江世雄，李熙，羅富財(cái)，陳垚，翁孫賢

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建福州 350007）

近些年來(lái)，我國(guó)的水土流失情況變得越來(lái)越嚴(yán)重，水土流失面積占我國(guó)土地總面積的41%，給人們的生產(chǎn)生活和人身安全造成了嚴(yán)重的影響，政府對(duì)此非常關(guān)注，出臺(tái)了一系列的水土保護(hù)措施。徑流泥沙含量可反映水土流失程度，是一個(gè)關(guān)鍵的衡量指標(biāo)，測(cè)量徑流泥沙的含量是一項(xiàng)十分重要的工作，將測(cè)量得到的地表徑流泥沙含量數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，技術(shù)人員通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上的徑流泥沙數(shù)據(jù)評(píng)估當(dāng)?shù)氐乃亮魇顩r，根據(jù)評(píng)估結(jié)果為預(yù)防水土流失采取相應(yīng)的措施[1-2]。

為此，國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了大量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中包括利用反射率數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)徑流泥沙濃度、遙感法評(píng)估徑流泥沙淤積狀況、通過(guò)掌握徑流泥沙與雨量的變化規(guī)律，對(duì)徑流泥沙數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息管理、設(shè)計(jì)徑流泥沙含沙量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等幾種方法，上述研究工作對(duì)徑流泥沙的監(jiān)測(cè)起到了一定程度的推動(dòng)作用，但徑流泥沙監(jiān)測(cè)設(shè)備一般設(shè)置在水庫(kù)、山區(qū)等無(wú)人看守的地區(qū)，需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)效率較低，以上設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和監(jiān)測(cè)，很難滿足無(wú)人實(shí)時(shí)采集的要求[3-5]。

基于以上傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用GPRS 通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)地表徑流泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，能夠?qū)崟r(shí)在線監(jiān)測(cè)徑流泥沙含量數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，促使該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 所示的硬件結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)采集器、控制器、傳輸器和監(jiān)測(cè)器。

1.1 采集器設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集器芯片選擇三星公司的SM2394，該芯片集成了放大器、電壓調(diào)節(jié)器和A/D 轉(zhuǎn)換器等外設(shè)，該文設(shè)計(jì)的采集器主要用于采集水庫(kù)、山區(qū)等地的徑流泥沙含量數(shù)據(jù)，可本地存儲(chǔ)8 MB 字節(jié)容量的數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采集器內(nèi)部設(shè)置了傳感器，可采集地表徑流泥沙的電壓信號(hào)，將其進(jìn)行離散化操作[6-7]。采集器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采集器結(jié)構(gòu)

傳感器采集信號(hào)與電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比得出相位差值信號(hào)，采集器采用線性濾波和求取均值的方式采集數(shù)據(jù)，且速度較快，可以實(shí)現(xiàn)30 s 采集30 個(gè)數(shù)據(jù)。采集器電路圖如圖3 所示。

圖3 采集器電路圖

1.2 控制器設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制器模塊主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、主控制器、狀態(tài)控制模塊。其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可緩存并存儲(chǔ)多路徑流泥沙數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸出至控制器后端模塊，狀態(tài)控制模塊可以對(duì)比徑流泥沙電流、電壓信號(hào)之間的狀態(tài)，并產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)控制指令。主控制器內(nèi)設(shè)有存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器的地址空間為256 MB，采集器采集的徑流泥沙數(shù)據(jù)在由數(shù)據(jù)庫(kù)輸入存儲(chǔ)器前，需要完成相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)打包操作，根據(jù)格式源包的大小將存儲(chǔ)器的地址空間分成兩部分：一部分為構(gòu)成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的18-8 位地址，另一部分為構(gòu)成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的7-0 位地址。由主控制器對(duì)地址指針進(jìn)行控制，徑流泥沙含量數(shù)據(jù)每構(gòu)成一整包數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)包地址加1，這樣可以使存儲(chǔ)器與地址信息進(jìn)行交互，并通過(guò)主控制器對(duì)徑流泥沙數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)地址進(jìn)行處理，每完成一整包徑流泥沙數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)，整包數(shù)據(jù)就經(jīng)由GPRS 通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8-12]。控制器電路圖如圖4所示。

