摘要：為了實現(xiàn)水文測報系統(tǒng)的高可靠性、低功耗性和較好的實時性，詳細介紹了水文測報技術的基本原理和實現(xiàn)方法，主要包括GPRS無線通信技術的基本知識和水文信息采集系統(tǒng)的整體構成。在借鑒和分析了國內(nèi)外水文測報技術的基礎之上，設計出了基于GPRS的水文測報系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)，并利用組態(tài)王開發(fā)了水文測報系統(tǒng)的實時監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以實用、穩(wěn)定、可靠為目標，在保證實現(xiàn)基本功能的基礎上，優(yōu)化了硬件和軟件設計。實驗結果證明，該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實時性強。
關鍵詞：GPRS；水文測報系統(tǒng)；組態(tài)王；通信

    水文測報系統(tǒng)是利用傳感器、微控制系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡及通信等技術手段將水位、雨量、流速、流量、水溫等數(shù)據(jù)參數(shù)進行采集、存儲、傳輸和處理的信息系統(tǒng)。由于水文測報系統(tǒng)是一項高科技、技術復雜的系統(tǒng)工程，加上野外自然條件惡劣、缺乏運行管理經(jīng)驗等因素，其中也存在很多不定性問題。本文結合水文測報系統(tǒng)的特點，以及GPRS無線網(wǎng)絡技術提出了系統(tǒng)總體設計方案，并利用具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點的組態(tài)王開發(fā)了監(jiān)控系統(tǒng)，有效地解決了功耗問題和傳輸安全穩(wěn)定、實時性強等問題。

1 水文測報系統(tǒng)的總體設計
    水文測報系統(tǒng)的基本功能主要是解決水庫洪水調(diào)度系統(tǒng)的水文信息自動采集、編碼、發(fā)送、中心站接收、解碼處理、存貯、應用等技術問題，使水情信息能及時有效地用于水庫洪水的預報、調(diào)度、決策，為防洪興利服務。
    設計方案采用模塊化傳輸平臺，實現(xiàn)水情系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。水文測報系統(tǒng)總體結構主要由三部分構成：水文監(jiān)控中心、水文數(shù)據(jù)采集站及無線網(wǎng)絡模塊?？驁D如圖1所示。

    水文采集站：主要包括太陽能或其他供電系統(tǒng)、傳感器(水位、雨量等)、人機接口、通訊接口等設備。其功能是自動采集數(shù)據(jù)，包括水位、雨量等水文數(shù)據(jù)，并自動應答監(jiān)控中心，向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。
    水文監(jiān)控中心：主要包括通訊設備、計算機、打印機等多媒體設備。其功能是實時接收遙測站采集發(fā)送的水文數(shù)據(jù)，存儲、顯示、打印遙測站水位、雨量數(shù)據(jù)，并向采集站發(fā)送相關指令，與其進行通信。
    無線網(wǎng)絡模塊：主要是指采集站和監(jiān)控中心通過GPRS無線網(wǎng)絡進行相關通信。無線模塊將采集站采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可以同時以無線的方式通過無線網(wǎng)絡向采集站發(fā)送相關指令等。

2 水文測報系統(tǒng)的硬件設計
    根據(jù)水文測報系統(tǒng)設計方案，系統(tǒng)硬件電路包括：電源、MCU(微處理器)以及外圍接口電路、GPRS模塊接口電路、鍵盤和顯示接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等部分組成，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、顯示以及與中心站通信等功能。
2．1 系統(tǒng)終端設計
    系統(tǒng)終端包括MCU微處理器、信號傳感、數(shù)據(jù)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤及顯示、時鐘、無線通信等電路。具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環(huán)境參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)調(diào)理以及A／D轉(zhuǎn)換后送MCU微處理器。接收到數(shù)據(jù)后，微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并存儲。數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊進行顯示并可以通過鍵盤查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進行遠程通信，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，整個硬件結構圖如圖2所示。

