基于單片機的水位監控系統的設計與實現

王飛飛，李瑋瑤

（平頂山學院 河南 平頂山467000）

水庫的水位監測是一項關系到人民安危的重要工作，監測數據的質量和精度都會影響到水情信息的準確性和實時性。隨著監測技術的不斷發展，計算機、無線通信、微電子等先進技術逐漸地應用到了水位監測中。 由于大部分的水庫位置偏僻、依靠人工采集監測數據存在執行效率低、存在誤差等問題[1]。因此，本論文在分析現有水庫水位監控系統的基礎上，采用新型的水位傳感技術和無線通信技術，設計了一種基于GPRS 的水庫水位實時監測系統，實現水庫水位數據的實時采集、處理和顯示等功能。 該系統包括數據采集、數據傳輸、數據處理、遠程監測中心四部分[2-3]。

1 系統總體設計

1.1 系統架構設計

本水位監控系統包括對水位及周邊環境的溫濕度， 光照度的測量。 水位的測量通過壓阻式水位傳感器實現，通過將水位的狀態轉換成模擬信號，再利用模數轉換器把輸出狀態直接接到單片機的I/O 接口，單片機經過運算控制，輸出數字信號。測量得到的數據通過GPRS 模塊傳送到遠程監控端，監控端可對數據進行分析處理[4-6]。 系統總體設計如圖1 所示。

圖1 系統總體設計圖Fig. 1 System overall design

1.2 系統硬件選擇

由于水位監測裝置是長時間無人職守的監測系統，系統應用一種高性能、低功耗的單片機，對各個部分進行自動控制，以降低儀器的整體功耗，在采集數據后將數據傳向遠端服務器。

本系統采用的主要硬件有：

單片機：STC12C5A60S2 單片機， 其片內具有大容量程序存儲器且是FLASH 工藝的，內部自帶高達60K FLASH ROM，而且和8051 指令、管腳完全兼容。

水位傳感器：壓阻式水位傳感器。

溫濕度傳感器：SHT10 溫濕度傳感器，SHT10 傳感器采用專利的CMOSens 技術，屬于Sensirion 溫濕度傳感器家族中的貼片封裝系列，產品具有極高的可靠性與長期穩定性。

光照傳感器：GY－30 光照傳感器。

GPRS 模塊：SIM900A 模塊。

2 系統實現

在對現有技術、 水位監測系統研究以及對該水庫水位監測需求進行調研分析的基礎上，設計并實現一種符合該水庫實際需求的水位監控系統，主要分為以下四部分：

2.1 數據采集

在數據采集階段， 系統通過壓阻式水位傳感器進行水位的數據信息采集。 水位傳感器將測量所得數據保存在存儲器中，微處理器發送命令將數據取出，通過相關協議將數據傳送到單片機的A/D 轉換模塊， 由于A/D 轉換模塊接收到的數據是電壓信號，需要將其轉換為相應的數字信號。轉換過程如下：

首先應將ADC 的高八位和低八位都重置為零， 初始化

ADC：

unsigned int adc10_start(unsigned char channel)

{

unsigned int adc;

unsigned char i;

ADC_RES=0;

ADC_RESL=0;

ADC_CONTR = (ADC_CONTR & 0xe0) |

ADC_START|channel;

}

初始化完成后，進行一次ADC 轉換：

do{

if(ADC_CONTR&ADC_FLAG)

{

ADC_CONTR&=～ADC_FLAG;

adc=(unsigned int)ADC_RES;

adc=(adc ＜＜2)|(ADC_RESL&3);return adc;

}

}while(－－i);

return 1024;

A/D 轉換的實現：

ADC_10data=adc10_start(4);

DEPTH=((unsigned long)ADC_10data*2000)/1024;

DEPTHdata[0]=DEPTH/1000+0x30;

DEPTHdata[1]=DEPTH%1000/100+0x30;

DEPTHdata[2]=DEPTH%100/10+0x30;

DEPTHdata[3]=DEPTH%10+0x30;

數據采集階段主要完成水位、溫度等相關信息的采集。

2.2 數據傳輸

單片機和上位機之間的通信主要分為兩部分： 串口發送與GPRS 發送，如圖2 所示。

圖2 GPRS 通信流程圖Fig. 2 The flow chart of GPRS communication

串口發送：水位監控系統中的各個傳感器采集到的數據存儲在單片機的RAM 里，在單片機的控制下，通過UART 串口將采集到的水位、溫濕度、光照、GPS 位置數據信息發送至外接設備。單片機在與外接的GPRS 無線傳輸模塊之間的數據傳輸過程中，首先考慮的是數據傳輸的效率、數據傳輸的可靠性以及安全性等問題。 UART 串口是單片機自身嵌置的串口，通過該串口可將水位、溫度、濕度、光照、經度、緯度、海拔等數據信息傳輸到串行接口接收/發送緩沖區（SBUF）中，用以實現于外接的GPRS 無線通信模塊之間的通信。

