GPRS技術在農村自來水遠程遙測遙控系統中的應用

張　祥　朱　琳　劉立軒　邢　彪

(內蒙古電力(集團)有限責任公司烏蘭察布電業局1，內蒙古 烏蘭察布　012000；內蒙古科技大學材料與冶金學院2，內蒙古 包頭　014010)

GPRS技術在農村自來水遠程遙測遙控系統中的應用

張祥1朱琳2劉立軒1邢彪1

(內蒙古電力(集團)有限責任公司烏蘭察布電業局1，內蒙古 烏蘭察布012000；內蒙古科技大學材料與冶金學院2，內蒙古 包頭014010)

摘要：鑒于傳統的人工抄表模式存在漏抄、估抄、自來水自動控制工作量較大且效率較低等問題，為提高新農村供用水自動化管理水平，提出一種供用水遠程監控方案。控制系統的監控主機通過G200型GPRS通信模塊實現與終端供水站的遠傳水表以及測控模塊ADAM4060之間的通信，進而完成對用戶用水情況的實時遙測與遙控。實際運行證明，系統運行穩定可靠、準確無誤，在我國地理位置比較分散的農村地區具有一定的實踐應用和推廣價值。

關鍵詞：GPRS遠程抄表遠程遙測遠程遙控無線通信遠傳水表干簧管控制系統

0引言

農村地區長期以來用水一直采用包月制方式，這種模式不但不利于供水部門對用水情況的監控，更不利于環保節水。農村地區自來水用水量的采集一直是靠人工來完成的，為提高農村供水自動化管理水平，在農村地區對自來水用水量實施遠程遙測采集系統。由于農村地區地理位置較分散，考慮目前移動網絡覆蓋范圍之廣，采用GPRS網絡構建遠程無線遙測遙控系統。

1系統工作原理

本系統采用PC機作為上位機，負責接收各監控站點采集回來的用水量信息，并可根據需要對各監控站點發布啟、閉閥命令；由單片機、傳感器和執行器組成下位機終端系統，負責響應上位機的命令[1-2]。系統總框圖如圖1所示。

圖1　系統總框圖

2供水站終端系統硬件的設計

供水站終端系統主要包括GPRS模塊、遠傳水表和閥控裝置的設計。GPRS模塊選用北京捷麥生產的G200，以實現接入GPRS網絡的功能；遠傳水表由普通旋翼水表加裝采集傳感器改裝而成，采集傳感器設計時采用干簧管來實現脈沖發信，選用高速微處理器AT89C52作為中央處理單元；閥控裝置選用研華ADAM4060網絡模塊，以實現遠程遙控功能。下位機系統構成示意如圖2所示。

圖2　下位機系統構成示意圖

2.1遠傳水表的設計

在普通旋翼水表相應位置上，加裝磁鋼和干簧管便構成了一個遠傳水表。當水流推動葉輪旋轉時，每旋轉一圈便通過干簧管發出一個脈沖信號，單片機系統通過對脈沖數量的累計便可計算出流量[3]。最終只有4根線從水表中引出，分別是2根電源線和2根數據線。供電電源采用12 VDC開關電源，經穩壓模塊LM7805穩壓成5 V后給單片機系統供電。采用MAX485E芯片，實現遠傳水表以RS-485總線的形式和外界通信。

2.2采集器的設計

為了克服單干簧管易受水錘現象影響而誤計各種臨界顫動信號的現象，一般的解決辦法是安裝雙干簧管，或安裝一個加裝偏置磁鋼的單干簧管，又稱自保持開關。采用雙干簧管計數雖然也能避免單干簧管在臨界狀態反復吸合的現象，但在軟件程序上由于要處理兩個干簧管的信號而變得復雜。而帶有自保持功能的單干簧管在軟件設計上只需要處理一個干簧管的信號,簡化了程序，并大大提高了通用性。本設計決定采用具有自保持功能的單干簧管傳感器。具有自保持功能的干簧管傳感器構成示意如圖3所示。

圖3　自保持開關示意圖

將干簧管和一個永磁體用環氧樹脂密封在一起，便構成了一個具有自保持功能的傳感器。將其安裝在水表觀察窗玻璃上，在水表的轉盤指針上設置一對具有不同極性的兩塊磁鐵，其優點是利用偏置磁鋼的磁力可以保持干簧管導通或斷開的狀態。如圖3所示，右邊的偏置磁鋼始終將右邊簧片感應為N極。指針轉動時，當磁針的S極一端轉到干簧管的感應部位時，把左邊的簧片磁感應為N極，同名磁極相互排斥兩簧片分開。當S極轉走以后，此時干簧管具有自保持的作用(即兩簧片一直保持斷開的狀態)，直到磁針的N極端來臨，將右邊的簧片磁感應為S極，異名磁極相互吸引兩簧片吸合，并一直保持吸合狀態直到磁針的S極再次來臨。依此周而復始，干簧管只有在指針轉動達到半周及以上才能實現一通一斷，產生一個有效脈沖，從而有效地消除了因指針小范圍的往復擺動造成的感應誤差。在干簧管傳感器的外邊設置一個屏蔽罩，可以防止外來磁場的干擾，這樣只用了一個傳感器便可以完成以往兩個傳感器的工作，而且可靠有效[4]。采集電路如圖4所示。

