基于GPRS技術(shù)的礦用水文遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐樂(lè)年+張森+王鑫

摘 要： 針對(duì)煤礦井下地理環(huán)境復(fù)雜和水害事故多發(fā)等因素，將現(xiàn)代GPRS無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于煤礦水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種新型的智能遙測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)高精度水溫、水壓傳感器采集井下的水位、水溫信息，結(jié)合低功耗芯片P89LPC936對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，并通過(guò)GPRS無(wú)線通信的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示水位、水溫等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水文信息的無(wú)線監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)具有良好的精確性和穩(wěn)定性，能夠有效地對(duì)礦井水文信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞： 水文監(jiān)測(cè)； GPRS； 傳感器； 智能遙測(cè)儀

中圖分類號(hào)： TN975?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0166?04

Design of mine hydrological telemetry system based on GPRS technology

XU Lenian， ZHANG Sen， WANG Xin

（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266510， China）

Abstract： Aiming at the factors of the complex geographical environment and multiple water disasters of the underground coal mine， a modern GPRS wireless communication technology is applied to the coal mine hydrology monitoring system. A new intelligent telemetry system was designed. The underground water level and temperature information are collected by means of the high?precision water temperature and water pressure sensors， processed with the low?power consumption chip P89LPC936 further， and transmitted to the upper computer by mean of the mode of GPRS wireless communication. The upper computer can display the water level， water temperature and other information in real time to realize the wireless monitoring of the mine hydrology information. The experimental results show that the system has high accuracy and stability， and can effectively monitor the mine hydrology information in real time.

Keywords： hydrology monitoring； GPRS； sensor； intelligent telemeter

0 引 言

在煤炭生產(chǎn)的過(guò)程中，煤礦安全一直是一項(xiàng)不容忽視的課題。礦井地下水可造成水滲透、管涌等嚴(yán)重水害，而煤礦水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)礦井水害發(fā)生的重要手段[1]。在實(shí)際的礦用水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，如何克服煤礦井下的地理地勢(shì)環(huán)境復(fù)雜等因素，實(shí)時(shí)地對(duì)煤礦井下水文信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)很多煤礦都建立了礦井地下水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。但是，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸方式相對(duì)落后，監(jiān)測(cè)精度無(wú)法滿足要求，并且井下地形、地勢(shì)等條件相對(duì)復(fù)雜，這給井下布線和監(jiān)測(cè)人員對(duì)儀器進(jìn)行維護(hù)帶來(lái)極大的困難。本文設(shè)計(jì)了一種高精度無(wú)線傳輸?shù)倪b測(cè)系統(tǒng)，傳感器測(cè)量水文信息并通過(guò)RS 485總線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，信息經(jīng)過(guò)處理以后通過(guò)GPRS模塊MC55無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，計(jì)算機(jī)將信息進(jìn)一步處理并進(jìn)行存儲(chǔ)。本系統(tǒng)具有傳輸速度快、功耗低、精度高等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線方式布線困難、精度差、穩(wěn)定性低等缺點(diǎn)[2]，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井水文信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體功能和架構(gòu)

基于GPRS技術(shù)的礦用水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是針對(duì)礦井中的水位、水溫信息量的采集，實(shí)時(shí)地記錄礦井水位、水溫信息，確保礦井水位、水溫信息保持在安全范圍內(nèi)。如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括傳感器、智能遙測(cè)儀、公用GPRS網(wǎng)絡(luò)、基站、監(jiān)測(cè)上位機(jī)等[3]。該系統(tǒng)主要通過(guò)時(shí)鐘設(shè)定測(cè)量時(shí)間間隔和發(fā)送時(shí)間間隔，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的水位、水溫等物理量，通過(guò)公用GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)上位機(jī)中，上位機(jī)將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理并進(jìn)行記錄顯示，以達(dá)到即時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

2 遙測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)主要包括：智能傳感器模塊、GPRS通信模塊、P89LPC936單片機(jī)控制器模塊、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊等其他輔助性功能電路模塊。智能遙測(cè)系統(tǒng)硬件的構(gòu)成框圖如圖2所示。

2.1 智能傳感器模塊

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器主要完成水位、水溫?cái)?shù)據(jù)信息的測(cè)量以及傳輸工作，系統(tǒng)采用了LM334作為恒流源，由于水位傳感器的工作原理就是將水壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，因此對(duì)于傳感器精度和抗干擾能力要求較高，所以在傳統(tǒng)基本恒流源的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)得到零溫度漂移的恒流源。系統(tǒng)水位傳感器就采用了這種改進(jìn)后的零溫度漂移恒流源，極大地提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性[4]。而水溫傳感器則采用具有低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的DS18B20，其單線接口的特點(diǎn)大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，并且可以通過(guò)RS 485總線直接供電，大大降低了單片機(jī)的功耗，并且其測(cè)溫范圍廣、精度高，非常適合于煤礦這種惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量[5]。

