基于GPRS實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)遠(yuǎn)程自動監(jiān)測系統(tǒng)
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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(diǎn)，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(diǎn)的管理人員很難及時了解現(xiàn)場的運(yùn)行狀況，因此每個監(jiān)測站點(diǎn)必須配備值站員對站內(nèi)運(yùn)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(dāng)前的運(yùn)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(biāo)逐一實(shí)時檢測，無疑會耗費(fèi)大量的人力物力，給整個供水系統(tǒng)運(yùn)行管理增加了相當(dāng)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(yùn)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(yùn)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(chǔ)上，結(jié)合GPRS技術(shù)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(gòu)建模式?？刂浦行氖钦麄€系統(tǒng)運(yùn)作的核心，負(fù)責(zé)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(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)測點(diǎn)處，負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)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(jìn)行通信，如短信、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計要求，的設(shè)計實(shí)現(xiàn)可根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，采用特定的技術(shù)形式，利用MSP430F系列單片機(jī)與GPRS 模塊構(gòu)成各監(jiān)測子站。
2．監(jiān)測終端硬件設(shè)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)。單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(wù)。
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(jī) 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(shè)備的應(yīng)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(zhuǎn)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(diǎn)。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(shí)現(xiàn)。該模塊ETPro++內(nèi)部包含嵌入式 TCP/IP單片機(jī)系統(tǒng)部分和 GPRS模塊。他們之間是串口連接（Serial2）用戶上位機(jī)與ETPro++ 也是串口連接（Serial 1）這兩個串口連接可以進(jìn)行獨(dú)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(shè)計
本系統(tǒng)采用的 MSP430單片機(jī)本身就是一款超低功耗的機(jī)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(shí)現(xiàn)進(jìn)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(shè)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(guān)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(jìn)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(shè)計
4.1 監(jiān)測終端程序設(shè)計 MSP430F149單片機(jī)編譯環(huán)境為 IAR Embedded Workbench For MSP430 v3軟件版本，并在該軟件的基礎(chǔ)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(shí)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(guān)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(shè)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(jìn)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(jìn)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(shí)用性強(qiáng)等綜合特點(diǎn)。
4.2 GPRS模塊程序設(shè)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(yīng)用。
4.3監(jiān)控中心軟件設(shè)計及安全性
監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件設(shè)計，即上位機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的有效手段。監(jiān)控中心系統(tǒng)軟件設(shè)計的目標(biāo)不僅是提供用戶友好的人機(jī)交互界面，而且還要實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)的存儲；對監(jiān)測點(diǎn)信息包括其設(shè)置參數(shù)的管理；對監(jiān)測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，如數(shù)據(jù)分析、打印報表等；對監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)查詢等功能。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計的目標(biāo)，可以擬定系統(tǒng)的功能模塊框圖結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
本系統(tǒng)使用 Microsoft Access應(yīng)用軟件來設(shè)計數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)，并利用 Access的“導(dǎo)出”功能將設(shè)計好的數(shù)據(jù)表導(dǎo)出，生成所需要格式的數(shù)據(jù)表。在系統(tǒng)中設(shè)計了監(jiān)控站基本參數(shù)表、三個數(shù)據(jù)表來存儲有關(guān)的信息、監(jiān)控站設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計時預(yù)留了一些字段以方便系統(tǒng)擴(kuò)展。同時考慮軟件設(shè)計的方便，監(jiān)控點(diǎn)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(diǎn)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(luò)安全方面的措施包括信道加密、訪問權(quán)限、防火墻等。穩(wěn)定性方面要達(dá)到長時間無故障運(yùn)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(shè)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(yīng)用服務(wù)器前，要經(jīng)過 Radius服務(wù)器的認(rèn)證，整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。
5．結(jié)論
目前系統(tǒng)己投入使用，能夠滿足當(dāng)?shù)?strong>管網(wǎng)監(jiān)測的需求。終端采用低功耗單片機(jī)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(yùn)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(luò)及E-mail等多種方式進(jìn)行傳送，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)等靈活的組網(wǎng)方式。
創(chuàng)新點(diǎn)：提出了利用 GPRS網(wǎng)絡(luò)線和單片機(jī)構(gòu)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(shè)計方法。
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