圖4　采集電路圖

為了延長傳感器的壽命，脈沖常數設置為10 P/m3，表示每立方米發送10個脈沖(也即每0.1m3發一個脈沖)，磁性指針安裝在×0.01指針上面。圖4中,K是具有自保持功能的感應開關。當K閉合時,輸出高電平，當K斷開時,輸出低電平。設置特殊功能寄存器TMOD為26 h，使單片機內部的定時/計數器T0按8位自動重裝計數模式(方式2)對P3.4(T0)引腳發訊的脈沖進行計數，使T1工作在方式二定時器模式，用作串口通信波特率發生器。設置T1的時間常數為FDH，確保在SMOD=0晶振頻率為11.059 2 MHz時的串口波特率為9 600 bit/s。T0方式2工作時設置初值為56,計數器寬度僅有8位,最多只能計數到256,因此要用軟件對計數器進行擴展。當一次計數溢出時，向CPU請求中斷,計數器清零,然后將用水量新累加的20 m3進行存儲。

2.3閥控裝置的設計

本設計用電動蝶閥來實現供停水功能。電動蝶閥由電動執行器和蝶閥組成，蝶閥結構簡單、質量輕，特別適合制作較大管徑的閥。電動執行器選用上海上普工控設備生產POE系列閥門電動執行器，控制方式采用開關型帶無源觸點反饋。裝置具備手動操作功能，在斷電時可通過手動操作來開關蝶閥。開閥與關閥不可同時工作，在設計上采用電氣互鎖方案。開關型帶無源觸點反饋的電動執行器的接線圖如圖5所示。

圖5　開關型帶無源觸點反饋示意圖

供水站的GPRS模塊收到監控中心的閥控命令后，通過數據采集測控模塊ADAM4060控制電動執行器完成。ADAM4060是一個4路繼電器輸出模塊，其可受一系列指令進行遠程控制。ADAM4060模塊接線如圖6所示。

圖6　ADAM4060模塊接線圖

閥門啟閉工作流程如下：監控中心發布的遠程關閥命令通過主站G200模塊發射至供水站終端的分站G200模塊，經由485總線傳給ADAM4060模塊控制中間繼電器KV1的線圈得電，使其常開觸點KV1接通電動執行器關閥操作控制回路進行關閥操作。當閥門關到位時，電動執行器4、6端子經內部開關自動接通輸出無源觸點全關指示信號，只要在外部端子4、6之間接上電源和中間繼電器KCS的線圈，用其常閉觸點便可作為電動執行器停止工作的反饋信號；同理，中間繼電器KV2的線圈受監控中心發布的開閥命令控制而得電，使其常開觸點KV2接通電動執行器開閥操作控制回路進行開閥操作。當閥門開到位時，電動執行器4、5端子經內部開關自動接通輸出無源觸點全開指示信號，只要外部端子4、5之間接上電源和中間繼電器KOS，用其常閉觸點便可作為電動執行器停止工作的反饋信號。

3模塊參數設置與協議設計

3.1ADAM4060 模塊參數設置

ADAM4060是一個具有網絡數據采集4通道輸入和4路繼電器輸出控制功能的模塊，用于實現遠程啟閉閥門的控制。ADAM4060模塊的默認設置如下:地址為01，波特率為9 600 bit/s，DIO模塊采用方式為40且禁止校驗。ADAM4060模塊實施遠程遙控的相關命令說明如表1所示。

表1　ADAM4060模塊相關命令

由于每個監控從站都有各自的ADAM4060模塊,故從站G200下的4060模塊地址均設置為02,波特率均設置為9 600 bit/s，對各供水站閥門的控制是靠各從站G200地址的不同來區分的。監控中心發布閥控命令時，只要指定從站G200的目標地址，便可實現對該供水站的停供水功能。

3.2GPRS模塊參數設置

根據GPRS模塊所處位置的不同，將GPRS模塊分為主站與分站，皆起“數據實時中轉”的作用。G200模塊在使用前應根據不同的應用要求進行參數設置，主要包括模塊身份地址、目標地址、工作方式、串口數據格式、波特率等相關參數的設置。本設計以對4個供水站的監控為例說明問題，具體參數設置如表2所示。

