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(luò)及通信等技術(shù)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(shù)復(fù)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(jié)合水文測報系統(tǒng)的特點，以及GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了系統(tǒng)總體設(shè)計方案,，并利用具有適應(yīng)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(shè)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(yīng)用等技術(shù)問題，使水情信息能及時有效地用于水庫洪水的預(yù)報,、調(diào)度,、決策，為防洪興利服務(wù),。
設(shè)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(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成：水文監(jiān)控中心,、水文數(shù)據(jù)采集站及無線網(wǎng)絡(luò)模塊,。框圖如圖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(shè)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(yīng)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(shè)備,、計算機、打印機等多媒體設(shè)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(guān)指令,，與其進行通信,。
無線網(wǎng)絡(luò)模塊：主要是指采集站和監(jiān)控中心通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)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(luò)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(luò)向采集站發(fā)送相關(guān)指令等,。
2 水文測報系統(tǒng)的硬件設(shè)計
根據(jù)水文測報系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。
結(jié)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(shè)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(luò)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(luò)通信協(xié)議起到非常關(guān)鍵的作用,。GPRS系統(tǒng)采用IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持TCP／IP協(xié)議一分為應(yīng)用層,、傳輸層,、網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(fù)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(guān)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(yīng)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(cè)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(cè)通過包含SYN標志位的ACK數(shù)據(jù)包予以確認,，發(fā)送側(cè)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(cè)，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(shè)置模式：可以指令設(shè)置模塊工作頻道,、發(fā)射功率,、接口波特率，校驗?zāi)Ｊ降?；透明?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(jié)合以上分析結(jié)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(yīng)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(luò)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(yīng)指令對系統(tǒng)終端以及GW1000KC-3無線模塊進行參數(shù)等設(shè)置,，方便可靠。
3 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(shè)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(gòu)成監(jiān)控畫面,，并以動畫方式顯示控制設(shè)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(shè)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(jié)果
本系統(tǒng)采用了MSP430設(shè)計的系統(tǒng)終端和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(jié)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(jié)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(chǔ)上,，借鑒和分析了目前國內(nèi)外水文測報系統(tǒng)的技術(shù)，設(shè)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(shè)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(luò),，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,。