基于GSM通信的山區洪水監測預警系統設計

高 琴，王佳豪，張曉康

（防災科技學院防災儀器系，北京 101601）

基于GSM通信的山區洪水監測預警系統設計

高 琴，王佳豪，張曉康

（防災科技學院防災儀器系，北京 101601）

基于GSM通信的山洪監測預警系統是由壓電傳感器M18檢測水位信號后，經過A/D轉換后把電信號送給STM32單片機進行計算處理，該系統由嵌入式μC/OS創建人機交互界面，采用液晶觸摸顯示屏實時顯示水位數據和進行預警操作，系統實時監測水位情況，當水位達到設定的危險閾值時，會將災害信號以短信的方式發送給監測人員，從而達到預警的目的。

液位傳感器；GSM通信；嵌入式μC/OS

基于GSM通信的山洪監測預警系統可以在災害突發前，為決策人員提供準確的災害信息來源，從而達到防災減災的目的。我們設計的監測系統以STM32單片機為核心，搭建監測系統硬件平臺，并基于此平臺，實現對山洪的監測與預警，完成了主控模塊、傳感器模塊和通信模塊的硬件選型及電路設計?；诖擞布O計，通過嵌入式系統μC/OS來實現軟件部分的設計，完成對信號的采集、處理和傳輸。

本設計與傳統的人工現場讀取洪水水位數據相比，該預警方式具有高效、準確、快速、直觀、實時等特點，提高了人們對自然災害的應變能力，降低了檢測人員的戶外工作風險。

1 控制系統結構

1.1 設計思想

山洪監測預警系統使用壓電傳感器來測量水位的高度并通過轉換電路將水位的高度轉換成電信號，采集的電信號經過A/D模塊電路轉換后，以數字信號的形式傳送給STM32單片機，利用嵌入式系統μC/OS搭建人機交互界面，實時更新采集水位信號并處理后以折線圖形式顯示，并具有設置報警水位閾值和監測人員聯系方式、聯系內容的功能，當水位達到設定的危險閾值時，立即通過GSM模塊手機短信通信將危險信號傳達給監測人員，從而達到預警的效果。通過對嵌入式系統μC/OS集成SIM卡驅動的設計，不僅在設計上降低了難度，而且還便于監測人員監測和控制。

1.2 監測系統

整個監測系統分為三個部分，信號采集部分、人機交互部分和通信部分，如圖1所示。信號采集部分主要是通過M18液位壓電式傳感器采集水位信號，用A/D轉換電路將采集的模擬水位信號轉換為數字信號發送給單片機。人機交互部分利用嵌入式系統μC/OS搭建，在觸屏LCD液晶顯示屏上操作，可以設置水位預警閾值和通信功能。通信部分主要利用GSM通信模塊，先用串口通信模塊連接STM32單片機與GSM通信模塊，然后通過GSM模塊模擬手機短信功能來發送預警信號。

三個部分協調工作，監測系統提高了對水位信號的實時監測能力，加強了監測人員對山洪來臨的預報、防災能力。

1.3 軟件系統

山洪監測預警系統以STM32單片機為核心，采用μC/OSIII為內核，在此基礎上，我們開發了山洪監測預警應用程序，傳感器采集的信號經AD轉換后通過單片機的GPIO口傳送至單片機，設計好液壓傳感器驅動程序，并將數據計算處理后傳送給應用程序，應用程序將水位數據實時顯示出來并對其進行判斷。應用程序還具有設置危險水位閾值和監測人員聯系方式、聯系內容的功能，當水位達到危險值時，GSM通信模塊便給監測人員發送危險信號的短消息，如圖2所示。SIM卡硬件部分與單片機串行口相連，在μC/OS內核中，設計SIM卡驅動程序，就完成了單片機與GSM模塊的通信[1]。

圖1 山洪預警監測系統結構

圖2 軟件結構圖

1.4 信號采集系統

山洪監測預警系統的水位信號采集部分由M18壓電式水位傳感器完成，它是基于所測液體與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進的隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號（一般為4～20mA/1～5VDC），我們所用的是電容式液位傳感器，利用了非電量的變化轉化為電容量的變化。電容式傳感器有這幾個特點：機構簡單，體積小，分辨力高、可實現非接觸式測量、動態效應好、溫度穩定性好、能在高溫，輻射和強振動等惡劣條件下工作、電容量小，功率小，輸出阻抗高，因此，負載能力差，易受外界干擾產生不穩定現象。在使用前，對傳感器進行調試和校對，找到液位高度與電量對應的關系，采集的電量經AD轉換后則成為最后已成型的信號傳送給單片機。

