基于GPRS實現(xiàn)供水管網(wǎng)遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)
在許多城市里，供水管網(wǎng)和水質(zhì)監(jiān)測站分布在城區(qū)的各個地點，過去主要采取人工抄表、電話報數(shù)、現(xiàn)場檢測、手動操作調(diào)試的原始調(diào)度方法。位于控制中心管理若干個地理位置比較集中的站點的管理人員很難及時了解現(xiàn)場的運行狀況，因此每個監(jiān)測站點必須配備值站員對站內(nèi)運行情況就地監(jiān)測、記錄、調(diào)節(jié)，并定期向其所屬的控制中心報告當前的運行數(shù)據(jù)。由于供水管網(wǎng)地理位置分散，如要對這些指標逐一實時檢測，無疑會耗費大量的人力物力，給整個供水系統(tǒng)運行管理增加了相當大的難度。并且利用人工現(xiàn)場采集的方法收集信息數(shù)量少、處理慢、傳遞遲，調(diào)度處于低級階段，以保證不缺水和維持正常運行為主，談不上優(yōu)化調(diào)度。遇上爆漏及其他事故，不能及時地診斷報警，影響供水管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行。
本系統(tǒng)就是在傳統(tǒng)供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，結合GPRS技術而發(fā)展起來的新型監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“控制中心—監(jiān)測站”的構建模式?？刂浦行氖钦麄€系統(tǒng)運作的核心，負責收集各監(jiān)測站上傳的監(jiān)測信息，發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測站的動作。監(jiān)測站被分散放置于遠離控制中心的各監(jiān)測點處，負責完成信息的采集和響應控制中心發(fā)出的控制命令。監(jiān)測站與控制中心之間可以通過多種方式進行通信，如短信、網(wǎng)絡和E-mail等方式。由于有的監(jiān)測站無人值守，考慮到系統(tǒng)的低功耗設計要求，的設計實現(xiàn)可根據(jù)不同的應用目的和應用環(huán)境，采用特定的技術形式，利用MSP430F系列單片機與GPRS 模塊構成各監(jiān)測子站。
2．監(jiān)測終端硬件設計
監(jiān)測終端通過現(xiàn)場傳感器將壓力、流量等物理量變換成模擬信號，經(jīng)過電路轉換成數(shù)字信號送入單片機。單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波后存儲起來，然后利用 AT指令控制 GPRS模塊，發(fā)送到控制中心。采集的時間間隔和發(fā)送間隔均由時鐘芯片控制，完成定時采集和發(fā)送任務。
根據(jù)監(jiān)測終端的功能和工作環(huán)境，選擇 TI公司近幾年推出的 16位系列單片機 MSP430作為 CPU。 MSP430工作在 1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式（ AM）和 4種低功耗工作模式，可以方便的在各種工作模式之間切換。MSP430的超低功耗使其在電池供電、便攜式設備的應用中表現(xiàn)出非常優(yōu)良的特性。 MSP430內(nèi)部具有多通道 12bit的 A/D轉換、片內(nèi)精密比較器、多個具有 PWM功能的定時器、看門狗定時器及大量的 I/O端口等優(yōu)點。GPRS模塊選擇的深圳倚天科技開發(fā)有限公司的ETPro++ 模塊來實現(xiàn)。該模塊ETPro++內(nèi)部包含嵌入式 TCP/IP單片機系統(tǒng)部分和 GPRS模塊。他們之間是串口連接（Serial2）用戶上位機與ETPro++ 也是串口連接（Serial 1）這兩個串口連接可以進行獨立配置和操作的(例如波特率和流控制方式) 。終端的硬件電路框圖如圖 1示。
3．系統(tǒng)節(jié)能設計
本系統(tǒng)采用的 MSP430單片機本身就是一款超低功耗的機型，非常適合電池供電的場合。在 1MHz時鐘下工作電流只有 0.1~400uA，對于容量為 1600mAh鎳氫電池即使在最大電流消耗下也可以用 170天左右。為實現(xiàn)進一步減少能量消耗,系統(tǒng)中對模塊的供電采取節(jié)能控制方式,即在設定的發(fā)送時間到時程序才通過光電耦合器和中功率線性開關向模塊供電，其它時間切斷模塊電源.電路如 2所示。
模塊每次通信時間大約為兩分鐘,模塊的功率為 700mW，如果無異常情況，每天進行一次通信，這樣每天模塊的功耗約為 0.14mAh，即整體系統(tǒng)每天的功耗在 9.8mAh左右，對于容量為 1600mAh的電池大約可以用 160天左右。 4系統(tǒng)軟件設計
