摘要：远程数据传输是水文自动测报及三防指挥的关键。在水文自动测报中采用GPRS技术，能及时、完整、准确地获取本区域内各水文测点的数据，而且费用较低。本文介的河流水位遥测系统，利用了GPRS技术实现了河流水位信息的远程监测。
关键词：水位；监测；GPRS
1、系统整体架构
河流水位遥测系统主要由现场监测终端、通信网络和远程监控端3部分组成。现场监测终端由控制模块，数据采集模块，信号处理模块和电源管理模块组成。远程监控中心由一台具有公网IP地址的云服务器主机和上位机软件组成。通信网络包括GPRS通信模块SIM900A、GPRS网络。SIM900A内置TCP/IP协议，GPRS模块插上SIM卡经过AT指令配置后可以接入GPRS网络，将数据发送到远程监控端。系统工作过程为：首先数据采集模块进行河流水位数据的采集，经信号处理模块处理后送到单片机，单片机处理后经串口送到GPRS模块发送，再经GPRS通信网络将数据送到监控端。河流水位遥测系统如图1所示。
2、系统硬件设计
系统硬件由河流水位信息采集模块、水位信息显示模块、控制单元和数据发送模块3部分组成。水情信息采集模块主要由水位传感器和I—V转换电路组成，显示模块由字符型液晶显示模块LCD1602组成，控制单元由STC12C5A60S2单片机组成。数据发送模块主要由SIM900A模块组成。系统硬件组成如图2所示。
水位传感器选用LC-SW1型水位传感器，LC-SW1型水位传感器是投入式液位变送器，由壳体、放大器、接线端子、防护帽、中空导线等组成。宽电压抗冲击设计，体积小、重量轻、抗震动。输出有两线制和三线制，设计中采用两线制接法，输出4～20mA电流信号，正极接24V，负极接输入-24V。考虑到STC12C5A60S2单片机的I/O引脚要求输入电压信号，设计了I-V转换电路，与STC12C5A60S2单片机的连接如图2所示。
LCD1602的4引脚RS接STC12C5A60S2的P2.0I/O口，5引脚R/W接P3.5口，使能端6引脚E接P3.6口，数据总线DB0～DB7接P0I/O口。
STC12C5A60S2单片机是一款功能非常强大的单片机，有两个串行通信接口，串口1的功能及操作与传统51单片机串行口相同；串口1可以使用定时器1作为波特率发生器，而串口2只能使用独立波特率发生器作为波特率发生器，控制水位传感器和数据发送模块SIM900A的工作。在该系统中，使用串口2与SIM900A相连接，P1.2和P1.3作为串口2，负责发送控制SIM900A指令，串口1主要是用来调试，将相关的调试信息从串口1输出。
数据发送模块SIM900A是SIMCom公司提出的一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议，主要是为了实现SMS与TCP功能，语音接口没有引出，外部功能模块主要分为串口、电源、SIM卡、以及单片机相应接口。
硬件系统通过SIM900A模块接入Internet和监控端相连接，单片机STC12C5A60S2和SIM900A通过串口连接，利用AT指令收发数据，实现串口通信。由于计算机串口输出的是RS232电平，而单片机和SIM900A模块都是TTL电平，不能直接进行通信，需要进行电平转换才能进行通信。本系统选择美信（MAXIM）公司专为RS232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232来进行电平转换。
3、系统软件设计
系统软件设计主要包括：现场监测端软件设计和远程监控端软件设计。现场监测端软件设计包括主控制器程序的设计、水位信息采集处理程序设计和监测端网络通信程序的设计。软件工作过程为：首先完成主控制器STC12C5A60S2串口的初始化和GPRS模块的初始化，初始化完成后开始水位信息的采集和处理，GPRS模块SIM900A发起TCP连接，连接成功，主控制器将水位信息数据打包通过GPRS网络发送到远程监控端。现场监测端工作流程如图3所示。远程监控端软件设计包括远程监控端网络通信程序设计。
3.1 主控制器STC12C5A60S2程序设计
主控制器STC12C5A60S2程序设计流程为系统初始化（主要包括定时器初始化、串口初始化、端口初始化等）、串口接收发送数据、按键键值的读取、与SIM900A的通信等。STC12C5A60S2内部有两个串口，第一个串口与通用51单片机相同，在P3.0和P3.1口；第二个串口是可以配置的，默认在P1.2和P1.3端口。对于串口1初始化，配置串口模式为8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验位，使用定时器T1参数波特率，波特率为9600 b/s。配置完成，开定时器T1中断，启动定时器T1，串口接收中断。串口2的初始化和串口1的类似，只是串口2使用的是STC12C5A60S2内部的波特率发生器BRT，串口2的配置模式为8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验位，波特率为9600b/s。
配置好串口之后，只需要往SBUF写入字符就可以通过串口发送出去，在串口发送的时候需要检测串口发送的忙碌位，在不忙时即可串口发送，同时在发送的时候暂时关闭串口接收中断，使发送和接收互不影响（接收的数据不会丢失，缓存在寄存器中，只是暂时没有接收中断，一旦发送完成，开始接收中断，就会处理接收），保证了系统的可靠稳定性。下面代码是发送一个字符的函数，目的是为了方便调试：
void Uart0_PutChar（char ch）
{
ES = 0；
SBUF = ch；
while（！TI）；
TI = 0；
ES = 1；
}
void Uart0_PutString（char * pString，unsigned int len）
{
unsigned short i = 0；
for（i = 0；i < len；i++）{
Uart0_PutChar（pString[i]）；
}
}
串口的接收是以中断的方式接收的，接收的格式是8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验位，波特率为9600b/s。当使能串口接收中断（ES = 1），串口有数据时，STC12C5A60S2会跳转到串口接收中断函数中，数据缓存在SBUF里。当串口接收中断时，RI为1，将数据读入到Temp，这样就可以完成串口的接收。
