??? 摘?? 要： 根據(jù)明渠流速流量測量技術(shù)規(guī)范和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，以旋漿式流速儀為一次測量儀器，設(shè)計(jì)了基于GPRS的明渠流速流量檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用固態(tài)存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在下位機(jī)中的大量存儲(chǔ)。通過采集電路及GPRS終端，利用通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)和Internet網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制，解決了水文水生態(tài)監(jiān)測中分散數(shù)據(jù)傳輸問題，實(shí)現(xiàn)了水文信息實(shí)時(shí)采集傳輸和處理的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。?
??? 關(guān)鍵詞： 流速流量； GPRS； 數(shù)據(jù)采集； 固態(tài)存儲(chǔ)
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??? 明渠水流速度及流量測量是水文、電力、農(nóng)業(yè)灌溉、污水治理、水生生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與研究等領(lǐng)域中一項(xiàng)基礎(chǔ)性測量工作，其獲得的數(shù)據(jù)是我國重要的水利基礎(chǔ)信息資源和戰(zhàn)略資源，這就對(duì)數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確度和時(shí)效性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等方面提出了新的要求。明渠水流速等相關(guān)數(shù)據(jù)的測量往往在野外露天進(jìn)行，環(huán)境條件艱苦，測量工作花費(fèi)的時(shí)間長，人力物力投入較大。因而研究基于無線傳輸、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的流速流量測量系統(tǒng)，解決水文監(jiān)測中分散數(shù)據(jù)傳輸問題，實(shí)時(shí)監(jiān)控并生成符合水文資源勘測要求的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)水文水生態(tài)信息實(shí)時(shí)采集傳輸和處理的無線化、智能化，成為目前水資源監(jiān)控與管理系統(tǒng)急需的技術(shù)。?
??? 通用分組無線業(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)[1]。GPRS 采用與GSM 相同的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及TDMA 幀結(jié)構(gòu)，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，特別適合用于水資源網(wǎng)監(jiān)控這種間斷的、突發(fā)的和頻繁的數(shù)據(jù)傳輸。?
1 流速及流量檢測原理?
??? 根據(jù)國標(biāo)河流流量測驗(yàn)規(guī)范GB 50179-93明渠流速測量技術(shù)規(guī)范，測點(diǎn)流速由(1)式計(jì)算得出：?
??? V=K × A × n/T+C?????????????????????????? (1)?
式中, K為水利螺距；n為每信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)；C為阻力系數(shù)；T為單次測量的實(shí)際延時(shí)；A為實(shí)際測量過程中流速儀發(fā)出的信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)。?
??? 在實(shí)際的河流流量測量中，河道的截面積是不規(guī)則的矩形或梯形，用一個(gè)測點(diǎn)的流速取代整個(gè)河道截面的平均流速直接計(jì)算時(shí)誤差很大。通過部分平均流速與部分面積相乘，可得部分流量[2]?？偭髁靠捎?2)式計(jì)算得出。
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式中,Vi為部分平均流速， fi為部分面積，qi為部分流量，Q為截面總流量。?
??? 在部分平均流速一定的條件下，部分流量的準(zhǔn)確度取決于部分面積的準(zhǔn)確度。為提高部分面積的準(zhǔn)確度，將部分面積作進(jìn)一步劃分，在兩測速垂線點(diǎn)間增加若干條只測量水深的垂線,如圖1所示。在垂線平均流速Vm2與Vm3間加設(shè)測深垂線H3、H4，由定積分原理可知，加設(shè)的測線數(shù)越多，部分面積就越準(zhǔn)確，得到的部分流量就越準(zhǔn)確，從而截面流量的測量也越準(zhǔn)確。?
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2? 基于GPRS的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?
2.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)?
??? 系統(tǒng)主要由信號(hào)檢測器、GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。信號(hào)檢測器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)通信處理程序后，從MCU的RS232接口（RX、TX）發(fā)送到GPRS調(diào)制解調(diào)器，GPRS接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，取出必要的信息后重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，再發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中。由于GPRS網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)都是基于TCP/IP協(xié)議的，而且是相互連接的，所以水文監(jiān)控中心只要能通過任意方式上網(wǎng)，相關(guān)的數(shù)據(jù)信息就可以傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的查詢命令和控制命令也可以通過互聯(lián)網(wǎng)和GPRS網(wǎng)傳到GPRS模塊。信號(hào)檢測器主要由信號(hào)采集、處理、通信等模塊組成[3]，如圖3所示。?
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2.2? 數(shù)據(jù)固態(tài)存儲(chǔ)與傳輸?
??? 對(duì)一個(gè)河道截面進(jìn)行一次流量測量計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括若干個(gè)測量時(shí)間、信號(hào)個(gè)數(shù)、流速值、若干個(gè)垂線深度值、測量間距以及相關(guān)的流速儀參數(shù)等等，通常需要測量多組。因而，存儲(chǔ)一組測量數(shù)據(jù)結(jié)果需要的存儲(chǔ)空間大約幾千字節(jié)，而單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)空間有限，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大容量長時(shí)間保存。因此，系統(tǒng)采用串行方式，以單片機(jī)為主控芯片，配接大容量 Flash ROM芯片為主要數(shù)據(jù)載體，存儲(chǔ)容量4 MB，存儲(chǔ)時(shí)間1～2年，實(shí)現(xiàn)水文數(shù)據(jù)就地固態(tài)存儲(chǔ)。檢測器主控芯片發(fā)出的指令控制實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器件的操作，一個(gè)有效指令包括1個(gè)字節(jié)４位操作碼、４位器件地址以及目的緩沖器或Flash存儲(chǔ)器地址位置。Flash存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用時(shí)間映射地址技術(shù)，存儲(chǔ)時(shí)間就是地址的原始的數(shù)據(jù)地址指針。根據(jù)時(shí)間與地址的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算存儲(chǔ)單元的位置，得到可靠的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。?
