基于GPRS的水文信息無線遠程監測系統

摘 要： 研究設計了一種基于單片機與GPRS網絡的水文信息遠程監測管理系統，利用GPRS網絡的短消息業務來完成水位、溫度等參數的無線、遠程和實時傳輸，實現測量結果的計算機管理，測量精度高。經過實際使用證明，系統具有較高的穩定性與實用性，從而為科學開發和合理利用地下水資源、有效地預防地面沉降及地裂縫的發展和政府決策提供了科學依據。

關鍵詞： 水文信息； 遙測系統； GPRS； 嵌入式系統

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0019?04

GPRS?based remote monitoring system for hydrographic information

DAI Xia?yi， HUO Ai?di， WU Ya?jing， LI Feng?gu， ZHANG Yu?zhan， ZHANG Xiao?nan

（School of Environmental Science and Engineering， Chang’an University， Xi’an 710018， China）

Abstract： A remote monitoring and management system for hydrographic information was designed in this study， which is based on SCM and GPRS network. The wireless remote and real?time transmission of the ghydrographic information， temperature and water level parameters are completed by the short message service of GPRS networks. It can realize the high?accuracy measurement and computer management of the measured results. The practical application shows that the system has high stability and applicability， can provide a scientific basis for the scientific development and rational use of groundwater resources， effective prevention of the land subsidence and ground fissures， and government decision?making.

Keywords： hydrographic information； telemetry system； GPRS； embedded system

0 引 言

水文信息是衡量水資源的重要指標，其中地下水位的變化與地下水的開采量和地面沉降有著密切的關系，對控制地面沉降具有重要的意義。傳統的水文監測主要依靠人工、半人工的監測手段，造成了工作量大、效率低、數據處理繁雜易錯、信息傳輸時效性差等問題，既不適應信息化的發展，又不能滿足現代化管理的需要。而且勞動強度也很大，測量精度無法保障，尤其是監測一些地理位置比較偏遠或分散的監測點，工作難度更大。為了合理利用水資源，充分了解各個流域水資源的狀況，實現水文信息的自動化監測及遠程管理，合理利用計算機技術、高精度的測量儀器、公眾通信平臺等工具，對實現水文信息的遠程實時同步動態監測有重要意義。

隨著無線通信技術的發展，我國信息化進程不斷推進，各行各業對信息化要求也越來越高，在對信息化的認識上，從先前單純的數字化提升到數字化與網絡化、無線化相統一的高度。相對于目前信息化的要求，原有的有線系統雖然基本完成了數字化與網絡化，但其布線復雜、維護成本高使得網絡節點不能大范圍地普及推廣，這對信息化的深入和發展造成了很大的限制[1]。因此，信息化對無線數據傳輸技術的需求不斷增大。如今移動網絡覆蓋范圍廣，它所提供的各項數據業務使許多智能設備、儀表實現了無線數據的遠程傳輸。GPRS即通用系統無線業務可靠性高，且收費相對低廉。此外基于GPRS的系統，可以有效簡化監測系統的地面設施。所以利用GPRS作為通信媒介是實現水文信息動態監測系統的一個有效途徑[2]。

實現對水文信息的大面積自動監測需解決兩個問題：

（1）如何在惡劣環境下準確測得水位信息；

（2）找到一種既能應用于人煙稀少的偏僻地區，又能在人口密集、建筑條件復雜的城市進行數據遠程、實時通信，且耗資少，便于推廣并進行計算機網絡化管理的數據通信手段。

基于GPRS網絡水文信息無線遠程監測系統可實現自動化監測，可大大提高地下水動態監測的水平和質量，為科學、合理開發利用水資源，保護生態環境奠定扎實的基礎。通過系統的應用，為城市可持續發展和減災防災工作提供了必要的決策支持和多元化服務。

1 系統的總體結構及工作過程

該系統利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的單片機控制技術和GPRS無線模塊的通信為核心，經數據采集、處理，傳至監測中心用戶終端，實現水位的實時動態監測。系統分為智能信息采集終端、信息綜合服務器和用戶終端三個部分。

系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 水文信息自動監測系統

圖1中的智能信息采集終端由單片機、GPRS無線模塊、傳感器、變送器等部分組成，主要負責采集水位信息，并將其發送至信息綜合服務器；信息綜合服務器主要分為數據接收和發送、控制管理、終端處理三個模塊，用來對數據進行接收、處理、存儲和顯示；用戶終端包括計算機用戶終端和GPRS手機用戶終端兩種。使用計算機終端的用戶需在計算機上安裝終端應用程序，然后可上網查閱存放在信息綜合服務器中的詳細水位資料；手機用戶在獲得授權后，可通過手機得到實時的水文信息[3]。

