淺談小型水利設施無線監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：在我國，很多農(nóng)村地方水利設施還是沿用著傳統(tǒng)的人工管養(yǎng)方式，人力資源消耗較大。采用無線通訊技術，可以部分替代人力控制方式，節(jié)約人力成本。有些經(jīng)濟條件較好的地區(qū)，通過光纖實現(xiàn)遠程控制，但隨著城市路網(wǎng)的不斷改換，經(jīng)常會出現(xiàn)通訊線路被破壞和挖斷的情況，如果附加使用無線通信技術，可以進一步提高設備的安全性和可靠性，本文將簡要的討論無線系統(tǒng)的組成。

關鍵詞：單片機；TC35i；DS12887；PCF 8591

一、前言

隨著國家城鎮(zhèn)化戰(zhàn)略的不斷推進，農(nóng)田及河流的不斷減少，城市內(nèi)澇狀況越發(fā)突出，全球暖化現(xiàn)象引起的氣候改變，造成異常突發(fā)暴雨正嚴重地威脅著我們的生產(chǎn)生活。只有不斷的提高水利現(xiàn)代化程度，引入更多先進的控制和管理手段，才能更好的減輕和避免自然災害造成的損失。隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的不斷完善與發(fā)展，水利設施在當前形勢下，更多的是采用光纖網(wǎng)絡通訊技術。但是，光纖傳輸也存在一些缺點，如抗拉強度低，深埋地下的管線如遇地面沉降，就有可能出現(xiàn)光纖斷裂而造成通訊異常，還有，光纖線路連接和維護費用較高，需要專門的工具。

無線通信技術最大優(yōu)點就是不需要受纜線的限制，具有較好的移動性，并且施工難度低，使用成本較低。當前，移動通訊網(wǎng)絡經(jīng)過多年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，信號覆蓋區(qū)域?qū)拸V，通訊質(zhì)量穩(wěn)定可靠。其中，GSM網(wǎng)絡是目前世界上應用最廣泛的無線通訊網(wǎng)絡，在國內(nèi)GSM網(wǎng)絡占據(jù)移動通訊的主導地位。并且，專用的GSM模塊發(fā)射功率較低，可實現(xiàn)遠距離通訊，無需投資高額大功率的發(fā)射裝置，幾乎可以在城市的任何角落都能進行信息的交換，使得維護成本大大降低，通訊抗干擾能力強。

農(nóng)村水利設施分布地點較為寬廣，并且很多站點都比較偏遠，特別是小型水閘和小型電排站，很多都分布在田間地頭，其中不乏有些交通不便的地方，倘若安排人員24小時值守，還要考慮人員輪換事宜，人力成本消耗較大。還有些無人值班的水位采集點，如果使用傳統(tǒng)無線傳輸技術，避雷設施和無線發(fā)射裝置將占用較大投資；如果使用光纖通訊技術，線路布置和投資也很高。所以，當數(shù)據(jù)量交換不是很大時，采用GSM通訊技術，則可以大大降低投資和維護成本。

二、系統(tǒng)組成

本文探索的主要內(nèi)容是通過現(xiàn)有比較成熟的無線通訊技術，結合單片機控制系統(tǒng)，簡要介紹實現(xiàn)無線監(jiān)視系統(tǒng)的組成部分。通過該系統(tǒng)的有效拓展可以將水閘、電排站中的電流、電壓、電機轉速和閘門開度值等數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡服務器，以便人們可以很方便地通過網(wǎng)頁瀏覽，了解設備當前的狀態(tài)。也可以使用在無人水位監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集上，通過設好的時間間隔傳回有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。或者當出現(xiàn)供電線路斷電、缺相、過載等情況時能及時向管理員反饋信息，確保無人值守或野外少人值守的水利設施運行安全。更好地提高人力資源的分配，減少使用頻率較低的站點人力投放和運行成本。實現(xiàn)水利資源統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)視，讓管理員可以騰出更多的時間巡視更多的站點，有效降低運行成本。

通過無線網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，也可以作為有線通訊的緊急應急支援手段。在一般運行中，操作水泵運轉或水閘啟閉時使用有線控制方式，當有線控制因線路故障造成通訊中斷時，可以馬上切換成無線通訊方式，緊急啟動后備應急方案。

1.芯片介紹

本系統(tǒng)主要由在國內(nèi)廣泛使用的AT89S52單片機，西門子TC35i GSM通信模塊、數(shù)據(jù)采集A/D轉換器PCF 8591和DS12C887時間芯片組成。外圍部分將根據(jù)具體項目要求增加電壓、電流變換器，溫度傳感器，閘門開度儀和水位計等部件。

1.1 AT89S52單片機

作為整個系統(tǒng)的控制核心，AT89S52單片機擔負著中央控制職能，它是ATMEL公司最新的一個低功耗，高性能，采用先進CMOS工藝制造的帶非易失性Flash存儲器的單片機。該微控制器主要具備以下特征：兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)；具有8K Bytes ISP Flash程序存儲器，可反復擦寫1000次以上；8個中斷源；4個8位 I/O 口；3個16位計數(shù)/定時器；全雙工增強型UART串行通信口；全靜態(tài)工作：0Hz至33MHz，可實現(xiàn)空閑模式和掉電模式。因為具有以上眾多的優(yōu)點和大量外圍接口元器件，使得51單片機能夠提供靈活有效的解決方案。

