白文峰

(新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文水資源局，新疆 阿克蘇 843000)

GPRS技術(shù)在新疆拜城地下水監(jiān)測工作中的應(yīng)用分析

白文峰

(新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇水文水資源局，新疆 阿克蘇 843000)

[摘要]隨著我國社會經(jīng)濟和人口規(guī)模的不斷發(fā)展，很多地區(qū)的地下水水位正在快速下降，嚴重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?。為此，地下水監(jiān)測工作對提高水資源管理水平、保障當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平有著極大的意義，而GPRS技術(shù)是以數(shù)字和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展來的，其監(jiān)測速度快、結(jié)果準確，大大簡化了地下水的監(jiān)測工作。本文以新疆拜城地下水檢測為實例，對GPRS技術(shù)在地下水檢測中的應(yīng)用進行了分析，以期對類似工作提供一定的可參考經(jīng)驗。

[關(guān)鍵詞]GPRS技術(shù)；拜城；地下水監(jiān)測；應(yīng)用

拜城縣位于我國新疆自治區(qū)境內(nèi)的天山山脈中部，地形為盆地，境內(nèi)河網(wǎng)密布，全縣總?cè)丝跒?2.14萬人。由于勒塔格新生代背斜構(gòu)造的阻隔，拜城盆地成為一個獨立的水文地質(zhì)單元，地下水成為縣區(qū)的主要供水源，其意義重大。其地下水主要補給來源有河流的入滲補給、河谷潛流及渠系水的滲漏補給。地下水動態(tài)監(jiān)測是地下水資源評價及生態(tài)與環(huán)境評價必不可少的基礎(chǔ)工作，所以做好拜城縣地下水的監(jiān)測工作對保證該地區(qū)群眾的正常生活及社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展有著重要作用。

1GPRS技術(shù)簡介

GPRS技術(shù)的本質(zhì)是一種數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可實現(xiàn)無線資源的靈活使用。該技術(shù)通過對一個信道內(nèi)的資源進行共享，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的穩(wěn)定性和快捷性。其主要有以下幾個特點：

(1)采用分組交換技術(shù)。即為方便傳送先將數(shù)據(jù)進行分組編號，傳輸結(jié)束后再根據(jù)編號進行重新整合，大大提高了線路的可控制能力；

(2)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，在線時間長。GPRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以只要有GSM信號，就可以應(yīng)用GPRS技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面范圍很廣。而且只要接收器處于開機狀態(tài)，就會自動連接到網(wǎng)絡(luò)上，在線時間能夠得到充分保證；

(3)系統(tǒng)性價比高。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)相對于有線網(wǎng)絡(luò)來說省去了大量的線路敷設(shè)費用，而且也不用去架設(shè)專門的射頻天線，省去了很多步驟。該系統(tǒng)以用戶收發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量作為收費依據(jù)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸便不會產(chǎn)生資費，所以運行費用很少[1]。

2GPRS技術(shù)在拜城地下水監(jiān)測工作中的應(yīng)用分析

地下水在拜城縣城市供水、農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和維系良好生態(tài)與環(huán)境等方面發(fā)揮了十分重要的作用。2013年5月，在當(dāng)?shù)卣念I(lǐng)導(dǎo)下，拜城地下水監(jiān)測工作有序展開。由于GPRS技術(shù)已經(jīng)在地質(zhì)監(jiān)測方面被廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟，專家組決定在本項目中也積極運用GPRS技術(shù)。

2.1監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本工程建設(shè)的拜城地下水監(jiān)測系統(tǒng)其主要任務(wù)是掌握拜城地區(qū)地下水資源水位、流動等因素的動態(tài)變化情況。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測節(jié)點及檢測中心組成，總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。整個系統(tǒng)(包括監(jiān)測節(jié)點和壓力傳感器等)需要持續(xù)不斷的電源供應(yīng)，然而一些地區(qū)接入電網(wǎng)不便，電池供電也需要時常更換電池。因此采用太陽能供電是一種較為理想的供電方式。

整個系統(tǒng)的工作原理見圖1：(1)數(shù)據(jù)采集端的壓力傳感器會根據(jù)地下水動態(tài)變化而輸出電壓信號；(2)電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后便可以通過GPRS與附近的通信基站連接，同時接入Internet網(wǎng)絡(luò)；(3)之后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诒O(jiān)測中心的PC機中，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸；(4)PC機通過專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2對監(jiān)測系統(tǒng)的主要硬件分析

該系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點的硬件主要有控制器、采集端傳感器、GPRS模塊、繼電器和太陽能電池板等(具體見圖2)。其中采集端傳感器、控制器和GPRS模塊直接關(guān)系到監(jiān)測結(jié)果的準確度，是最重要的硬件結(jié)構(gòu)，在此對其進行詳細介紹。