系統的工作過程如下：信息采集終端采集現場水位數據，利用傳感器和變送器將數據轉換成標準信號，再經由模數轉換器（A/D）轉成數字信號，通過單片機的主控程序和發送數據子程序將采集到的數據經GPRS調制解調器（GPRS Modem）以短消息的方式發送出去。信息綜合服務器接收到采集終端傳來的由數據編碼的短消息后，處理得到水位高程及相關信息，并將其存入數據庫方便用戶查閱。一旦用戶有需要，便可啟動收發模塊，數據庫中水位信息及相關信息將會發送到用戶終端[4]。

系統的基本功能如下：

（1）定時自動采集水位數據并存儲；

（2）人工錄入基礎數據及相關數據的編輯與修改；

（3）對所采集數據進行統計分析并制表繪圖；

（4）利用計算機及專用軟件，通過GPRS系統提供的手機短信功能對觀測子站直接進行設置、調試和監測；

（5）能進行數據遠程傳輸。

2 智能信息采集終端的設計

2.1 智能信息采集終端硬件

智能信息采集終端硬件主要由液位變送器、溫度變送器、連接電纜和水文信息智能監測儀等構成，如圖2所示。設計采用防腐性投入式液位變送器和鉑電阻溫度變送器。變送器前端采用不銹鋼外殼用來防止觀測井內水中雜質的干擾。連接電纜是指變送器與水文信息智能監測儀之間連接的電纜。由于液位測量時采用壓力比較形式，故連接電纜采用中心有通氣導管的專用電纜。水文信息智能監測儀以單片機為核心，配合模數轉換、時鐘芯片、數據存儲、數據顯示、后備電源等部分。

圖2 現場智能采集終端

觀測子站工作原理如下：利用分散設置在觀測點的液位、溫度變送器將測量得到液位、溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號。系統采用4～20 mA電流信號傳輸方式將信號送入信息采集終端模數轉換部分將模擬信號轉成數字信號，以減少信號的衰減和接線的復雜性，再經單片機將轉換后的數字信號進行分析處理。數據存儲部分使用大容量存儲芯片存儲處理后的數據。日歷時鐘具有實時時鐘計數功能還能為監測儀提供準確的日期及時鐘信號。數據顯示部分現場顯示出實時監測數據。最后經由數據通信模塊利用其內置的調制解調器，實現現場監測儀與各級水務部門中心監測站的計算機之間的數據交換。后備電源部分能在市電無法正常提供的時候保證監測儀的正常使用，且后備電源能與市電自動切換。

2.2 智能信息采集終端軟件

濾波能將信號中特定波段頻率濾除，是抑制和防止干擾的一項重要措施，基于數字濾波具有精度高、可靠性強、可程控改變特性和便于集成等優點考慮。本系統利用程序用數字濾波來提高水位采樣信號的真實度。測量水位時，江河、湖泊和水庫等的波浪沖擊可能引起采樣信號產生瞬時、幅值較大的脈沖干擾，而一旦在采樣時刻出現這種干擾，系統就無法正常工作，所以對采樣數據進行濾波十分必要。智能信息采集終端采用中值濾波法，即從采樣窗口取出奇數個數據進行排序，用排序后的中值取代要處理的數據。系統軟件的程序中安排了“冗余指令”可在PC因干擾出錯，程序脫離正常軌道，出現“亂飛”時使程序迅速進入正軌，還安排了“軟件陷阱”可在亂飛程序進入非程序區或表格區無法用冗余指令使程序入軌時發揮作用。數據采集分機軟件包括主程序和數據傳送子程序[5]。數據傳送子程序流程如圖3所示。

圖3 數據傳送子程序

智能信息采集終端軟件，使用C++語言編寫，利用面向對象程序設計的編程架構，以構件的形式搭建應用軟件的主要功能部件，以提高系統的可視性，也便于數據匯總和數據交換。利用Microsoft Access數據庫保存及處理數據，提高系統的可靠性和運行效率[6]。

3 信息綜合服務器程序的設計

水文遠程監測網絡系統主要由中心監測站和現場觀測子站組成，分為兩級聯網。由三個環節構成：現場數據采集與存儲、遠程數據傳輸、數據分析與數據庫管理，如圖4所示。水文信息遙測管理系統使用C++語言編寫，完成了由上到下的模塊式總體設計。系統集合了水位信息的實時采集、預處理、數據存儲及管理功能，構成了一個一體化的綜合信息平臺。通過無線遠程傳輸技術，實時獲取監測點的水資源信息，按照日、月、年，分不同時段將數據存入數據庫，并繪制曲線（見圖5）與直方圖對比分析數據，最終將結果顯示給用戶，并能依照用戶需求自動生成報表。上位機軟件管理系統功能主要由信息綜合管理模塊、實時遠程監測模塊、水資源決策支持系統、輸出模塊及其他輔助功能組構成[4]。

