2018年03月18日 | 基于GPRS的水文信息远程监测系统的设计方案

    0 引言

    水文信息是衡量水资源的重要指标，其中地下水位的变化与地下水的开采量和地面沉降有着密切的关系，对控制地面沉降具有重要的意义。传统的水文监测主要依靠人工、半人工的监测手段，造成了工作量大、效率低、数据处理繁杂易错、信息传输时效性差等问题，既不适应信息化的发展，又不能满足现代化管理的需要。而且劳动强度也很大，测量精度无法保障，尤其是监测一些地理位置比较偏远或分散的监测点，工作难度更大。

    为了合理利用水资源，充分了解各个流域水资源的状况，实现水文信息的自动化监测及远程管理，合理利用计算机技术、高精度的测量仪器、公众通信平台等工具，对实现水文信息的远程实时同步动态监测有重要意义。

    随着无线通信技术的发展，我国信息化进程不断推进，各行各业对信息化要求也越来越高，在对信息化的认识上，从先前单纯的数字化提升到数字化与网络化、无线化相统一的高度。相对于目前信息化的要求，原有的有线系统虽然基本完成了数字化与网络化，但其布线复杂、维护成本高使得网络节点不能大范围地普及推广，这对信息化的深入和发展造成了很大的限制。因此，信息化对无线数据传输技术的需求不断增大。如今移动网络覆盖范围广，它所提供的各项数据业务使许多智能设备、仪表实现了无线数据的远程传输。GPRS即通用系统无线业务可靠性高，且收费相对低廉。此外基于GPRS 的系统，可以有效简化监测系统的地面设施。

    所以利用GPRS 作为通信媒介是实现水文信息动态监测系统的一个有效途径。

    实现对水文信息的大面积自动监测需解决两个问题：

    (1)如何在恶劣环境下准确测得水位信息;

    (2)找到一种既能应用于人烟稀少的偏僻地区，又能在人口密集、建筑条件复杂的城市进行数据远程、实时通信，且耗资少，便于推广并进行计算机网络化管理的数据通信手段。

    基于GPRS 网络水文信息无线远程监测系统的设计方案可实现自动化监测，可大大提高地下水动态监测的水平和质量，为科学、合理开发利用水资源，保护生态环境奠定扎实的基础。通过系统的应用，为城市可持续发展和减灾防灾工作提供了必要的决策支持和多元化服务。

    1 系统方案的总体结构及工作过程

    该系统利用GPRS通信方式，以基于嵌入式概念的单片机控制技术和GPRS无线模块的通信为核心，经数据采集、处理，传至监测中心用户终端，实现水位的实时动态监测。系统分为智能信息采集终端、信息综合服务器和用户终端三个部分。

    方案的总体结构框图如图1所示。

    图1中的智能信息采集终端由单片机、GPRS无线模块、传感器、变送器等部分组成，主要负责采集水位信息，并将其发送至信息综合服务器;信息综合服务器主要分为数据接收和发送、控制管理、终端处理三个模块，用来对数据进行接收、处理、存储和显示;用户终端包括计算机用户终端和GPRS手机用户终端两种。使用计算机终端的用户需在计算机上安装终端应用程序，然后可上网查阅存放在信息综合服务器中的详细水位资料;手机用户在获得授权后，可通过手机得到实时的水文信息。

    系统的工作过程如下：信息采集终端采集现场水位数据，利用传感器和变送器将数据转换成标准信号，再经由模数转换器(A/D)转成数字信号，通过单片机的主控程序和发送数据子程序将采集到的数据经GPRS 调制解调器(GPRS Modem)以短消息的方式发送出去。信息综合服务器接收到采集终端传来的由数据编码的短消息后，处理得到水位高程及相关信息，并将其存入数据库方便用户查阅。一旦用户有需要，便可启动收发模块，数据库中水位信息及相关信息将会发送到用户终端。

    系统的基本功能如下：

    (1)定时自动采集水位数据并存储;

    (2)人工录入基础数据及相关数据的编辑与修改;

    (3)对所采集数据进行统计分析并制表绘图;

    (4)利用计算机及专用软件，通过GPRS 系统提供的手机短信功能对观测子站直接进行设置、调试和监测;

    (5)能进行数据远程传输。

    2 智能信息采集终端的设计

    2.1 智能信息采集终端硬件

    智能信息采集终端硬件主要由液位变送器、温度变送器、连接电缆和水文信息智能监测仪等构成，如图2所示。

    方案设计采用防腐性投入式液位变送器和铂电阻温度变送器。变送器前端采用不锈钢外壳用来防止观测井内水中杂质的干扰。连接电缆是指变送器与水文信息智能监测仪之间连接的电缆。由于液位测量时采用压力比较形式，故连接电缆采用中心有通气导管的专用电缆。水文信息智能监测仪以单片机为核心，配合模数转换、时钟芯片、数据存储、数据显示、后备电源等部分。

    观测子站工作原理如下：利用分散设置在观测点的液位、温度变送器将测量得到液位、温度变量转换为可传送的标准化输出信号。系统采用4~20 mA电流信号传输方式将信号送入信息采集终端模数转换部分将模拟信号转成数字信号，以减少信号的衰减和接线的复杂性，再经单片机将转换后的数字信号进行分析处理。数据存储部分使用大容量存储芯片存储处理后的数据。