參數設置說明如下：模塊地址由工程號和站點號兩部分組成，同一個系統中主站和從站具有相同的工程號(本系統工程號為4)，主站站點號為000，從站站點號則從001開始依次遞增編址。主從站應有相同的心跳時間(300 s)與波特率(9 600 bit/s)。主從站均采用主動工作方式是為了對上、下位機隨時發布的數據進行“轉發入網”的功能。主站采用格式傳輸，便于指定當前與之通信的目標從站，傳輸時以D701H為字頭，再加上目標地址與數據內容。從站的任務是響應主站訪問，因此所有從站均設置為透明傳輸也即智能回傳。

表2　監控中心及監控終端從站GPRS模塊基本參數設置

3.3遠傳水表通信協議設計

按照CJ/T 188-2004 標準字節格式和要求，設計遠傳水表通信協議。傳輸次序為所有多字節數據域均先傳送低位字節，后傳送高位字節[5]。由于模塊正常工作時大部分時間處在睡眠狀態，當上位機與其通信時，須先發送若干個前導碼FEh來喚醒，前導碼的具體個數應隨著波特率大小而增減。

由于整個系統的波特率是9 600 bit/s,因此本模塊在發讀累計流量命令之前應先發16個前導碼。讀對地址為00000140802509的水表累計流量的數據幀格式如圖7所示，水表回復當前流量為000010.88 m3的響應數據幀格式如圖8所示。

字節012-891011-12131415說明68hTAddr01hL901Fh01CS16h發送6810092580400100000103901F011B16

圖7　讀水表累計流量的傳輸數據幀格式

圖8水表響應返回的數據幀格式

Fig.8Frame format of response feedback data of water meter

4系統軟件設計

4.1上位機監控系統程序的設計

上位機監控中心主要負責向各監控終端發布命令，并對各監控終端的響應數據進行實時接收、處理、顯示及存儲；根據接受到的數據自動甄別，以便針對不同的數據作出相應的處理。上位機主要實現如下功能：對系統設備的在線狀態進行自動檢測；對抄收的數據進行自動分析；發送抄表命令并可以手、自動切換發送，自動發送時可按需求更改抄表周期。上位機工作程序如圖9所示。

4.2系統監控軟件的設計

監控中心是系統完成數據處理的中心環節，用以建立人機交互平臺、實現監控中心和監控終端的通信、數據傳輸及設備監控等功能[6-7]。系統監控中心軟件及數據庫系統是用Visual Basic語言和SQL Server 2008數據庫開發的[8]，可實現如下功能。①系統監控。接收各監控終端采集的數據并進行相應的處理和存儲。②數據庫管理。系統定期進行數據備份和清除無效信息，確保查詢和存儲數據的速度。③報警提示。自動判別各地區用水情況，并對欠繳水費的用戶給予報警提示。④設備管理。實時監測系統各在線設備的運行狀態，當遭到惡意破壞出現斷線故障時，根據需要可停止供水。⑤用戶管理。管理用戶信息并設置不同用戶的使用權限，且可供用戶實現歷史數據查詢、統計、打印等功能。

圖9　上位機工作程序圖

5結束語

本設計以實際的工程項目為依據，利用當今比較成熟的GPRS無線通信技術，針對我國農村地區的用水監管問題，自行開發具有通用性的遠程監控系統。該系統具有如下特點：經過簡單的改造便可將普通機械水表制成遠傳水表，經濟成本得以大大降低；上位機監控軟件具有自動抄表、計量計價、繳費結算以及統計分析等功能。應用GPRS無線通信技術實現對用戶用水的遠程監控，具有顯著的社會效益和經濟效益，其先進性、實用性以及可靠性必將使其在整個供水行業得到廣泛應用。

參考文獻

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Application of the GPRS Technology in Tap Water Telemetry and Telecontrol System of Rural Area

Abstract：In traditional manual meter reading mode,inevitably there are some problems such as miss reading and estimated reading,at the same time,the automatic control of the tap water is in larger workload and low efficiency.In order to improve the automation management level of water supply and usage in new rural areas,the remote monitoring scheme is put forward.In this system,the communication among host computer and remote water meters and measuring and control module ADAM4060 in water supply station is implemented through G200 GPRS communication module; and the real time telemetry and telecontrol of the use of water are completed.The practical operation proves that the system runs stably,reliably,and precisely; it has certain practical application value in our geographically dispersed rural areas.

Keywords:GPRSRemote meter readingRemote telemetryRemote telecontrolWireless communicationRemote water meterDry reed switchControl system

中圖分類號：TH86;TP29

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605015

修改稿收到日期：2015-10-27。

第一作者張祥(1989-),男，2015年畢業于內蒙古科技大學控制工程專業，獲碩士學位，助理工程師；主要從事電氣自動控制及無線通信方向的研究。