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
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[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