面向城市涵洞水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李志剛

【摘 要】本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)涵洞水位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警、存儲(chǔ)、上報(bào)，通過(guò) GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠解決城市涵洞水位無(wú)法測(cè)量的難題。

【關(guān)鍵詞】涵洞水位監(jiān)測(cè)；GPRS；嵌入式系統(tǒng)

1.系統(tǒng)概述

最近幾年，夏季暴雨頻繁，北京、成都、廣州等地都發(fā)生過(guò)城市涵洞人、車溺水事故，主要原因在于不知涵洞水位?；诔鞘泻此槐O(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示涵洞水位，當(dāng)水位超過(guò)警戒線時(shí)，自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒過(guò)往行人。本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能夠補(bǔ)充城市涵洞排水不夠完善的缺點(diǎn)，切實(shí)消除安全隱患，保證人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的城市涵洞水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GPRS通信方式，并采取自報(bào)/應(yīng)答混合的工作方式，主要由以下三部分組成：監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能是檢測(cè)涵洞水位信息，并通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)互通。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的主要功能是處理涵洞數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、接收等水位信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析及查詢等。城市涵洞水位監(jiān)測(cè)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)控制子系統(tǒng)硬件核心為L(zhǎng)PC2368的處理器，可以將傳感器調(diào)理電路感知到的水位信號(hào)進(jìn)行處理?？刂破鞯腁D接口通過(guò) I/V 轉(zhuǎn)換電路連接水位傳感器?？刂破鞯?UART0 接口通過(guò) RS232 串口通信電平接口轉(zhuǎn)換電路連接 GPRS 模塊，用以傳輸水位數(shù)據(jù)。控制器的 SPI 接口連接存儲(chǔ)模塊，用以存儲(chǔ)水位數(shù)據(jù)。水位傳感器采用 WL400 投入式壓力傳感器。量程為 10m，精度為±1%，分辨率為 1mm，工作電壓為 12V。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)將傳感器采集上來(lái)的水位信號(hào)轉(zhuǎn)換為水位數(shù)據(jù)信息，通過(guò)給GPRS模塊發(fā)送AT指令，使其按照一定格式發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。水位傳感器采集的水位信息，輸出為 4-20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，通過(guò) I/V 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)后，傳輸給控制器。控制器通過(guò)對(duì)水位信號(hào)的處理后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，當(dāng)水位超過(guò)警戒線后啟動(dòng)報(bào)警模塊，并通過(guò)通信模塊GPRS將數(shù)字信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.2 GPRS通信子系統(tǒng)

本系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用于城市涵洞，既要保證將釆集到的水位信息及時(shí)有效的發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)又要求在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警信息，綜合各方面考慮，釆用GPRS與SMS混合通信的方式，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與報(bào)警反饋的功能。

設(shè)備的串口根據(jù)接收數(shù)據(jù)中的通道選擇命令來(lái)決定數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS或SMS方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)，方式轉(zhuǎn)換采用虛擬串口即軟件復(fù)用串口方式，通過(guò)AT指令選擇工作在哪個(gè)通道。通信模塊釆用SIMCOM公司的雙頻GSM/GPRS SIM900A，對(duì)通信模塊的控制由MCU發(fā)出的AT指令進(jìn)行控制，沒(méi)有引出語(yǔ)音接口，外部功能模塊主要是電源接口、SIM卡接口以及MCU相關(guān)的接口等。GPRS模塊與控制器通過(guò)串口進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，如圖3所示：

3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要將無(wú)線基站發(fā)出的水位信息入庫(kù)，在此基礎(chǔ)上管理和分析水位數(shù)據(jù)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要基于J2EE平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)的管理模式，采用分層的MVC的架構(gòu)設(shè)計(jì)模式，包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表輸出、統(tǒng)計(jì)分析、超標(biāo)報(bào)警、系統(tǒng)時(shí)鐘、參數(shù)設(shè)置等功能。

4.軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中選用的μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要優(yōu)點(diǎn)有：本操作系統(tǒng)采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，而且其中絕大部分是C語(yǔ)言，易于上手，修改方便。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖4所示：

5.小結(jié)

本論文研究開(kāi)發(fā)了一種面向城市涵洞水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式處理器為基礎(chǔ)，通過(guò)GPRS無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)城市涵洞水位信息進(jìn)行采集、傳輸、報(bào)警等處理，實(shí)現(xiàn)了水位監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]呼娜.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2012.

[2]張小強(qiáng)，楊放春.一種基于GPRS技術(shù)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國(guó)數(shù)據(jù)通信，2004，1：18-21.

[3]李忠遠(yuǎn).智能水位監(jiān)測(cè)儀的研究[D].南京理工大學(xué)，2008.

[4]劉波文，孫巖.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II經(jīng)典實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.