圖4 上位機系統總體設計框圖

圖5 水位動態曲線實時生成

3.1 實時遠程監測模塊

實時遠程監測系統采用無線數據傳輸技術和串口通信技術采集數據信息，能隨時監控監測點的運行情況，實時采集水位、水溫數據。監測點的水位、水溫傳感器將水位、水溫這兩個物理量信息轉換成模擬電信號傳輸至測報儀，經A/D將模擬信號轉換成數字信號進行數據處理，并儲存。需要水資源信息時，用戶終端可以依據指定的通信協議將數據送至與之相連的Modem即調制解調器，再利用GPRS網絡將數據以短信形式發出。監測中心的Modem收到短信后，經串口將收到的數據傳至與之相連的上位PC機。當監測中心需要采集實時數據時，可以經由遙測管理系統的實時數據采集模塊向監測站發送信息。

3.2 水資源決策支持系統

該系統采用信息融合技術對多個傳感器的觀測信息進行分析、綜合處理，根據采集到的信息，在水資源數據庫中查找并計算出每個測點每個年月水位的最大值、最小值、平均值等數據建立模型，結合當時的水環境情況、區域發展的現狀、總體規劃的要求，結合模型對數據進行綜合處理和全面分析。

3.3 輸出模塊

在此部分用戶可將數據導入到Excel或Word中進行查閱或做進一步處理，根據各自需求的格式自動生成電子報表，有一日報、三日報和五日報三種，并可通過打印機打印出來。

4 系統的功能擴展及創新點

目前該系統只用來監測水位，但其監測終端提供了多路模擬量輸入接口，可實現多路信號的同時接入。即在監測水位的同時，對水溫、流速等進行測量。系統能夠實現數據的遠程傳輸，同時不受環境條件的限制，不但能用于水位的遠程監測，還能對水庫堤壩、江河水渠、蓄水池等的水位進行遠程監測。系統符合監測領域中GPRS技術、嵌入式系統技術相互結合的發展趨勢，使用方便，結構簡單，操作容易，應用前景廣。

5 結 語

隨著信息化進程，水文信息監測系統趨向網絡化科技化發展，要求水文信息的獲取更加精準及時，水文觀測項目和內容也不斷增加，對觀測手段和方法及水文監測技術的研發和應用提出了越來越高的要求。本文設計的基于GPRS的水文信息無線遠程監測系統，基于GPRS網絡（在現有的GSM網絡中增加GGSN和SGSN來實現），利用短消息方式，進行單片機模塊開發的遠程數據采集系統。將遠距離采集數據與GPRS無線數據傳輸技術相結合，改變了以往有線的局限，能夠實現水文站的無人值守功能，改變以往人工監測造成的低準確性。系統的結構簡單，易于擴展，網絡覆蓋廣，不受地理位置限制，通信費用低，數據實時在線，可廣泛用于地質，水文等領域，能應用于交通不便、沒有電力的偏遠地區，具有較高的應用與推廣價值。

參考文獻

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[2] 史素美，李戰明.嵌入式遠程測控系統在GSM/GPRS網絡基礎上的研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2006.

[3] 靳孝峰，毋玉芝，董棟.基于GSM網絡的智能遙測水位系統[J].通信技術，2009（7）：122?124.

[4] 張玉杰，葛金娟.地下水資源遙測管理系統設計[J].計算機測量與控制，2010（12）：2869?2871.

[5] 靳孝峰，張艷.水位遙測系統的研制[J].人民黃河，2010（4）：23?25.

[6] 張銀亮.西安市地下水遠程監測網絡系統的應用[J].地下水，2005（4）：270?271.

作者簡介：戴夏怡 女，1993年出生。主要研究方向為水土保持與荒漠化防治。

霍艾迪 男，1971年出生，博士、副教授。主要從事水文水資源方面的研究工作?，F就職于長安大學環境科學與工程學院水文與水資源系。曾參加國家科研院所社會公益專項、國家十一五科技支撐計劃等多項國家級科研課題。在土地沙漠化定量遙感監測、水土流失、地質災害、氣象預警、生態環境等方面有過前瞻性的研究工作。在《Canadian Journal of soil science》、《高技術通信》、《吉林大學學報（地球科學版）》等期刊發表論文近20篇，其中EI收錄6篇，SCI收錄5篇。目前主持國家博士后科研基金（2012m511961）：城市景觀水體富營養化多光譜遙感監測的模型及其應用；參與國家自然科學基金（41072183/D0213）：半干旱地區河流潛流帶中淤塞?去淤塞的機理研究。