目前,，典型的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)一般由傳感器,、遙測(cè)站和數(shù)據(jù)中心（上位機(jī)）構(gòu)成。其中遙測(cè)站常常被放置于遠(yuǎn)離城市的偏遠(yuǎn)地方甚至野外,，因其環(huán)境惡劣,，為系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù),、檢修等帶來(lái)了很大的困難[1],。水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)復(fù)雜而龐大，而如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心的通信也是水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中必須要解決的問(wèn)題,。本文提出了一種基于GPRS的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng),，通過(guò)采用GPRS無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心之間的透明傳輸。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用,，該系統(tǒng)具有可靠性高,、可擴(kuò)展、檢測(cè)精確,、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),。
    通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù),，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。GPRS允許用戶在分組交換模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而提供了一種高效,、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[2-3],。在有線不普及和布線困難的地方，借助于無(wú)線手段,，使整個(gè)系統(tǒng)具有工程造價(jià)和資源成本低,、傳輸數(shù)據(jù)受地域的影響小、可靠性高,、維護(hù)率低的特點(diǎn),。GPRS技術(shù)大幅提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，是目前無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中最廣泛的技術(shù)之一[4],。本文采用GPRS技術(shù)作為遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，成功?shí)現(xiàn)了對(duì)水情的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    基于GPRS的水情無(wú)線采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,，系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站,、數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)(GPRS和Internet)及數(shù)據(jù)中心構(gòu)成。

    遙測(cè)站安裝在水庫(kù),、大壩,、海口等現(xiàn)場(chǎng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水情的各種參數(shù)的實(shí)時(shí)采集,、處理,、存儲(chǔ)等功能，并將測(cè)量到的信息(如雨量,、水位等)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送給無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò),，同時(shí)將GPRS模塊作為接收數(shù)據(jù)中心相關(guān)命令的有效途徑。遙測(cè)站既可以通過(guò)數(shù)據(jù)中心的命令控制其工作,，也可脫離數(shù)據(jù)中心單獨(dú)工作,。單獨(dú)工作時(shí)，其相關(guān)參數(shù)及命令通過(guò)遙測(cè)站面板上的按鍵輸入,。
    數(shù)據(jù)中心安裝在水利部門(mén)的辦公樓內(nèi),，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)遙測(cè)站發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)的接收、處理,、存儲(chǔ),、信息查詢和編制水文圖表等功能。另外,，還能通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)向現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站發(fā)送相關(guān)參數(shù)和命令的功能,。
    數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)由GPRS無(wú)線模塊和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它是現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通道,，其傳輸過(guò)程是：遙測(cè)站將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù),，傳至微處理器，利用GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)打包封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò),，GRPS網(wǎng)絡(luò)又將數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò),，最后利用Internet將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到連接互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心主機(jī)。