??? 信號(hào)檢測器可按固定時(shí)間間隔將現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在固態(tài)芯片中，也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸出去，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，形成下載數(shù)據(jù)庫文件或文本文件。GPRS網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)急時(shí)，或GPRS網(wǎng)絡(luò)不能覆蓋站點(diǎn)時(shí)，本地下載數(shù)據(jù)，通過USB接口,本地獲取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。?
2.3 數(shù)據(jù)通信與GPRS模塊?
??? 數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)MCU與GPRS模塊間的數(shù)據(jù)通信功能，系統(tǒng)檢測過程中獲取的流速流量信號(hào)和相應(yīng)的參數(shù)，通過RS232口(RX和TX端口)傳送到GPRS模塊，再通過該模塊傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的雙向傳輸、控制、認(rèn)證和加/解密[4]。?
??? 在本設(shè)計(jì)中使用的GPRS DTU模塊是Siemens公司的GSM/GPRS 模塊MC55,該模塊具有很高的可靠性, 很適合在便攜移動(dòng)終端中作為無線通信模塊。并且內(nèi)嵌了TCP/IP 協(xié)議棧, 這樣就省去了系統(tǒng)的TCP/IP處理時(shí)間。使用AT命令對(duì)模塊實(shí)現(xiàn)控制。?
??? 通過DTU RS-232的數(shù)據(jù)接口，DTU向數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。DTU的數(shù)據(jù)傳送是透明的，不需要后臺(tái)計(jì)算機(jī)支持，不需要對(duì)數(shù)據(jù)添加任何多余的協(xié)議和對(duì)水報(bào)文做協(xié)議轉(zhuǎn)換。?
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)?
??? 軟件設(shè)計(jì)部分主要分為檢測器部分軟件設(shè)計(jì)、GPRS通信部分軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)控中心部分軟件設(shè)計(jì)。?
??? 檢測器軟件流程圖如圖4所示。主要由信號(hào)處理模塊、計(jì)算模塊、固態(tài)存儲(chǔ)無紙記錄模塊、通信模塊、瀏覽模塊等組成，通過主程序的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)各模塊功能。?
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??? 為了降低功耗，微處理器平時(shí)要用軟件控制在休眠工作模式以降低功耗。有事件發(fā)生時(shí)，一組測量結(jié)束，執(zhí)行一次固態(tài)存儲(chǔ)操作，或外部命令到來時(shí)，由軟件識(shí)別并進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行流程，如本地下載、GPRS遠(yuǎn)程下載等操作流程。CPU嚴(yán)格按照時(shí)間順序排列鎖存數(shù)據(jù)，以月日時(shí)分為索引進(jìn)行固態(tài)存儲(chǔ)。GPRS遠(yuǎn)程下載時(shí)也是根據(jù)客戶服務(wù)器發(fā)來的時(shí)間段，利用時(shí)間映射地址的技術(shù)，生成下載指令，在遙測站與分中心溝通GPRS鏈路時(shí)下發(fā)指令，完成批量數(shù)據(jù)下載任務(wù)。GPRS通信模塊與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸需要確定數(shù)據(jù)傳輸幀的格式，分為命令幀和響應(yīng)幀2類。?
??? 通過AT指令初始化GPRS模塊，使設(shè)備連接到GPRS網(wǎng)，并獲得IP地址，設(shè)置UDP端口號(hào)，與監(jiān)控服務(wù)器建立連接。對(duì)接收到的命令進(jìn)行分析、判斷是本地命令還是GPRS命令。如果是本地命令，則直接進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和串口通信；如果是GPRS命令，則MCU通過RS232串口向GPRS模塊內(nèi)的TCP/IP協(xié)議站發(fā)送數(shù)據(jù)，或接收遠(yuǎn)程指令。GPRS模塊接收到來自GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)后通過RS232接口以中斷方式告知MCU處理接收數(shù)據(jù)[5]。通信軟件流程圖如圖5所示。
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4 監(jiān)控中心?
??? 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收并保存現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，并下達(dá)對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行控制的控制參數(shù)和控制命令。由于控制中心接入Internet，因此需要取得公網(wǎng)IP地址并作為UDP服務(wù)器運(yùn)行在監(jiān)聽狀態(tài)。接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，可自動(dòng)生成符合水文部門要求的“測深測速記載及流量報(bào)表”等資料庫，通過配備具有人工智能的系統(tǒng)分析軟件，結(jié)合記錄的流速流量相關(guān)數(shù)據(jù)和其他水文情況數(shù)據(jù)及專家知識(shí)庫，對(duì)汛情、農(nóng)業(yè)灌溉用水、水生生態(tài)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)河流流量變化的歷史記錄，分析汛情情況，及時(shí)采取措施進(jìn)行疏導(dǎo)和調(diào)度；根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉用水的歷史記錄，合理調(diào)度灌溉用水等。?
??? 基于GPRS的流速流量檢測系統(tǒng)，成本低、功耗低、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的固態(tài)存儲(chǔ)。在有線傳輸實(shí)現(xiàn)方案不宜實(shí)施的情況下，采用GPRS通信加快項(xiàng)目的實(shí)施步伐，為提高水文數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)水文水生態(tài)信息實(shí)時(shí)采集傳輸和處理的無線化、智能化提供了很好的解決方案。?
參考文獻(xiàn)?
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