4.1 監(jiān)測終端程序設計 MSP430F149單片機編譯環(huán)境為 IAR Embedded Workbench For MSP430 v3軟件版本，并在該軟件的基礎上調(diào)試整個系統(tǒng)程序。圖 3所示監(jiān)測終端主程序流程圖。它主要實現(xiàn)了對系統(tǒng)周圍各個器件的初始化，為了能讓系統(tǒng)節(jié)省更多的電量，開始就要將 GSM模塊的電源關閉，需要發(fā)送短信時才將其電源打開。為了便于系統(tǒng)的初期階段調(diào)試，在硬件上還設置了一個手動發(fā)短信按鍵。這樣需要在判斷完時間是否到時后，再進行按鍵的判斷。主程序就是完成按鍵的判斷、端口的掃描以及定時進入低功耗狀態(tài)。這樣無論是從硬件上還是軟件上都做到了節(jié)省電量的方法。使得系統(tǒng)具有功耗低、操作方便、實用性強等綜合特點。
4.2 GPRS模塊程序設計
GPRS模塊主要將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)定時發(fā)送給控制中心。GPRS模塊的通信過程中主要使用了如下 AT命令：AT+CMGF（選擇SMS模式）、AT+CMGS（SMS發(fā)送）、AT+CSQ（檢測信號質(zhì)量及 SIM卡安裝狀態(tài)）。命令在程序中被定義成字符數(shù)組，并在使用時通過串口發(fā)送,下面以短信發(fā)送為例說明應用。
4.3監(jiān)控中心軟件設計及安全性
監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件設計，即上位機系統(tǒng)軟件設計，是城市供水管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的一個重要組成部分，是實現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控的有效手段。監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件設計的目標不僅是提供用戶友好的人機交互界面，而且還要實現(xiàn)對監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)的存儲；對監(jiān)測點信息包括其設置參數(shù)的管理；對監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)進行有效的管理，如數(shù)據(jù)分析、打印報表等；對監(jiān)測點進行實時狀態(tài)查詢等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能設計的目標，可以擬定系統(tǒng)的功能模塊框圖結構如圖 4所示。
本系統(tǒng)使用 Microsoft Access應用軟件來設計數(shù)據(jù)庫的結構，并利用 Access的“導出”功能將設計好的數(shù)據(jù)表導出，生成所需要格式的數(shù)據(jù)表。在系統(tǒng)中設計了監(jiān)控站基本參數(shù)表、三個數(shù)據(jù)表來存儲有關的信息、監(jiān)控站設置參數(shù)表和歷史數(shù)據(jù)記錄表?？紤]到系統(tǒng)功能開發(fā)的需要，在數(shù)據(jù)表結構設計時預留了一些字段以方便系統(tǒng)擴展。同時考慮軟件設計的方便，監(jiān)控點的信息利用數(shù)據(jù)表來存儲，且按參數(shù)性質(zhì)分別用兩個主從表來存放，以方便對監(jiān)控站參數(shù)的管理；各監(jiān)控點的歷史數(shù)據(jù)用同一個數(shù)據(jù)表來存放，以方便對歷史數(shù)據(jù)的管理、分析和處理。自來水供水管網(wǎng)監(jiān)測站數(shù)據(jù)畫面如圖 5所示。
在安全性方面，本系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性方面有比較高的要求，數(shù)據(jù)的傳輸必須做到能夠防止來自外部的破壞，網(wǎng)絡安全方面的措施包括信道加密、訪問權限、防火墻等。穩(wěn)定性方面要達到長時間無故障運行，系統(tǒng)不能中斷。
數(shù)據(jù)中心通過公網(wǎng)使用 VPN接入到移動 GPRS網(wǎng)，采用 VPN方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，還可以利用使用原有的 VPN設備，移動終端需要安裝具有 VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過 VPN方式，客戶端在連接應用服務器前，要經(jīng)過 Radius服務器的認證，整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡服務質(zhì)量。
5．結論
目前系統(tǒng)己投入使用，能夠滿足當?shù)?strong>管網(wǎng)監(jiān)測的需求。終端采用低功耗單片機并對耗能最大的GPRS模塊采取限能措施，提高了電池的壽命，增加了系統(tǒng)可靠運行的時間。同時本系統(tǒng)可以將現(xiàn)場參數(shù)的監(jiān)測量，通過短信息、網(wǎng)絡及E-mail等多種方式進行傳送，可實現(xiàn)點對點，點對多點等靈活的組網(wǎng)方式。
創(chuàng)新點：提出了利用 GPRS網(wǎng)絡線和單片機構成監(jiān)測終端，并提供了監(jiān)測終端的低功耗硬件電路及軟件設計方法。
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