基于GPRS实现供水管网远程自动监测系统
扫描二维码
随时随地手机看文章
在许多城市里，供水管网和水质监测站分布在城区的各个地点，过去主要采取人工抄表、电话报数、现场检测、手动操作调试的原始调度方法。位于控制中心管理若干个地理位置比较集中的站点的管理人员很难及时了解现场的运行状况，因此每个监测站点必须配备值站员对站内运行情况就地监测、记录、调节，并定期向其所属的控制中心报告当前的运行数据。由于供水管网地理位置分散，如要对这些指标逐一实时检测，无疑会耗费大量的人力物力，给整个供水系统运行管理增加了相当大的难度。并且利用人工现场采集的方法收集信息数量少、处理慢、传递迟，调度处于低级阶段，以保证不缺水和维持正常运行为主，谈不上优化调度。遇上爆漏及其他事故，不能及时地诊断报警，影响供水管网系统的可靠运行。
本系统就是在传统供水管网监测系统的基础上，结合GPRS技术而发展起来的新型监测系统。系统采用“控制中心—监测站”的构建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站上传的监测信息，发送各种操作命令以控制监测站的动作。监测站被分散放置于远离控制中心的各监测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命令。监测站与控制中心之间可以通过多种方式进行通信，如短信、网络和E-mail等方式。由于有的监测站无人值守，考虑到系统的低功耗设计要求，的设计实现可根据不同的应用目的和应用环境，采用特定的技术形式，利用MSP430F系列单片机与GPRS 模块构成各监测子站。
2．监测终端硬件设计
监测终端通过现场传感器将压力、流量等物理量变换成模拟信号，经过电路转换成数字信号送入单片机。单片机对采集到的数据进行数字滤波后存储起来，然后利用 AT指令控制 GPRS模块，发送到控制中心。采集的时间间隔和发送间隔均由时钟芯片控制，完成定时采集和发送任务。
根据监测终端的功能和工作环境，选择 TI公司近几年推出的 16位系列单片机 MSP430作为 CPU。 MSP430工作在 1.8～3.6V电压下，有正常工作模式（ AM）和 4种低功耗工作模式，可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。 MSP430内部具有多通道 12bit的 A/D转换、片内精密比较器、多个具有 PWM功能的定时器、看门狗定时器及大量的 I/O端口等优点。GPRS模块选择的深圳倚天科技开发有限公司的ETPro++ 模块来实现。该模块ETPro++内部包含嵌入式 TCP/IP单片机系统部分和 GPRS模块。他们之间是串口连接（Serial2）用户上位机与ETPro++ 也是串口连接（Serial 1）这两个串口连接可以进行独立配置和操作的(例如波特率和流控制方式) 。终端的硬件电路框图如图 1示。
3．系统节能设计
本系统采用的 MSP430单片机本身就是一款超低功耗的机型，非常适合电池供电的场合。在 1MHz时钟下工作电流只有 0.1~400uA，对于容量为 1600mAh镍氢电池即使在最大电流消耗下也可以用 170天左右。为实现进一步减少能量消耗,系统中对模块的供电采取节能控制方式,即在设定的发送时间到时程序才通过光电耦合器和中功率线性开关向模块供电，其它时间切断模块电源.电路如 2所示。
模块每次通信时间大约为两分钟,模块的功率为 700mW，如果无异常情况，每天进行一次通信，这样每天模块的功耗约为 0.14mAh，即整体系统每天的功耗在 9.8mAh左右，对于容量为 1600mAh的电池大约可以用 160天左右。 4系统软件设计
4.1 监测终端程序设计 MSP430F149单片机编译环境为 IAR Embedded Workbench For MSP430 v3软件版本，并在该软件的基础上调试整个系统程序。图 3所示监测终端主程序流程图。它主要实现了对系统周围各个器件的初始化，为了能让系统节省更多的电量，开始就要将 GSM模块的电源关闭，需要发送短信时才将其电源打开。为了便于系统的初期阶段调试，在硬件上还设置了一个手动发短信按键。这样需要在判断完时间是否到时后，再进行按键的判断。主程序就是完成按键的判断、端口的扫描以及定时进入低功耗状态。这样无论是从硬件上还是软件上都做到了节省电量的方法。使得系统具有功耗低、操作方便、实用性强等综合特点。
4.2 GPRS模块程序设计
GPRS模块主要将现场采集的数据定时发送给控制中心。GPRS模块的通信过程中主要使用了如下 AT命令：AT+CMGF（选择SMS模式）、AT+CMGS（SMS发送）、AT+CSQ（检测信号质量及 SIM卡安装状态）。命令在程序中被定义成字符数组，并在使用时通过串口发送,下面以短信发送为例说明应用。
4.3监控中心软件设计及安全性
监控中心系统软件设计，即上位机系统软件设计，是城市供水管网监测系统的一个重要组成部分，是实现系统远程监控的有效手段。监控中心系统软件设计的目标不仅是提供用户友好的人机交互界面，而且还要实现对监测点历史数据的存储；对监测点信息包括其设置参数的管理；对监测点历史数据进行有效的管理，如数据分析、打印报表等；对监测点进行实时状态查询等功能。根据系统功能设计的目标，可以拟定系统的功能模块框图结构如图 4所示。
本系统使用 Microsoft Access应用软件来设计数据库的结构，并利用 Access的“导出”功能将设计好的数据表导出，生成所需要格式的数据表。在系统中设计了监控站基本参数表、三个数据表来存储有关的信息、监控站设置参数表和历史数据记录表。考虑到系统功能开发的需要，在数据表结构设计时预留了一些字段以方便系统扩展。同时考虑软件设计的方便，监控点的信息利用数据表来存储，且按参数性质分别用两个主从表来存放，以方便对监控站参数的管理；各监控点的历史数据用同一个数据表来存放，以方便对历史数据的管理、分析和处理。自来水供水管网监测站数据画面如图 5所示。
在安全性方面，本系统对于数据传输的安全性和稳定性方面有比较高的要求，数据的传输必须做到能够防止来自外部的破坏，网络安全方面的措施包括信道加密、访问权限、防火墙等。稳定性方面要达到长时间无故障运行，系统不能中断。
数据中心通过公网使用 VPN接入到移动 GPRS网，采用 VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利用使用原有的 VPN设备，移动终端需要安装具有 VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过 VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过 Radius服务器的认证，整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。
5．结论
目前系统己投入使用，能够满足当地管网监测的需求。终端采用低功耗单片机并对耗能最大的GPRS模块采取限能措施，提高了电池的寿命，增加了系统可靠运行的时间。同时本系统可以将现场参数的监测量，通过短信息、网络及E-mail等多种方式进行传送，可实现点对点，点对多点等灵活的组网方式。
创新点：提出了利用 GPRS网络线和单片机构成监测终端，并提供了监测终端的低功耗硬件电路及软件设计方法。
下载文档