圖4 控制器電路圖

1.3 傳輸器設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸器選擇TI 公司的TD5428，芯片選擇三星公司的SD4398，傳輸器內(nèi)部集成了單片機(jī)和處理器，具有豐富的外設(shè)和接口。傳輸器可利用串行通信接口和傳輸器芯片共同構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，在通信網(wǎng)絡(luò)中可引入PC 機(jī)通過(guò)并行通信監(jiān)測(cè)徑流泥沙的濃度、含量指標(biāo)，監(jiān)測(cè)器的驅(qū)動(dòng)器電容負(fù)載最高可達(dá)2 800 pF，通信距離不會(huì)受到電容的限制，并且在傳輸過(guò)程中不存在共地噪聲，可以更好地抑制共模干擾，通常采用平衡式傳輸方式來(lái)傳輸徑流泥沙的電流和電壓信號(hào)，其輸入和輸出方式均采用差動(dòng)方式，如果在傳輸過(guò)程中受到外界的干擾，驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線會(huì)產(chǎn)生抗干擾電平，以保證差動(dòng)輸入和輸出的正常運(yùn)行。傳輸器內(nèi)的單片機(jī)通過(guò)串行通信接口傳輸徑流泥沙的狀態(tài)信息，PC 機(jī)由USB 接口向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送徑流泥沙的濃度數(shù)據(jù)[13-16]。

1.4 監(jiān)測(cè)器設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)器內(nèi)部150 ksps 的A/D 轉(zhuǎn)化器是監(jiān)測(cè)器的核心器件，具有8位分辨率，輸入和輸出范圍為2～12 A，可以高效處理精度為2 mA 的輸出電流，內(nèi)置的傳感器包括溫度傳感器和供電傳感器，溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)徑流泥沙的溫度和濃度，轉(zhuǎn)換器將供電傳感器上的徑流泥沙信息存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器內(nèi)，監(jiān)測(cè)器的內(nèi)置存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量為256 kB，可以協(xié)助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器完成對(duì)徑流泥沙各項(xiàng)信息和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)器的通信接口包括動(dòng)態(tài)再配置接口、狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口和控制接口，動(dòng)態(tài)再配置端口可以在任意時(shí)間讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)包中的徑流泥沙信息，狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有器件的狀態(tài)，如果有任何一個(gè)器件的狀態(tài)信息出現(xiàn)異常，狀態(tài)監(jiān)測(cè)接口會(huì)將異常信息發(fā)送至后臺(tái)，方便工作人員及時(shí)檢測(cè)，保證盡快恢復(fù)對(duì)地表徑流泥沙含量的采集、傳輸和分析。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

GPRS 通信是一種無(wú)線分組數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，該技術(shù)利用GSM 的時(shí)隙，數(shù)據(jù)傳輸速率正常為61.7 kB/s，最高能達(dá)到178.4 kB/s。與此同時(shí)，GPRS 的接入速度快，可以隨時(shí)向用戶提供清晰的地址通道。移動(dòng)用戶完成登錄操作后，GPRS 也會(huì)一直在線或者處于與用戶連線的狀態(tài)，能夠?qū)崟r(shí)在線。該文設(shè)計(jì)的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)始終伴有GPRS 網(wǎng)絡(luò)，工作人員登錄監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，可以實(shí)時(shí)在線發(fā)送和接收徑流泥沙所有的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)徑流泥沙的數(shù)據(jù)指標(biāo)，及時(shí)掌握當(dāng)?shù)氐乃亮魇闆r[17-19]。

該文設(shè)計(jì)的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的流程如圖5 所示。

圖5 基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程

首先，采集地表徑流泥沙的含量。利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集模塊采集地表徑流泥沙的泥沙量、當(dāng)?shù)厍昂髢商斓慕涤炅亢蛷搅骺偭窟@3 種數(shù)據(jù)信息，在采集過(guò)程中要確保沒(méi)有其他因素的干擾，以保證采集數(shù)據(jù)信息的完整性和真實(shí)性。

