基于GSM通信的山區(qū)洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

高 琴，王佳豪，張曉康

（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系，北京 101601）

基于GSM通信的山區(qū)洪水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

高 琴，王佳豪，張曉康

（防災(zāi)科技學(xué)院防災(zāi)儀器系，北京 101601）

基于GSM通信的山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是由壓電傳感器M18檢測水位信號后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后把電信號送給STM32單片機(jī)進(jìn)行計算處理，該系統(tǒng)由嵌入式μC/OS創(chuàng)建人機(jī)交互界面，采用液晶觸摸顯示屏實時顯示水位數(shù)據(jù)和進(jìn)行預(yù)警操作，系統(tǒng)實時監(jiān)測水位情況，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的危險閾值時，會將災(zāi)害信號以短信的方式發(fā)送給監(jiān)測人員，從而達(dá)到預(yù)警的目的。

液位傳感器；GSM通信；嵌入式μC/OS

基于GSM通信的山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可以在災(zāi)害突發(fā)前，為決策人員提供準(zhǔn)確的災(zāi)害信息來源，從而達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。我們設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，搭建監(jiān)測系統(tǒng)硬件平臺，并基于此平臺，實現(xiàn)對山洪的監(jiān)測與預(yù)警，完成了主控模塊、傳感器模塊和通信模塊的硬件選型及電路設(shè)計?；诖擞布O(shè)計，通過嵌入式系統(tǒng)μC/OS來實現(xiàn)軟件部分的設(shè)計，完成對信號的采集、處理和傳輸。

本設(shè)計與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場讀取洪水水位數(shù)據(jù)相比，該預(yù)警方式具有高效、準(zhǔn)確、快速、直觀、實時等特點，提高了人們對自然災(zāi)害的應(yīng)變能力，降低了檢測人員的戶外工作風(fēng)險。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計思想

山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)使用壓電傳感器來測量水位的高度并通過轉(zhuǎn)換電路將水位的高度轉(zhuǎn)換成電信號，采集的電信號經(jīng)過A/D模塊電路轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字信號的形式傳送給STM32單片機(jī)，利用嵌入式系統(tǒng)μC/OS搭建人機(jī)交互界面，實時更新采集水位信號并處理后以折線圖形式顯示，并具有設(shè)置報警水位閾值和監(jiān)測人員聯(lián)系方式、聯(lián)系內(nèi)容的功能，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的危險閾值時，立即通過GSM模塊手機(jī)短信通信將危險信號傳達(dá)給監(jiān)測人員，從而達(dá)到預(yù)警的效果。通過對嵌入式系統(tǒng)μC/OS集成SIM卡驅(qū)動的設(shè)計，不僅在設(shè)計上降低了難度，而且還便于監(jiān)測人員監(jiān)測和控制。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)

整個監(jiān)測系統(tǒng)分為三個部分，信號采集部分、人機(jī)交互部分和通信部分，如圖1所示。信號采集部分主要是通過M18液位壓電式傳感器采集水位信號，用A/D轉(zhuǎn)換電路將采集的模擬水位信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給單片機(jī)。人機(jī)交互部分利用嵌入式系統(tǒng)μC/OS搭建，在觸屏LCD液晶顯示屏上操作，可以設(shè)置水位預(yù)警閾值和通信功能。通信部分主要利用GSM通信模塊，先用串口通信模塊連接STM32單片機(jī)與GSM通信模塊，然后通過GSM模塊模擬手機(jī)短信功能來發(fā)送預(yù)警信號。

三個部分協(xié)調(diào)工作，監(jiān)測系統(tǒng)提高了對水位信號的實時監(jiān)測能力，加強(qiáng)了監(jiān)測人員對山洪來臨的預(yù)報、防災(zāi)能力。

1.3 軟件系統(tǒng)

山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，采用μC/OSIII為內(nèi)核，在此基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了山洪監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用程序，傳感器采集的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后通過單片機(jī)的GPIO口傳送至單片機(jī)，設(shè)計好液壓傳感器驅(qū)動程序，并將數(shù)據(jù)計算處理后傳送給應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?qū)⑺粩?shù)據(jù)實時顯示出來并對其進(jìn)行判斷。應(yīng)用程序還具有設(shè)置危險水位閾值和監(jiān)測人員聯(lián)系方式、聯(lián)系內(nèi)容的功能，當(dāng)水位達(dá)到危險值時，GSM通信模塊便給監(jiān)測人員發(fā)送危險信號的短消息，如圖2所示。SIM卡硬件部分與單片機(jī)串行口相連，在μC/OS內(nèi)核中，設(shè)計SIM卡驅(qū)動程序，就完成了單片機(jī)與GSM模塊的通信[1]。

圖1 山洪預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

1.4 信號采集系統(tǒng)

山洪監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的水位信號采集部分由M18壓電式水位傳感器完成，它是基于所測液體與該液體的高度成比例的原理，采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號（一般為4～20mA/1～5VDC），我們所用的是電容式液位傳感器，利用了非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化。電容式傳感器有這幾個特點：機(jī)構(gòu)簡單，體積小，分辨力高、可實現(xiàn)非接觸式測量、動態(tài)效應(yīng)好、溫度穩(wěn)定性好、能在高溫，輻射和強(qiáng)振動等惡劣條件下工作、電容量小，功率小，輸出阻抗高，因此，負(fù)載能力差，易受外界干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。在使用前，對傳感器進(jìn)行調(diào)試和校對，找到液位高度與電量對應(yīng)的關(guān)系，采集的電量經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后則成為最后已成型的信號傳送給單片機(jī)。