圖2　節(jié)點硬件的構(gòu)成路線

2.2.1采集端傳感器

目前市場上主要的傳感器類型包括超聲波傳感器和壓力傳感器兩種。它們的具體工作和應(yīng)用原理如下：

超聲波傳感器測量地下水流量變化的原理具體為：在流水管壁上安裝一對超聲波換能器，其在電壓作用下可產(chǎn)生和收發(fā)超聲波信號，通過測量順水和逆水流的時間差來確定水的流速，以此得出地下水的實時和累計流量[2]。

壓力傳感器是利用了半導(dǎo)體材料的壓阻原理，即當(dāng)半導(dǎo)體受外力作用時，其會產(chǎn)生一定的變形量，因而電阻率(電阻值)會發(fā)生較為明顯的變化(工作結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示)。具體公式如(1)所示：

(1)

式中：1+2μ為材料變形值；E為材料的電阻率變化。

圖3　壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

超聲波傳感器具有組裝簡單、維護方便、測量范圍廣和安裝方便的等特點，但其成本較高，且由于地下環(huán)境復(fù)雜，干擾因素較多；壓力傳感器具有精確度高(誤差可控制在02%范圍內(nèi))、受環(huán)境影響小、適合遠距離傳輸?shù)忍攸c。經(jīng)過綜合比較，采用壓力傳感器作為拜城地下水監(jiān)測的采集端硬件設(shè)備[3]。

2.2.2控制器

控制器的主要作用是將采集端輸送的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后利用UART接口控制著GPRS模塊，以此來與監(jiān)測中心進行數(shù)據(jù)交換。

在拜城地下水監(jiān)測系統(tǒng)中，采用的是LPC2148型控制器，該控制器以支持實時仿真和嵌入式跟蹤的ARM7T-SCPU為基礎(chǔ)的微型控制器，自帶RAM為32 kb，最大可以操作60 MHz的CPU和兩個ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中每個轉(zhuǎn)換器的采集速度為400 k次/s。LPC2148型控制器的工作電壓為3.3 V，內(nèi)核工作電壓約為1.8 V，且支持空閑時進入低功耗模式，因此芯片的總功耗很低，降低了供電系統(tǒng)的壓力。

2.2.3GPRS通信模塊

作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟考?，拜城地下水監(jiān)測的GPRS模塊型號為SIM300C，該模塊可在900 MHz、1 800 MHz、1 900 MHz三種頻率下工作，具備多信道功能。用戶可以利用GPRS通信模塊的這種特性進行數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的開發(fā)。此外，SIM300C型模塊在睡眠模式下工作電流僅為25 mA，上行和下行的最大傳輸速度分別可達420 kb和86 kb，且實時性強[4]。

2.3系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接

整個監(jiān)測系統(tǒng)安裝完成后便要進行網(wǎng)絡(luò)連接。在SIM300C型號下的GPRS模塊中，數(shù)據(jù)傳輸都是依靠AT指令進行完成的，但同時支持普通和透傳兩種傳輸模式。其中透傳模式的本質(zhì)是監(jiān)測系統(tǒng)一旦連接網(wǎng)絡(luò)后，GPRS模塊就進入了數(shù)據(jù)模式，而且數(shù)據(jù)和命令模式之間可以根據(jù)任務(wù)的不同而互相切換，方便快捷[5]。

在拜城項目中，采用的便是透傳模式，設(shè)置的命令為AT+CIPMODE，其中命令模式和透傳模式分別為“0”和“1”。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接分三步進行：(1)系統(tǒng)初始化，將命令源輸入到系統(tǒng)中；(2)激活移動場景，按照相關(guān)命令進行激活操作；(3)建立TCP連接，輸入遠程服務(wù)器的IP地址，便連接成功[6]。

3結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，以GPRS為代表的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用，利用GPRS技術(shù)來完成地下水動態(tài)數(shù)據(jù)的收集和整理對于確保調(diào)查結(jié)果的準確性、降低調(diào)查成本都具有極大的優(yōu)勢。本文通過分析基于GPRS技術(shù)的拜城地下水監(jiān)測系統(tǒng)及其組成，其監(jiān)測速度快，準確率高，可靠性好，大大提高了拜城地區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作的技術(shù)水平，也為拜城地下水資源的開發(fā)和管理工作提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻

[1]吳建軍，陳俊杰.基于GPRS技術(shù)的地下水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟.2007，18(20)：35-36.

[2]胡勝利，萬晉軍.基于GPRS的地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].水利水電技術(shù).2011，01(20)：37-38.

[3]何春燕，韓文權(quán).地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范[J].地下空間與工程學(xué)報.2015，01(13)：24-26.

[4]沈凱華，陳立輝.GPRS在監(jiān)控浙江省地下水開采中的應(yīng)用[J].浙江水利科技.2012，05(10)：46-47.

[5]田來劍，趙軍.基于PC的地下水智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法[J].山西水利.2010，06(15)：57-58.

[6]王昆，陳忻志.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.2011，02(05)：67-68.

[收稿日期]2015-12-13

[作者簡介]白文峰(1972-)，男，陜西綏德人，高級工程師，主要從事水文勘測方面的研究工作。

[中圖分類號]P338+.9

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)03-0078-02