    結合以上要求，本系統(tǒng)終端以低功耗單片機MSP430F149為核心，包括信號傳感、數(shù)據(jù)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、鍵盤及顯示、時鐘、無線通信等電路。其中，MSP430F149單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環(huán)境參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)調(diào)理以及A／D轉(zhuǎn)換后送MSP430微處理器。接收到數(shù)據(jù)后，微處理器對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并存儲。數(shù)據(jù)可以通過顯示模塊進行顯示并可以通過鍵盤查看系統(tǒng)的工作狀態(tài)，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進行遠程通信，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心翻。該系統(tǒng)低功耗，性價比高，集成性強，適合所有標準輸出的變送器以及橋式傳感器差分mV級電壓信號，標準串行RS232／RS485數(shù)字接口，完全隔離型電流、電壓輸出。
2．2 GPRS通信模塊設計
    GPRS系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率快，而且覆蓋范圍廣，能方便和Internet連接。GPRS網(wǎng)絡一般使用GPRS外置Modem或是使用GPRS無線模塊。前者一般由GPRS模塊、SIM卡、RS232接口、電源等組成，由于該系統(tǒng)安裝在野外，電源供電，系統(tǒng)穩(wěn)定等因素制約，所以選擇后者。GPRS模塊與控制器之間的通信主要通過串口發(fā)送AT指令。
    為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和安全，GPRS網(wǎng)絡通信協(xié)議起到非常關鍵的作用。GPRS系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡結構，支持TCP／IP協(xié)議一分為應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、物理層等，本系統(tǒng)的協(xié)議主要在傳輸層的TCP協(xié)議和UDP協(xié)議中。TCP協(xié)議數(shù)據(jù)包格式相比UDP要復雜，而且在建立連接時需要進行3次握手，但它可以提供保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，而UDP協(xié)議數(shù)據(jù)包的格式比較簡單，但是它的數(shù)據(jù)傳輸可能存在誤碼現(xiàn)象，所以選擇TCP協(xié)議作為系統(tǒng)的傳輸層協(xié)議。
    TCP通過進程間的連接提供端到端的可靠數(shù)據(jù)傳輸，它提供錯誤檢測和故障恢復機制。TCP所傳送的數(shù)據(jù)單元稱為TCP數(shù)據(jù)包。TCP數(shù)據(jù)包用于建立連接、傳送數(shù)據(jù)、發(fā)送確認提供窗口大小信息和關閉連接等。TCP對所接收到的信息會及時予以確認，TCP數(shù)據(jù)包可分為TCP包頭和來自應用層的數(shù)據(jù)二部分。
    TCP采用三步握手的方式來建立連接。發(fā)送側首先發(fā)送一個SYN標志位的TCP數(shù)據(jù)包請求連接，接收側通過包含SYN標志位的ACK數(shù)據(jù)包予以確認，發(fā)送側在接到ACK數(shù)據(jù)包后，回送包含SYN標志位的ACK數(shù)據(jù)包到接收側，連接建立完成。
    本模塊采用了華榮公司的GW1000KC-3無線通信模塊，該模塊體積小，使用方便，具體特點如下：ISM頻段，16個頻道可選；發(fā)射功率16～33 dBm可調(diào)；多種設置模式：可以指令設置模塊工作頻道、發(fā)射功率、接口波特率，校驗模式等；透明數(shù)據(jù)傳輸，所收即所發(fā)傳輸模式；多種接口方式：TH／RS232／RS485；天線保護處理：支持天線未接情況下發(fā)射60 s以上數(shù)據(jù)(發(fā)送間隔100 ms)；可以軟件控制待機狀態(tài)，即用節(jié)電模式。
2．3 系統(tǒng)組成
    結合以上分析結果，本系統(tǒng)分別由傳感器、系統(tǒng)終端、GW1000KC-3無線模塊以及PC機組成，系統(tǒng)硬件連接圖如圖3所示。具體如下：傳感器通過兩線制接法，傳感器輸出4～20 mA DC輸出，將信號傳輸給系統(tǒng)終端，系統(tǒng)終端接收到信號后顯示出來，PC機利用串口通訊發(fā)送對應指令，采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳給無線模塊GW1000KC-3，后經(jīng)天線發(fā)送出去，通過GPRS無線網(wǎng)絡另一端接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)RS232將數(shù)據(jù)上傳給PC機。期間，可通過PC機發(fā)出對應指令對系統(tǒng)終端以及GW1000KC-3無線模塊進行參數(shù)等設置，方便可靠。

3 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)設計
    組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層3個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件也為試驗者提供可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。
    利用組態(tài)王的特點開發(fā)的水庫水文測報系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，從監(jiān)控中心窗口可以實時觀測水庫的主水位、庫容量、流量、系統(tǒng)監(jiān)控狀態(tài)、水位實時趨勢曲線以及查看歷史水情報表等。通過與實際硬件連接調(diào)試，系統(tǒng)采集顯示準確、穩(wěn)定。

4 調(diào)試結果
    本系統(tǒng)采用了MSP430設計的系統(tǒng)終端和GPRS無線網(wǎng)絡技術組建了水文測報系統(tǒng)，并且利用組態(tài)王開發(fā)了水文測報系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，組建成功以后，經(jīng)過實際連接、調(diào)試，實驗結果證明該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實現(xiàn)了水文測報系統(tǒng)的實時監(jiān)測。圖4是利用組態(tài)王開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)及水位曲線圖。

5 結束語
    針對目前水文測報系統(tǒng)的高可靠性、低功耗性和較好的實時性的要求，在介紹了水文測報系統(tǒng)的基本原理的基礎上，借鑒和分析了目前國內(nèi)外水文測報系統(tǒng)的技術，設計出了基于GPRS無線傳輸?shù)乃臏y報系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)終端以及GPRS通信協(xié)議的分析和設計，該系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的安全、可靠、穩(wěn)定傳輸，為用戶提供了低成本、高效率、可靠的方式連入GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)了雙向、實時的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并通過組態(tài)王開發(fā)了水文測報系統(tǒng)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，本系統(tǒng)組建以后，通過調(diào)試，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集正常、工作穩(wěn)定、通信良好，實時性強，與傳統(tǒng)的解決方案相比，本系統(tǒng)有較大的優(yōu)勢。