數(shù)據(jù)中心向現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站發(fā)送運(yùn)行參數(shù)和命令的過(guò)程正好與上述相反,。在遙測(cè)站的GPRS模塊上安裝一個(gè)SIM卡,，將數(shù)據(jù)中心開(kāi)通網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)同互聯(lián)網(wǎng)的連接,。這樣就可以通過(guò)GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心主機(jī)之間的無(wú)線透明傳輸,。
2 遙測(cè)站硬件設(shè)計(jì)
    遙測(cè)站的硬件即數(shù)據(jù)采集終端，以AT91SAM9260ARM處理器為核心,，包括一個(gè)高精度的MH-GA 超聲波物位儀,、電源模塊、GPRS通信模塊(MC55)等,。AT91SAM9260ARM處理器由A/D通道采集MH-GA超聲波物位儀的信號(hào),，經(jīng)過(guò)分析處理保存，再通過(guò)RS232串口將水位數(shù)據(jù)發(fā)送給MC55無(wú)線模塊,，并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心,。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示,。

    AT91SAM9260是愛(ài)特梅爾公司集成最新的ARM926-EJ-S[TM]ARM Thumb內(nèi)核的工業(yè)級(jí)處理器，擁有8 KB數(shù)據(jù)緩存,、18 KB指令緩存、MMU單元,、在180 MHz頻率時(shí)有200 MIPS指令運(yùn)行速度,，內(nèi)嵌1個(gè)32 KB ROM、2個(gè)4 KB RAM,，集成有EBI,、USB、DMA等外設(shè)[5],；通過(guò)VDDCORE管腳提供內(nèi)核電源(包括處理器,、內(nèi)嵌存儲(chǔ)器和外設(shè))，額定電壓為1.8 V,，相應(yīng)的接地引腳為GND,；VDDANA管腳提供ADC額定電壓3.3 V的電源，接地引腳為GNDANA,。數(shù)據(jù)采集過(guò)程充分利用內(nèi)部ADC來(lái)完成,，以降低功耗、減少芯片數(shù)量,、提高可靠性,。而且A/D接口在不用時(shí)還可作為GPIO使用。為給系統(tǒng)提供一個(gè)永久的低速時(shí)鐘,，配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563,。為了方便數(shù)字語(yǔ)音、圖像,、程序代碼和各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)應(yīng)用,，處理器外圍電路還配有運(yùn)行速度快，方便讀,、修改和寫(xiě)操作的DATA Flash芯片AT45DB161D,。
2.1 采集模塊

    由于現(xiàn)場(chǎng)情況特殊，選用的傳感器要具有抗干擾能力強(qiáng),，耐潮濕,、耐高溫和耐腐蝕氣體及可靠性高、性能穩(wěn)定等特點(diǎn),。本系統(tǒng)選用了MH-GA 超聲波物位儀,。該儀器具有完善的物位測(cè)控功能、數(shù)據(jù)傳輸功能和人機(jī)交流功能,。主芯片采用進(jìn)口工業(yè)級(jí)單片機(jī),，數(shù)字溫度補(bǔ)償和寬電壓輸入穩(wěn)壓等,，擁有模擬量及RS485/232輸出，可方便與主機(jī)連接,。
    AT91SAM9260芯片內(nèi)部帶有4路模擬信號(hào)輸入,，是基于逐次逼近寄存器(SAR)的10 bit模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。本系統(tǒng)采用ARM9處理器內(nèi)部的10 bit A/D實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換,。由于MH-GA超聲波物位儀輸出的是4 mA～20 mA的電流,，而A/D接收的必須是電壓信號(hào)，因此需要電流取樣,，在MH-GA和A/D之間加一個(gè)高精度電阻,，讓電流經(jīng)過(guò)150 Ω的采樣電阻轉(zhuǎn)換之后，通過(guò)RC濾波電路進(jìn)行濾波,，最后引出采樣電壓信號(hào)連接到A/D轉(zhuǎn)換器,。傳感器輸出與A/D轉(zhuǎn)換器之間的連接如圖3所示。

    通過(guò)設(shè)置休眠模式為0來(lái)選擇普通模式,，設(shè)置控制寄存器ADC_CR的開(kāi)始位為1 bit,，寫(xiě)入1觸發(fā)軟件觸發(fā)器，開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,。ADC使用ADC時(shí)鐘來(lái)執(zhí)行轉(zhuǎn)換,，因此，設(shè)定單一的模擬值轉(zhuǎn)換為10 bit數(shù)據(jù)值時(shí)的取樣和保持時(shí)鐘周期為8 s,。當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換完成后,，所產(chǎn)生的10 bit數(shù)字值被存儲(chǔ)在ADC_CDR和ADC_LCDR寄存器中，一直保持到一個(gè)新的轉(zhuǎn)換完成,。當(dāng)讀取一個(gè)ADC_CDR寄存器時(shí),，就會(huì)清除相應(yīng)的EOC位，讀ADC_LCDR時(shí)清除DRDY位,，并且EOC位與最后轉(zhuǎn)換的通道一致,。
2.2 GPRS通信模塊
