8]。在 TCP 連接建立后，監(jiān)控端會(huì)將其用戶名和密碼信息發(fā)到服務(wù)器，若用戶名和密碼正確，則顯示用戶上線，否則服務(wù)器斷開連接。服務(wù)器還具有識(shí)別命令的功能，它能識(shí)別監(jiān)控端發(fā)上來的命令，然后執(zhí)行相應(yīng)請(qǐng)求[7]。

監(jiān)控端設(shè)在能與Internet 連接的計(jì)算機(jī)上。監(jiān)控端通過向服務(wù)器發(fā)送命令來獲取信息，或者傳送數(shù)據(jù)到水位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)端。監(jiān)控端和云服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，就是監(jiān)控端建立TCP連接。監(jiān)控端TCP連接建立后，就可以開始接收水位監(jiān)測(cè)終端發(fā)送來水位信息，并對(duì)水位信息處理。

4 系統(tǒng)測(cè)試

以陜南漢江作為河流水位監(jiān)測(cè)目標(biāo)，STC12C5A60S2作為水位監(jiān)測(cè)端控制中心，SIM900A作為水位信息無線發(fā)送模塊，LC?SW1型水位傳感器測(cè)量水位。利用云服務(wù)器和一臺(tái)連接Internet網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控端。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，水位數(shù)據(jù)無線傳輸正常，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。測(cè)試中選擇漢江河流某段的5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試值與監(jiān)控端的測(cè)試值比較，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的測(cè)試結(jié)果和監(jiān)控端的值進(jìn)行比較如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端的測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

將遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)與GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，改變了以往有線的局限，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測(cè)端的無人值守功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，水位采集監(jiān)測(cè)端僅需要水位傳感器、單片機(jī)、電源模塊和GPRS無線模塊。易于擴(kuò)展，可以增加或刪減水位監(jiān)測(cè)設(shè)備。 GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣，不受地理位置限制，通信費(fèi)用低廉，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)在線，可廣泛用于地質(zhì)、水文等領(lǐng)域，可以應(yīng)用于交通不便、沒有電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)，有較高的應(yīng)用與推廣價(jià)值。這為改善河流水位信息采集工作的效率，實(shí)現(xiàn)河流水位監(jiān)測(cè)站的無人值守，為積累豐富、詳實(shí)的水文資料提供了有力保障。

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