    日历时钟具有实时时钟计数功能还能为监测仪提供准确的日期及时钟信号。数据显示部分现场显示出实时监测数据。最后经由数据通信模块利用其内置的调制解调器，实现现场监测仪与各级水务部门中心监测站的计算机之间的数据交换。后备电源部分能在市电无法正常提供的时候保证监测仪的正常使用，且后备电源能与市电自动切换。

    2.2 智能信息采集终端软件流程

    滤波能将信号中特定波段频率滤除，是抑制和防止干扰的一项重要措施，基于数字滤波具有精度高、可靠性强、可程控改变特性和便于集成等优点考虑。本系统利用程序用数字滤波来提高水位采样信号的真实度。

    测量水位时，江河、湖泊和水库等的波浪冲击可能引起采样信号产生瞬时、幅值较大的脉冲干扰，而一旦在采样时刻出现这种干扰，系统就无法正常工作，所以对采样数据进行滤波十分必要。智能信息采集终端采用中值滤波法，即从采样窗口取出奇数个数据进行排序，用排序后的中值取代要处理的数据。系统软件的程序中安排了“冗余指令”可在PC因干扰出错，程序脱离正常轨道，出现“乱飞”时使程序迅速进入正轨，还安排了“软件陷阱”可在乱飞程序进入非程序区或表格区无法用冗余指令使程序入轨时发挥作用。数据采集分机软件包括主程序和数据传送子程序。数据传送子程序流程如图3所示。

    智能信息采集终端软件，使用C++语言编写，利用面向对象程序设计的编程架构，以构件的形式搭建应用软件的主要功能部件，以提高系统的可视性，也便于数据汇总和数据交换。利用MICroSOFt ACCess数据库保存及处理数据，提高系统的可靠性和运行效率。

    3 信息综合服务器程序的设计

    水文远程监测网络系统主要由中心监测站和现场观测子站组成，分为两级联网。由三个环节构成：现场数据采集与存储、远程数据传输、数据分析与数据库管理，如图4所示。

    水文信息遥测管理系统使用C++语言编写，完成了由上到下的模块式总体设计。系统集合了水位信息的实时采集、预处理、数据存储及管理功能，构成了一个一体化的综合信息平台。通过无线远程传输技术，实时获取监测点的水资源信息，按照日、月、年，分不同时段将数据存入数据库，并绘制曲线(见图5)与直方图对比分析数据，最终将结果显示给用户，并能依照用户需求自动生成报表。上位机软件管理系统功能主要由信息综合管理模块、实时远程监测模块、水资源决策支持系统、输出模块及其他辅助功能组构成。

    3.1 实时远程监测模块

    实时远程监测系统采用无线数据传输技术和串口通信技术采集数据信息，能随时监控监测点的运行情况，实时采集水位、水温数据。监测点的水位、水温传感器将水位、水温这两个物理量信息转换成模拟电信号传输至测报仪，经A/D将模拟信号转换成数字信号进行数据处理，并储存。需要水资源信息时，用户终端可以依据指定的通信协议将数据送至与之相连的Modem即调制解调器，再利用GPRS 网络将数据以短信形式发出。

    监测中心的Modem 收到短信后，经串口将收到的数据传至与之相连的上位PC机。当监测中心需要采集实时数据时，可以经由遥测管理系统的实时数据采集模块向监测站发送信息。

    3.2 水资源决策支持系统

    该系统采用信息融合技术对多个传感器的观测信息进行分析、综合处理，根据采集到的信息，在水资源数据库中查找并计算出每个测点每个年月水位的最大值、最小值、平均值等数据建立模型，结合当时的水环境情况、区域发展的现状、总体规划的要求，结合模型对数据进行综合处理和全面分析。

    3.3 输出模块

    在此部分用户可将数据导入到Excel或Word 中进行查阅或做进一步处理，根据各自需求的格式自动生成电子报表，有一日报、三日报和五日报三种，并可通过打印机打印出来。

    4 系统的功能扩展及创新点

    目前该系统只用来监测水位，但其监测终端提供了多路模拟量输入接口，可实现多路信号的同时接入。即在监测水位的同时，对水温、流速等进行测量。系统能够实现数据的远程传输，同时不受环境条件的限制，不但能用于水位的远程监测，还能对水库堤坝、江河水渠、蓄水池等的水位进行远程监测。系统符合监测领域中GPRS技术、嵌入式系统技术相互结合的发展趋势，使用方便，结构简单，操作容易，应用前景广。

    5 结语

    随着信息化进程，水文信息监测系统趋向网络化科技化发展，要求水文信息的获取更加精准及时，水文观测项目和内容也不断增加，对观测手段和方法及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要求。本方案所设计的基于GPRS 的水文信息无线远程监测系统，基于GPRS网络(在现有的GSM网络中增加GGSN和SGSN来实现)，利用短消息方式，进行单片机模块开发的远程数据采集系统。将远距离采集数据与GPRS 无线数据传输技术相结合，改变了以往有线的局限，能够实现水文站的无人值守功能，改变以往人工监测造成的低准确性。系统的结构简单，易于扩展，网络覆盖广，不受地理位置限制，通信费用低，数据实时在线，可广泛用于地质，水文等领域，能应用于交通不便、没有电力的偏远地区，具有较高的应用与推广价值。