    GPRS通信模塊是現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接口，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心無(wú)線雙向通信的重要部件,，其性能的好壞直接關(guān)系到水情測(cè)量系統(tǒng)是否能正常,、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地運(yùn)行,。為減少成本,、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，本文選用MC55無(wú)線模塊,。MC55為SIEMENS公司推出的被譽(yù)為當(dāng)今世上最具價(jià)值,、尺寸最小的三頻GSM/GPRS模塊，除具有普通GSM模塊的通話,、短信,、電話簿管理,、電路交換數(shù)據(jù)(CSD)傳輸?shù)裙δ芎蜔o(wú)線MODEM的GPRS連接功能外，內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧,，不僅支持SOCKET 連接下的TCP／UDP數(shù)據(jù)傳輸,，還支持HTTP、FTP,、SMTP,、POP3等上層應(yīng)用協(xié)議[6]。MC55的使用說(shuō)明如下：
    (1)MC55的電源由單一電壓源VBATT+3.3 V~4.8 V供電,。由于VDD引腳在電源掉電模式下無(wú)法工作，因此,，VDD引腳用來(lái)判斷MC55是否處在電源掉電模式,。
    (2)MC55提供6個(gè)專用引腳與SIM卡連接；將MC55的CCVCC引腳與SIM卡的CCVCC引腳相連,，作為SIM卡的電源,，必須使用SIM卡的CCGND作為電源地。
    (3)MC55的軟件存儲(chǔ)在快速閃存器的一個(gè)緊湊型的“疊層閃存/SRAM”設(shè)備中,，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器為GPRS的連接提供了額外的存儲(chǔ)空間,。
    (4)MC55包含ASC0和ASC1兩個(gè)串行接口，為綜合人機(jī)界面提供最大的適應(yīng),。
    (5)關(guān)閉MC55模塊,，必須使用指令“AT^SMSO”，確認(rèn)MC55關(guān)閉后才能切斷電源,。如果系統(tǒng)時(shí)常斷電,，一定要有備用電池，以保證無(wú)線模塊的正常工作,。
3 數(shù)據(jù)中心
    數(shù)據(jù)中心主要由監(jiān)控主機(jī),、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和打印機(jī)構(gòu)成。其中監(jiān)控主機(jī)通過(guò)固定IP接入Internet,，然后再通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)接入GPRS網(wǎng)絡(luò),。這種連接方式相對(duì)于其他方式具有接人帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸安全性高,、實(shí)時(shí)性好及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[7],。數(shù)據(jù)中心是水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)采集信息的最終接收中心，具有雙重功能：(1)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)采集信息,，并對(duì)接收的信息進(jìn)行檢查,、存儲(chǔ)、顯示和打印等處理,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水情的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)功能,；(2)將相關(guān)設(shè)置參數(shù)和控制命令一起打包通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò),、GPRS網(wǎng)絡(luò)、GPRS模塊(MC55)發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站控制單元,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)站的實(shí)時(shí)在線控制功能,。
4 軟件設(shè)計(jì)
    該數(shù)據(jù)采集終端選用目前較為流行的ARM處理器和Linux實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。由于Linux具有開(kāi)放源代碼,、支持多種類型硬件驅(qū)動(dòng),、內(nèi)核更新速度快、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng),、免費(fèi)下載等優(yōu)點(diǎn),，是嵌入式操作系統(tǒng)中完整廉價(jià)的開(kāi)發(fā)工具[8]。
4.1 遙測(cè)站軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)通過(guò)AT91SAM9260不斷檢測(cè)GPRS模塊是否有傳輸命令,，如果有,，則直接建立連接，將數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給數(shù)據(jù)中心,；如果沒(méi)有,，則定時(shí)啟動(dòng)A/D采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)定時(shí)時(shí)間為1 h,，采集完成后先將數(shù)據(jù)保存,，然后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)根據(jù)傳輸協(xié)議打包封裝后，經(jīng)串口發(fā)送給GPRS通信模塊,，再利用AT指令控制GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò),，最后數(shù)據(jù)就可以發(fā)送到數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖4所示,。

4.2 GPRS模塊與Internet的連接
