基于GPRS和組態(tài)王的水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的高可靠性、低功耗性和較好的實(shí)時(shí)性，詳細(xì)介紹了水文測(cè)報(bào)技術(shù)的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，主要包括GPRS無線通信技術(shù)的基本知識(shí)和水文信息采集系統(tǒng)的整體構(gòu)成。在借鑒和分析了國(guó)內(nèi)外水文測(cè)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)出了基于GPRS的水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)，并利用組態(tài)王開發(fā)了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)以實(shí)用、穩(wěn)定、可靠為目標(biāo)，在保證實(shí)現(xiàn)基本功能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：GPRS；水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)；組態(tài)王；通信

    水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)是利用傳感器、微控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及通信等技術(shù)手段將水位、雨量、流速、流量、水溫等數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、傳輸和處理的信息系統(tǒng)。由于水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)是一項(xiàng)高科技、技術(shù)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，加上野外自然條件惡劣、缺乏運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)等因素，其中也存在很多不定性問題。本文結(jié)合水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并利用具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)的組態(tài)王開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，有效地解決了功耗問題和傳輸安全穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等問題。

1 水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
    水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基本功能主要是解決水庫(kù)洪水調(diào)度系統(tǒng)的水文信息自動(dòng)采集、編碼、發(fā)送、中心站接收、解碼處理、存貯、應(yīng)用等技術(shù)問題，使水情信息能及時(shí)有效地用于水庫(kù)洪水的預(yù)報(bào)、調(diào)度、決策，為防洪興利服務(wù)。
    設(shè)計(jì)方案采用模塊化傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水情系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：水文監(jiān)控中心、水文數(shù)據(jù)采集站及無線網(wǎng)絡(luò)模塊?？驁D如圖1所示。

    水文采集站：主要包括太陽能或其他供電系統(tǒng)、傳感器(水位、雨量等)、人機(jī)接口、通訊接口等設(shè)備。其功能是自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，包括水位、雨量等水文數(shù)據(jù)，并自動(dòng)應(yīng)答監(jiān)控中心，向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。
    水文監(jiān)控中心：主要包括通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等多媒體設(shè)備。其功能是實(shí)時(shí)接收遙測(cè)站采集發(fā)送的水文數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)、顯示、打印遙測(cè)站水位、雨量數(shù)據(jù)，并向采集站發(fā)送相關(guān)指令，與其進(jìn)行通信。
    無線網(wǎng)絡(luò)模塊：主要是指采集站和監(jiān)控中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)通信。無線模塊將采集站采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可以同時(shí)以無線的方式通過無線網(wǎng)絡(luò)向采集站發(fā)送相關(guān)指令等。