1.5 GSM通信系統(tǒng)

在通信方面，我們采用野火的WF-SIM900A高品質(zhì)串口GSM/GPRS模塊，它采用SIMCOM公司的SIM900A模塊方案。WF-SIM900A可通過串口傳輸標(biāo)準(zhǔn)的AT命令對模塊進(jìn)行控制，可以提供簡單方便的GSM語音、短信及GPRS的數(shù)據(jù)通訊功能。該模塊預(yù)留有TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的串口，支持與使用3.3/5V電平標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)通訊，支持傳輸速率為1 200bps至115 200bps，默認(rèn)為115 200bps，STM32單片機(jī)與SIM模塊進(jìn)行串口通信來傳輸數(shù)據(jù)。在應(yīng)用之前，我們用野火開發(fā)板和GSM調(diào)試助手進(jìn)行硬件測試，掌握GSM模塊的通信方法后，再進(jìn)行軟件的開發(fā)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都以字符串的形式由單片機(jī)UART（通用異步收發(fā)器）與GSM模塊連接來完成，如圖3所示[2]。

圖3 GSM通信模塊結(jié)構(gòu)圖

1.6 μC/OS應(yīng)用軟件系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是面向特定系統(tǒng)應(yīng)用的，它的硬件和軟件都具備高度可定制性，由于對實時操作系統(tǒng)的支持，嵌入式系統(tǒng)將軟件固化于存儲芯片中，具有相當(dāng)長的生命周期，而且方便開發(fā)更好的人機(jī)交互界面?；讦藽/OS開發(fā)了監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，開發(fā)了界面如圖4所示，深入研究了μC/GUI設(shè)計，掌握了控件的開發(fā)和設(shè)計。

圖4 人機(jī)交互主界面

本應(yīng)用設(shè)計可以分為四部分：（1）μC/OS創(chuàng)建任務(wù)管理系統(tǒng)；（2）觸摸屏讀取信息交由μC/GUI處理；（3）μC/GUI編寫圖形管理界面；（4）UART連接外部GSM與STM32處理器。圖形管理界面程序設(shè)計流程圖見圖5，初始化的部分主要是μC/OS的啟動，ADC模塊的數(shù)據(jù)采集和GSM通信模塊的初始化。啟動后顯示屏將顯示主界面，先設(shè)計好界面布局，再添加各種控件，Message按鈕控件可以設(shè)置監(jiān)測人員的聯(lián)系方式和聯(lián)系內(nèi)容，ADC按鈕控件用于設(shè)置危險水位預(yù)警閾值。位于主界面下方的圖形控件則實時顯示水位情況，應(yīng)用流程見圖5。

圖5 應(yīng)用軟件流程圖

我們采用嵌入式μC/OS，它不僅可以設(shè)計美觀的人機(jī)交互圖形界面，還在功能上有很大的提升，利用觸屏液晶顯示屏，使功能強(qiáng)大而操作變得簡單，而且采用嵌入式系統(tǒng)，提高了軟件的開發(fā)空間，增強(qiáng)了界面的可擴(kuò)展性，對以后的軟件升級與優(yōu)化有著重大的意義。

2 結(jié)束語

基于STM32單片機(jī)，采用嵌入式μC/OS為操作系統(tǒng)，設(shè)計了山洪監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用軟件。系統(tǒng)擁有實時監(jiān)測水位變化和GSM無線通信功能，測試實驗表明，該監(jiān)測系統(tǒng)能實時對水位進(jìn)行監(jiān)測，水位的變化會在顯示屏上同步顯示，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的危險閾值時，會立即給監(jiān)測人員發(fā)出危險信息，達(dá)到了預(yù)期的目的。它不僅能讓我們學(xué)習(xí)研究單片機(jī)的控制應(yīng)用，還在GSM無線通信方面提供了一種實驗研究平臺。

[1]王芳.基于GSM短消息無線通信系統(tǒng)的研究[J].河海大學(xué)，2006，（5）：89-91.

[2]朱文彬.嵌入式短信管理系統(tǒng)和人體界面設(shè)計[J].南京理工大學(xué).2008，（11）：48-50.

Mountain Flood Monitoring and Warning System Based on GSM Communication Design

Gao Qin，Wang Jia-hao，Zhang Xiao-kang

Flash Flood Warning System GSM communication is made after the piezoelectric sensor M18 detection level signal after A/D conversion of the electrical signal to the STM32 microcontroller for calculation processing，the system creates human-computer interaction by the embedded μC/OS interface with LCD touch screen display real-time water level data and early warning，the system real-time monitoring of water level，when the water level reaches a critical threshold is set，the disaster will be a signal to text message sent to the monitoring personnel，so as to achieve the purpose of warning.

liquid level sensor；GSM communication；embedded μC/OS

P208

A

1003–6490（2016）04–0058–02

2016–04–01

高琴（1982—），女，湖北天門人，副教授，主要從事檢測技術(shù)與自動化裝置的應(yīng)用研究工作。