采集完成后通過(guò)GPRS 通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，并將獲得的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信模塊屬于接入終端設(shè)備，支持無(wú)線分組轉(zhuǎn)移模式以及GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)，工作人員通過(guò)使用移動(dòng)設(shè)備與GPRS 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)直連，在GPRS通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)嵌入了網(wǎng)絡(luò)TCP/IP 協(xié)議，通過(guò)GPRS 與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立連接就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸，在傳輸過(guò)程中，終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器指定一個(gè)傳輸IP 地址，通過(guò)傳輸通道與終端設(shè)備進(jìn)行連接，在接收數(shù)據(jù)信息發(fā)送的請(qǐng)求后，按照阻塞式接收方法與服務(wù)器進(jìn)行連接，可以實(shí)時(shí)在線發(fā)送并接收數(shù)據(jù)信息包，接收到上傳的徑流泥沙數(shù)據(jù)信息包后，按照TCP/IP協(xié)議格式將其解析，最后將解析完的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

最后，顯示并分析徑流泥沙數(shù)據(jù)信息。將儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的徑流泥沙數(shù)據(jù)信息提取出來(lái)，以列表形式顯示，或者通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕上的導(dǎo)出鍵將徑流泥沙數(shù)據(jù)信息及其他信息以Excel 形式顯示，對(duì)表中的數(shù)據(jù)信息按照相關(guān)條件進(jìn)行篩選，篩選結(jié)果通過(guò)可放大曲線圖表示，再由工作人員對(duì)表中的徑流泥沙原始數(shù)據(jù)和曲線圖中體現(xiàn)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，幫助工作人員觀測(cè)和了解監(jiān)測(cè)設(shè)備的連接狀態(tài)和工作狀態(tài)，便于及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，通過(guò)分析徑流泥沙數(shù)據(jù)信息，了解當(dāng)?shù)氐乇韽搅髂嗌车臓顟B(tài)，掌握水土流失情況，及時(shí)采取預(yù)防措施。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證該文設(shè)計(jì)的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，采用了GPRS 通信技術(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)[5]提出的基于多源雷達(dá)遙感技術(shù)的黃河徑流反演研究進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其有效性。文獻(xiàn)[5]的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用遙感法評(píng)估徑流泥沙數(shù)據(jù)結(jié)果，需要工作人員現(xiàn)場(chǎng)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，存在較多的不確定因素，還會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)采集環(huán)境的限制，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)徑流泥沙數(shù)據(jù)，并且監(jiān)測(cè)效率較低。該文設(shè)計(jì)的基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用了GPRS 通信技術(shù)，利用其較為理想的傳輸速率和實(shí)時(shí)在線的特點(diǎn)，使工作人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器就可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表徑流泥沙的數(shù)據(jù)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生故障，工作人員可以接收相關(guān)的異常數(shù)據(jù)從而判斷故障原因，及時(shí)派遣維修人員進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并掌握徑流泥沙的數(shù)據(jù)信息，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有較大的波動(dòng)，則可以判斷水土流失情況，從而及時(shí)采取相關(guān)預(yù)防措施，相較于現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更具有實(shí)時(shí)性，提升了監(jiān)測(cè)的效率。

除此之外，該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比文獻(xiàn)[5]監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的徑流泥沙含量數(shù)據(jù)具有更高的準(zhǔn)確性，徑流泥沙含量的監(jiān)測(cè)值和實(shí)際值對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率

由表1 可知，該文系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的徑流泥沙數(shù)據(jù)值與實(shí)際值僅相差0.2 kg/m3，且監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值的最小差距為0.18 kg/m3，波動(dòng)較小，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，而文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)值與實(shí)際值相差了1.2 kg/m3，監(jiān)測(cè)值與實(shí)際值的差距在1.2～1.5 kg/m3之間波動(dòng)，波動(dòng)較大。因此，該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性高于文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)，穩(wěn)定性更好。綜上所述，該文設(shè)計(jì)的基于GPRS通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地表徑流泥沙含量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了基于GPRS 通信的地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GPRS 較高的數(shù)據(jù)傳輸速率以及實(shí)時(shí)在線的特點(diǎn)，從采集器、控制器、傳輸器和檢測(cè)器硬件優(yōu)化，以及更新地表徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)流程兩部分進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了徑流泥沙在線監(jiān)測(cè)。性能測(cè)試結(jié)果表明，該文系統(tǒng)地表徑流泥沙含量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性較高，可為水土流失預(yù)警提供數(shù)據(jù)參考。