1.2西門子TC35i通訊模塊

TC35i是西門子公司推出的一款基于GSM網(wǎng)絡技術的無線通信模塊，TC35i工作于雙頻段（GSM900/GSM1800），支持數(shù)據(jù)、語音、短信息等功能，提供快速、可靠、安全的傳輸環(huán)境，模塊采用串行通訊技術，符合RS-232工業(yè)標準接口，并且，TC35i內(nèi)部集成標準的AT命令集，可以方便的和MCS-51單片機進行數(shù)據(jù)交換。TC35i采用一個具有40腳的ZIF連接器和其它外部設備連接，這40個腳主要包括電源端、數(shù)據(jù)輸入/輸出接口、SIM卡接口、音頻和控制接口。

1.3 DS12C887實時時鐘芯片

DS12C887實時時鐘芯片是美國達拉斯公司生產(chǎn)的時鐘芯片，該芯片自帶晶振和電池電路，可以在沒有外部電源的情況下工作10年時間，可計算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補償功能，可以方便地和INTEL總線連接，并且其具有時間性中斷功能，可以很方便地實現(xiàn)單片機定期數(shù)據(jù)采集和發(fā)送動作。當監(jiān)控對象如供電線路出現(xiàn)停電或缺相時，監(jiān)控系統(tǒng)一旦檢測到異常情況，能夠及時記錄下故障發(fā)生時間，并且通過無線網(wǎng)絡向外發(fā)送報警信息。

1.4 PCF 8591

PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D及D/A轉換器，該器件是單片、單電源低功耗8位CMOS集成電路，具有4路A/D轉換輸入和1路D/A模擬輸出，數(shù)據(jù)通過I2C總線和單片機連接，并且，該芯片的3個地址引腳A0、A1、A2允許最多8個器件連接至I2C總線上，可以在有限的I/O接口內(nèi)采集多路信號，極大地提升單片機資源的利用。

2.硬件設計

2.1 數(shù)據(jù)采集轉換電路

單片機作為本系統(tǒng)的核心處理器件，能處理各種數(shù)字量信息，但實際應用中我們遇到的往往是隨時間變化的模擬量信息，那就需要通過A/D轉換器將各種模擬量信息轉化成數(shù)字量信息。然而，在模數(shù)轉換前，還需要將各種被測電量參數(shù)（如380V電壓、幾十安培電流、功率、頻率等）轉換成標準的電壓信號（如0-5V或0-10V）或標準電流信號（4-20mA），這樣才能被PCF8591A/D轉換器使用。

例如電壓信號的采集，先把交流電壓通過變壓器將380V交流電轉換成低電壓交流信號，經(jīng)過整流濾波器環(huán)節(jié)，得到較為平穩(wěn)的直流電壓，然后通過V/F轉換電路，將電壓信號轉換成頻率信號，通過光電耦合器件實現(xiàn)電路隔離，避免數(shù)據(jù)采集端遇到雷擊和強電磁感應等異常情況造成后端芯片大面積損壞。接下來，通過F/V轉換器，再次將頻率信號轉換成電壓信號，電壓信號經(jīng)過調(diào)壓低通濾波電路調(diào)整到合適的電位。最后，電壓信號送入A/D轉換器中進行電壓數(shù)據(jù)的采集。

2.2 單片機和GSM模塊的連接

因為兩種芯片均符合TTL電平，51單片機片上自帶全雙工增強型UART串行通信口可以方便的和TC35i模塊ZIF連接器中的18（RXD）和19（TXD）引腳相連，完成數(shù)據(jù)接收與發(fā)送工作。其中，數(shù)據(jù)收發(fā)有固定的格式，為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，波特率在300bps至115Kbps間。通過異步串行口的連接，使用符合GSM模塊的AT指令，可以實現(xiàn)短信、數(shù)據(jù)和語音的傳輸功能。

2.3 單片機和日歷芯片DS12C887連接

DS12C887日歷芯片因自身帶有鋰電池，可以實現(xiàn)系統(tǒng)掉電情況下還能保持時間的運行，只需一次校準就能長期正常工作，特別適合在無人值守和比較偏僻的野外工作。在斷電重新上電時不需要人工重設時間，并且可以比較準確的在掉電恢復后，通過單片機上電初始化過程，發(fā)送來電信息。

通過單片機P0口和DS12C887芯片的AD0至AD7地址數(shù)據(jù)復用總線連接。單片機的ALE口連接日歷芯片的AS口，RD口連接日歷芯片的DS口，WR連接日歷芯片的R/W口。其中，單片機P0口因同時和A/D轉換器與日歷芯片公用，所以單片機的P2.0和日歷芯片的CS口連接實現(xiàn)片選功能，可以起到節(jié)約接口資源的作用。

2.4 輸出控制

當我們通過光纖或?qū)Ｓ糜芯€線路正在遠程操作水泵和水閘運行，遇到線路沿線有人違規(guī)施工，造成通訊故障時，遠程控制人員可能無法第一時間趕到現(xiàn)場實施緊急停機作業(yè)，如果我們具有后備無線通信線路時，就可以馬上發(fā)送緊急停機指令，停止設備運行，避免造成嚴重后果。因單片機輸出控制電壓為5V，我們可以通過增加三極管驅(qū)動繼電器方式實現(xiàn)對380V電源切斷作業(yè)。也可以使用固態(tài)繼電器方式對用電設備進行緊急停機操作。

結語：對于小型水利設施，如何減少人員投放和實現(xiàn)無人值守，提高管理人員工作效率，并且增強設備安全運行保險系數(shù)，是擺在我們水利人員面前的一個課題。通過使用在國內(nèi)已經(jīng)相當成熟的無線網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)資金投入少，降低運行成本低，縮短建設周期。在某些方面，確實可以作為有線控制的緊急后備通道，提升設備安全冗余，減少意外故發(fā)生。