2 水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)硬件電路包括：電源、MCU(微處理器)以及外圍接口電路、GPRS模塊接口電路、鍵盤和顯示接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示以及與中心站通信等功能。
2．1 系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)終端包括MCU微處理器、信號(hào)傳感、數(shù)據(jù)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤及顯示、時(shí)鐘、無線通信等電路。具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環(huán)境參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)調(diào)理以及A／D轉(zhuǎn)換后送MCU微處理器。接收到數(shù)據(jù)后，微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊進(jìn)行顯示并可以通過鍵盤查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    結(jié)合以上要求，本系統(tǒng)終端以低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心，包括信號(hào)傳感、數(shù)據(jù)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤及顯示、時(shí)鐘、無線通信等電路。其中，MSP430F149單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環(huán)境參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)調(diào)理以及A／D轉(zhuǎn)換后送MSP430微處理器。接收到數(shù)據(jù)后，微處理器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊進(jìn)行顯示并可以通過鍵盤查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心翻。該系統(tǒng)低功耗，性價(jià)比高，集成性強(qiáng)，適合所有標(biāo)準(zhǔn)輸出的變送器以及橋式傳感器差分mV級(jí)電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)串行RS232／RS485數(shù)字接口，完全隔離型電流、電壓輸出。
2．2 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)
    GPRS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率快，而且覆蓋范圍廣，能方便和Internet連接。GPRS網(wǎng)絡(luò)一般使用GPRS外置Modem或是使用GPRS無線模塊。前者一般由GPRS模塊、SIM卡、RS232接口、電源等組成，由于該系統(tǒng)安裝在野外，電源供電，系統(tǒng)穩(wěn)定等因素制約，所以選擇后者。GPRS模塊與控制器之間的通信主要通過串口發(fā)送AT指令。
    為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和安全，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議起到非常關(guān)鍵的作用。GPRS系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持TCP／IP協(xié)議一分為應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層等，本系統(tǒng)的協(xié)議主要在傳輸層的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議中。TCP協(xié)議數(shù)據(jù)包格式相比UDP要復(fù)雜，而且在建立連接時(shí)需要進(jìn)行3次握手，但它可以提供保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，而UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包的格式比較簡(jiǎn)單，但是它的數(shù)據(jù)傳輸可能存在誤碼現(xiàn)象，所以選擇TCP協(xié)議作為系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議。
    TCP通過進(jìn)程間的連接提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸，它提供錯(cuò)誤檢測(cè)和故障恢復(fù)機(jī)制。TCP所傳送的數(shù)據(jù)單元稱為TCP數(shù)據(jù)包。TCP數(shù)據(jù)包用于建立連接、傳送數(shù)據(jù)、發(fā)送確認(rèn)提供窗口大小信息和關(guān)閉連接等。TCP對(duì)所接收到的信息會(huì)及時(shí)予以確認(rèn)，TCP數(shù)據(jù)包可分為TCP包頭和來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)二部分。
    TCP采用三步握手的方式來建立連接。發(fā)送側(cè)首先發(fā)送一個(gè)SYN標(biāo)志位的TCP數(shù)據(jù)包請(qǐng)求連接，接收側(cè)通過包含SYN標(biāo)志位的ACK數(shù)據(jù)包予以確認(rèn)，發(fā)送側(cè)在接到ACK數(shù)據(jù)包后，回送包含SYN標(biāo)志位的ACK數(shù)據(jù)包到接收側(cè)，連接建立完成。
    本模塊采用了華榮公司的GW1000KC-3無線通信模塊，該模塊體積小，使用方便，具體特點(diǎn)如下：ISM頻段，16個(gè)頻道可選；發(fā)射功率16～33 dBm可調(diào)；多種設(shè)置模式：可以指令設(shè)置模塊工作頻道、發(fā)射功率、接口波特率，校驗(yàn)?zāi)Ｊ降?；透明?shù)據(jù)傳輸，所收即所發(fā)傳輸模式；多種接口方式：TH／RS232／RS485；天線保護(hù)處理：支持天線未接情況下發(fā)射60 s以上數(shù)據(jù)(發(fā)送間隔100 ms)；可以軟件控制待機(jī)狀態(tài)，即用節(jié)電模式。
2．3 系統(tǒng)組成
    結(jié)合以上分析結(jié)果，本系統(tǒng)分別由傳感器、系統(tǒng)終端、GW1000KC-3無線模塊以及PC機(jī)組成，系統(tǒng)硬件連接圖如圖3所示。具體如下：傳感器通過兩線制接法，傳感器輸出4～20 mA DC輸出，將信號(hào)傳輸給系統(tǒng)終端，系統(tǒng)終端接收到信號(hào)后顯示出來，PC機(jī)利用串口通訊發(fā)送對(duì)應(yīng)指令，采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳給無線模塊GW1000KC-3，后經(jīng)天線發(fā)送出去，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)另一端接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)RS232將數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。期間，可通過PC機(jī)發(fā)出對(duì)應(yīng)指令對(duì)系統(tǒng)終端以及GW1000KC-3無線模塊進(jìn)行參數(shù)等設(shè)置，方便可靠。

3 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件也為試驗(yàn)者提供可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。
    利用組態(tài)王的特點(diǎn)開發(fā)的水庫(kù)水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，從監(jiān)控中心窗口可以實(shí)時(shí)觀測(cè)水庫(kù)的主水位、庫(kù)容量、流量、系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)、水位實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線以及查看歷史水情報(bào)表等。通過與實(shí)際硬件連接調(diào)試，系統(tǒng)采集顯示準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

4 調(diào)試結(jié)果
    本系統(tǒng)采用了MSP430設(shè)計(jì)的系統(tǒng)終端和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)組建了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，并且利用組態(tài)王開發(fā)了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，組建成功以后，經(jīng)過實(shí)際連接、調(diào)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實(shí)現(xiàn)了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖4是利用組態(tài)王開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及水位曲線圖。

5 結(jié)束語
    針對(duì)目前水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的高可靠性、低功耗性和較好的實(shí)時(shí)性的要求，在介紹了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基本原理的基礎(chǔ)上，借鑒和分析了目前國(guó)內(nèi)外水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的技術(shù)，設(shè)計(jì)出了基于GPRS無線傳輸?shù)乃臏y(cè)報(bào)系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)終端以及GPRS通信協(xié)議的分析和設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠、穩(wěn)定傳輸，為用戶提供了低成本、高效率、可靠的方式連入GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了雙向、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并通過組態(tài)王開發(fā)了水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)組建以后，通過調(diào)試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，與傳統(tǒng)的解決方案相比，本系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢(shì)。