GPRS 發送：水位監控節點部署在水庫的不同位置，且水庫面積巨大，節點分布廣泛、位置特殊，要將各個傳感器采集到的數據分別發送至服務器，就必須使用無線通信技術。 單片機借助AT 指令來實現對GPRS 無線通信模塊的有效控制，對其進行初始化、指定接收服務器的網址和端口信息、指明要發送的數據，實現水位等數據的遠程自動化無線傳輸功能。 具體如下：利用void GSM_init(void)函數，通過調用AT 指令對模塊進行相關的設置，而AT 指令是一個個的字符串，通過UART 串口向GPRS 模塊的數據接收終端發送AT 指令時，需要利用一個名為void sendstring(unsigned char*p)的函數，該函數會自動調用并執行其內部的嵌套的void sendchar(unsigned char ch)函數，將AT 指令發送至GPRS 模塊。

2.3 數據處理

通過Socket 技術將由GPRS 模塊通過TCP/IP 協議發送過來的緩沖數據接收，通過數據檢測進行初步的數據處理，然后將符合規則的數據存入指定數據庫的指定字段。 具體如下：

1)接收GPRS 信息

接收GPRS 信息時，首先通過GetServerIP()方法獲取服務器的IP 地址， 用指定的端口號和服務器的IP 建立一個EndPoint 對象，然后建立一個Socket 對象，用該對象Bind()方法綁定EndPoint，Listen()方法開始監聽，接收到客戶端的連接后，用Accept()方法創建新的Socket 對象，通過Receive()方法，獲取接收到的信息，信息接收時，需要對接收到的數據長度進行判斷，然后按照規定長度截取有數據的部分，避免接收到后面的空格等沒用的信息,并以*字符來確定該字符串結束。

2)解析數據，保存到數據庫

本系統規定傳輸數據的格式為“#，經度，緯度，水深，溫度，濕度，光照強度，*”，中間用逗號分隔，所有接收到的數據以#開頭，以*結束，所以將數據插入到數據庫時，需要判斷接收的數據是不是與上述格式一致，如果一致，則進行處理并入庫，否則，則將該數據丟棄，繼續接收下一條數據。

2.4 數據顯示

將接收到的水位等數據信息進行顯示，設定刷新時間，每隔一定時間對顯示數據進行更新，同時由于監測點可能不定時添加，所以刷新數據時首先分析監測點，檢測界面上是否已有該監測點，若有，則更新本監測點數據，若沒有，則添加該監測點；當鼠標懸放在某監測點上時能夠在信息欄顯示此監測點最新數據； 當鼠標左鍵點擊監測點時彈出詳情查看確認對話框，點擊確認可查看詳情，取消則關閉對話框。 具體如下：

1)定義布爾變量FLAG（默認為true）用來標識是否為首次添加監測點。

2) 當主窗體加載時打開定時器并定義定時器tick 事件；在tick 事件中首先獲取監測點數據的數據表，遍歷該表，若無數據則刷新，直到有數據進入，然后獲取該監測點id、經緯度信息，調用checkjd(id, x, y)方法，在checkjd(id, x, y)中首先檢查FLAG 是否為true： 若為true， 則直接添加該檢測點 （調用newRadioButton(id, x, y)），若為false，則檢查是否已有該監測點，如果有就更新該監測點信息及標識位置。

3 結束語

本水位監控系統實現了數據的采集、 傳輸、 處理以及顯示，能夠較為準確及時地監測水庫水位信息，幫助水位監控工作者擺脫了對于有線網絡、人工采集匯總發送的諸多依賴和限制， 使人們更方便的對水位進行監控以及對水位情況的對比，也降低了對工作人員的技術要求，但是本系統在平臺擴展性以及實時預警方面還存在一定限制。

[1] 王昆,陳昕志.基于GPRS 的地下水動態水位監測系統研究[J].計算機測量與控制,2011,19(2):263-266.

WANG Kun, CHEN Xin-zhi.Research on dynamic Level of groundwater monitoring system based on GPRS[J].Computer Measurement&Control, 2011,19(2):263-266.

[2] 徐航. 基于GPRS的水庫水位實時監測系統的研究[D].江西理工大學, 2012.

[3] 閆靜杰,劉曉文,朱嘵穎,等.基于無線傳感器網絡的井下水位監測監控系統設計[J]. 傳感器與微系統，2008,27(12):73-75.

YAN Jing-jie,LIU Xiao-wen,ZHU Xiao-ying,et al.Design of coal mine water level measuring and monitoring system based on wireless sensor networks [J].Transducer and Microsystem Technologies,2008,27(12):73-75.

[4] 張建國,張英梅. 無線數字水位監測系統的設計[J]. 機械工程與自動化,2008(5):116-117.

ZHANG Jian-guo,ZHANG Ying-mei.Design of wireless digital water-level monitoring system[J].Mechanical Engineering& Automation,2008(5):116-117.

[5] 樓然苗,李光飛.單片機課程設計指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[6] 趙敏.基于GPRS網絡的無線通信系統的研究和實現[D]. 太原：太原理工大學，2010.