    由于GPRS(MC55)沒(méi)有在線模式和命令模式,，所以對(duì)它的控制均通過(guò)AT指令[9]實(shí)現(xiàn)。AT指令是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口,，指令和響應(yīng)格式都很固定,。MC55中內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，其與Internet的連接需要用到如下指令：
    (1)通過(guò)at^sics指令建立連接配置
    at^sics=0,conType,GPRS0 /*配置連接類型為GPRS0,，
連接ID為0*/
    at^sics=0,user,liaocheng /*用戶名為liaocheng*/
    at^sics=0,passwd,liaocheng /*密碼為liaocheng*/
    at^sics=0,apn,cmnet /*GPRS接入點(diǎn)APN
選用公網(wǎng)默認(rèn)值cmnet*/
    (2)通過(guò)at^siss指令建立服務(wù)配置
    at^siss=0,srvType,socket /*設(shè)置0號(hào)服務(wù)配置,，
服務(wù)類型為SOCKET TCP客戶端*/
    at^siss=0,conId,0 /*按0號(hào)配置連接*/
    at^siss=0,address,socktcp://192.168.0.243;5000/*ip地址
也可以改為相應(yīng)的主機(jī)域名，端口號(hào)設(shè)為5 000*/
    (3)使用at^siso指令啟動(dòng)連接
    at^siso=0 /*開(kāi)啟SOCKET連接*/
    at^sisw=0,<ByteNum>/*請(qǐng)求0號(hào)服務(wù)器,，
發(fā)送ByteNum個(gè)數(shù)據(jù)*/
    at^sisr=0,<ByteNum>/*請(qǐng)求從Internet上
接收ByteNum個(gè)數(shù)據(jù)*/
    請(qǐng)求發(fā)送的字節(jié)在TCP方式下不允許超過(guò)1 500個(gè),。
    發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)完成后，通過(guò)如下命令關(guān)閉Internet服務(wù)：
    at^sisc=0
4.3 數(shù)據(jù)中心軟件設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)中心軟件同樣采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想,，主要實(shí)現(xiàn)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的系統(tǒng)化,、自動(dòng)化，從而減少工作量,，提高效率,。數(shù)據(jù)中心軟件的主要模塊有：
    (1)系統(tǒng)管理模塊：包括系統(tǒng)登錄,，密碼修改、添加或者刪除系統(tǒng)信息等操作,。
    (2)數(shù)據(jù)通信模塊：用于顯示遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心的連接情況,，并完成數(shù)據(jù)信息的接收及相關(guān)命令的發(fā)送。
    (3)顯示查詢模塊：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),、查詢,、刪除和打印、系統(tǒng)運(yùn)行狀況,、測(cè)站和系統(tǒng)的特征參數(shù)等,；并且通過(guò)下拉菜單可以選擇特定的測(cè)報(bào)點(diǎn)和指定的日期進(jìn)行查詢。
    (4)用戶設(shè)置模塊：實(shí)現(xiàn)用戶信息的設(shè)置和修改,。
    (5)幫助模塊：為用戶提供方便快捷的在線式聯(lián)機(jī)幫助,。
    系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心軟件選用VB6.0工具開(kāi)發(fā)。VB6.0簡(jiǎn)單易學(xué),、功能強(qiáng)、效率高,。數(shù)據(jù)庫(kù)軟件有兩種選擇,，一種是桌面數(shù)據(jù)庫(kù)Access，它是一種小型的數(shù)據(jù)庫(kù),；另一種是基于服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server,，無(wú)論在功能上還是容量上都比Access強(qiáng)大。但由于水情信息數(shù)據(jù)量小,，且Access簡(jiǎn)單好用,、創(chuàng)建和配置都比較方便，因此,，本設(shè)計(jì)選擇了Access作為數(shù)據(jù)庫(kù),。
    本文利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)站與數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸，在充分發(fā)揮GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,，同時(shí)借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù),，設(shè)計(jì)了一種新型水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水情的實(shí)時(shí)無(wú)線測(cè)報(bào),。應(yīng)用結(jié)果表明,，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足防災(zāi)減災(zāi)的水情報(bào)汛的要求,。而且該系統(tǒng)具有成本低,、可靠性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),，對(duì)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的推動(dòng)作用,，有推廣價(jià)值,。
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