3.2 监测端网络通信
监测端网络通信程序流程为通信模块SIM900A的初始化、PDP的上下文激活、GPRS数据的读取/发送、GPRS网络状态的检测。SIM900A的初始化完成GPRS网络连接方式、传输方式、附着和分离GPRS业务、启动任务并设置接入点、启动连接和获取本地IP的设置。连接方式设为单点连接，传输方式设为透明传输方式，附着GPRS业务，设置参数为“AT+CGATT=1”，GPRS接入点APN（Access Point Name）设置为"AT+CSTT=＼"CMNET＼""，CMNET（China Mobile Net）是GPRS接入点名称，CMNET提供了NAT服务，使用该服务的手机可以直接访问Internet，CMNET可用于PC，笔记本电脑，PDA等设备实现GPRS上网[5]。考虑到系统设计需要，GPRS接入点名称设置为CMNET；通过AT 指令"AT+CIICR"激活移动场景，发起GPRS连接，GPRS连接成功后，向串口发送指令"AT+CIFSR"，获取本地IP地址。SIM900A的初始化完成后，建立TCP连接，发送数据。首先进行初始化，设置连接模式、端口号和IP地址，通过指令"AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"wap.baidu.com＼"，＼"80＼""完成。再利用AT指令进行数据的发送，使采集到的水位信息数据发送到GPRS网络。在完成GPRS 数据传输过程中，相应AT 命令必须设置，但相邻AT命令间要有一定延时，经验证约为2 s。SIM900A模块建立TCP连接、打包发送水位信息数据程序如下：
void GPRS_TCP_LINK（）
{
UART_SEND_STR（AT_CIPSTART，strlen（AT_CIPSTART））；
UART_SEND_STR（AT_END，2）；
m_long_delay（160）；
}
void GPRS_TCP_SEND_INIT（）
{
UART_SEND_STR（AT_CIPSEND，strlen（AT_CIPSEND））；
UART_SEND_STR（AT_END，2）；
m_long_delay（160）；
}
void GPRS_TCP_SEND_DATA（char * msg，unsigned int len）
{
UART_SEND_STR（msg，len）；
UART_SEND_CHAR（0x1A）；
UART_SEND_CHAR（0x0D）；
m_long_delay（100）；
}
3.3 监控端网络通信设计
监控端网络通信设计实现TCP服务器的建立和监控端TCP连接的建立。SIM900A分配到GPRS网络的IP是动态的，重新连接网络后IP变化，再次通过设备建立IP连接变得困难。同时设备只要能连接Internet，就能访问具有公网IP的主机。为了实现数据的稳定可靠传输，有必要设置服务器，本系统采用云服务器。服务器网络通信采用Microsoft Visual basic 6.0 进行编写。利用TCP连接方式，Socket建立一个TCP服务器端口供GPRS模块连接。在 TCP 连接建立后，监控端会将其用户名和密码信息发到服务器，若用户名和密码正确，则显示用户上线，否则服务器断开连接。服务器还具有识别命令的功能，它能识别监控端发上来的命令，然后执行相应请求。
监控端设在能与Internet 连接的计算机上。监控端通过向服务器发送命令来获取信息，或者传送数据到水位数据监测端。监控端和云服务器连接，实现数据的收发，就是监控端建立TCP连接。监控端TCP连接建立后，就可以开始接收水位监测终端发送来水位信息，并对水位信息处理。
4、系统测试
以XX河作为河流水位监测目标，STC12C5A60S2作为水位监测端控制中心，SIM900A作为水位信息无线发送模块，LC-SW1型水位传感器测量水位。利用云服务器和一台连接Internet网络的计算机作为监控端。经过测试，系统运行稳定，水位数据传输正常，满足实时监测要求。测试中选择该河流某段的5个不同位置进行测试，现场的实际测试值与监控端的测试值比较，相对误差在5%以内。远程监测端的测试结果和监控端的值进行比较如表1所示。
5、结束语
将数据采集与GPRS技术相结合，改变了以往有线传输的局限，能够实现监测端的无人值守功能。系统结构简单，水位采集监测端仅需要水位传感器、单片机、电源模块和GPRS无线模块，易于扩展，可以增加或删减水位监测设备。GPRS网络覆盖广，基本不受地理位置限制，可以应用于交通不便、没有电力的偏远地区；通信费用低廉，可降低数据传输成本；网络稳定，可保证数据实时在线。这为改善河流水位信息采集工作的效率，实现河流水位监测站的无人值守，为积累丰富、详实的水文资料提供了有力保障，有较高的应用与推广价值。
参考文献：
[1]胡胜利，万晋军.基于GPRS的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011，42（1）：89-91.
[2]陈东升.基于GPRS的下水道气体远程监测系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（12）：3932-3934.
[3]IONEL R，PITULICE L，VASIU G，et al. Implementation of a GPRS based remote water quality analysis instrumentation [J]. Measurement，2015，65（4）：81-93.
[4]李凌.Winsock2网络编程实用教程[M].北京：清华大学出版社，2003：120-156.
论文作者:刘风雷
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/16
标签：串口论文; 水位论文; 模块论文; 数据论文; 单片机论文; 初始化论文; 系统论文; 《基层建设》2017年第16期论文;