1.5 GSM通信系統

在通信方面，我們采用野火的WF-SIM900A高品質串口GSM/GPRS模塊，它采用SIMCOM公司的SIM900A模塊方案。WF-SIM900A可通過串口傳輸標準的AT命令對模塊進行控制，可以提供簡單方便的GSM語音、短信及GPRS的數據通訊功能。該模塊預留有TTL電平標準的串口，支持與使用3.3/5V電平標準的系統通訊，支持傳輸速率為1 200bps至115 200bps，默認為115 200bps，STM32單片機與SIM模塊進行串口通信來傳輸數據。在應用之前，我們用野火開發板和GSM調試助手進行硬件測試，掌握GSM模塊的通信方法后，再進行軟件的開發。數據的發送和接收都以字符串的形式由單片機UART（通用異步收發器）與GSM模塊連接來完成，如圖3所示[2]。

圖3 GSM通信模塊結構圖

1.6 μC/OS應用軟件系統

嵌入式系統是面向特定系統應用的，它的硬件和軟件都具備高度可定制性，由于對實時操作系統的支持，嵌入式系統將軟件固化于存儲芯片中，具有相當長的生命周期，而且方便開發更好的人機交互界面。基于μC/OS開發了監測系統的應用軟件，開發了界面如圖4所示，深入研究了μC/GUI設計，掌握了控件的開發和設計。

圖4 人機交互主界面

本應用設計可以分為四部分：（1）μC/OS創建任務管理系統；（2）觸摸屏讀取信息交由μC/GUI處理；（3）μC/GUI編寫圖形管理界面；（4）UART連接外部GSM與STM32處理器。圖形管理界面程序設計流程圖見圖5，初始化的部分主要是μC/OS的啟動，ADC模塊的數據采集和GSM通信模塊的初始化。啟動后顯示屏將顯示主界面，先設計好界面布局，再添加各種控件，Message按鈕控件可以設置監測人員的聯系方式和聯系內容，ADC按鈕控件用于設置危險水位預警閾值。位于主界面下方的圖形控件則實時顯示水位情況，應用流程見圖5。

圖5 應用軟件流程圖

我們采用嵌入式μC/OS，它不僅可以設計美觀的人機交互圖形界面，還在功能上有很大的提升，利用觸屏液晶顯示屏，使功能強大而操作變得簡單，而且采用嵌入式系統，提高了軟件的開發空間，增強了界面的可擴展性，對以后的軟件升級與優化有著重大的意義。

2 結束語

基于STM32單片機，采用嵌入式μC/OS為操作系統，設計了山洪監測預警應用軟件。系統擁有實時監測水位變化和GSM無線通信功能，測試實驗表明，該監測系統能實時對水位進行監測，水位的變化會在顯示屏上同步顯示，當水位達到設定的危險閾值時，會立即給監測人員發出危險信息，達到了預期的目的。它不僅能讓我們學習研究單片機的控制應用，還在GSM無線通信方面提供了一種實驗研究平臺。

[1]王芳.基于GSM短消息無線通信系統的研究[J].河海大學，2006，（5）：89-91.

[2]朱文彬.嵌入式短信管理系統和人體界面設計[J].南京理工大學.2008，（11）：48-50.

Mountain Flood Monitoring and Warning System Based on GSM Communication Design

Gao Qin，Wang Jia-hao，Zhang Xiao-kang

Flash Flood Warning System GSM communication is made after the piezoelectric sensor M18 detection level signal after A/D conversion of the electrical signal to the STM32 microcontroller for calculation processing，the system creates human-computer interaction by the embedded μC/OS interface with LCD touch screen display real-time water level data and early warning，the system real-time monitoring of water level，when the water level reaches a critical threshold is set，the disaster will be a signal to text message sent to the monitoring personnel，so as to achieve the purpose of warning.

liquid level sensor；GSM communication；embedded μC/OS

P208

A

1003–6490（2016）04–0058–02

2016–04–01

高琴（1982—），女，湖北天門人，副教授，主要從事檢測技術與自動化裝置的應用研究工作。