2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊

智能水位傳感器工作原理是將水壓物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其中，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇決定了儀器的精確性和穩(wěn)定性。AD7705作為美國(guó)AD公司推出的16位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，包括緩沖器和增益可編程放大器組成的模擬調(diào)節(jié)電路，能夠同時(shí)進(jìn)行多路電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。AD7705在低頻信號(hào)測(cè)量的應(yīng)用較為普遍，它能夠直接從傳感器接收低電平信號(hào)并輸出串行數(shù)字。但是，由于恒流源、基準(zhǔn)電壓、零點(diǎn)漂移等因素仍會(huì)導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，而全差分輸入通道（AIN1+與AIN1-）和（AIN2+與AIN2-）的輸入阻抗大，吸收的電流可以忽略不計(jì)。因此，水壓傳感器和精密電阻的電流均等于恒流源的輸出電流值[6?7]，這樣就提高了系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。其中，水壓傳感器和AD7705接線方式如圖3所示。

圖3 水壓傳感器和AD7705接線電路圖

2.3 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用了SIEMENS公司生產(chǎn)的MC55無(wú)線通信模塊。MC55模塊具有性能穩(wěn)定、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其提供的兩個(gè)全雙工串口，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)TCP通道同事傳輸，可以在GPRS或者短信狀態(tài)自動(dòng)切換，可以及時(shí)地為用戶提供有效的水位、水溫?cái)?shù)據(jù)信息。由于GPRS模塊是基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信的，而MC55內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議，其拓展命令可以方便地讓用戶運(yùn)用TCP/IP協(xié)議，使用戶能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸方面的合理運(yùn)用。MC55模塊通過(guò)AT指令進(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。其中，本系統(tǒng)運(yùn)用的GPRS網(wǎng)絡(luò)連接函數(shù)為MC55_connect（），其模塊初始化指令A(yù)T介紹如下：

AT+CGATT GPRS 附著/分離：

此命令用來(lái)使MT附著（分離）GPRS服務(wù)，當(dāng)由附著狀態(tài)轉(zhuǎn)換為分離狀態(tài)時(shí)被激活的PDP上下文自動(dòng)轉(zhuǎn)為去激活狀態(tài)。

AT+CGATT=1 //GPRS服務(wù)附著

AT+CGATT？ //GPRS 服務(wù)附著狀態(tài)

AT+CGATT=0 //GPRS 服務(wù)分離

AT+CGDCONT定義GPRS上下文環(huán)境：

指令格式：

AT+CGDCONT=[[，[，[，]]]]

AT+CGDCONT？ //查詢已定義的PDP上下文

AT+CGDCONT=1，IP，CMNET //cid為1， PDP類型是IP，

APN是CMNET，表示中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)應(yīng)用接口

AT+CGACT 激活/去激活PDP上下文：

指令格式：

AT+CGACT=[[， [， ]]]

AT+CGACT？ //查詢激活的PDP 上下文

AT+CGACT=1 //激活所有的PDP上下文

AT+CGACT=1，1 //激活cid=1的PDP上下文

AT+CGACT=0 //去激活所有的PDP上下文

AT+CGDATA 進(jìn)入GPRS數(shù)據(jù)模式

指令格式：

AT+CGDATA =[[， [， ]]]

AT+CGDATA="PPP"，1 //使用cid=1的PDP上下文環(huán)境進(jìn)

入GPRS數(shù)據(jù)模式

+++ //離開(kāi)數(shù)據(jù)模式

ATD建立GPRS數(shù)據(jù)模式：

指令格式：

ATD*99[*[][* [][*[]]]]#

此命令用于移動(dòng)終端（MT）執(zhí)行在終端設(shè)備（TE）和外部PDN建立GPRS數(shù)據(jù)連接的所有行為，即可以省略AT+CGATT與AT+CGACT指令，代替AT+CGDATA建立GPRS網(wǎng)絡(luò)。

3 系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)信息采集處理、測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、GPRS與監(jiān)測(cè)上位機(jī)通信以及其他輔助性功能軟件的設(shè)計(jì)。傳感器和遙測(cè)儀之間采用了RS 485總線通信方式，遙測(cè)儀和上位機(jī)則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

3.1 系統(tǒng)信號(hào)采集軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，單片機(jī)P89LPC936作為主控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息采集、存儲(chǔ)和發(fā)送等功能，每個(gè)傳感器上都有相應(yīng)的地址，單片機(jī)可以通過(guò)這些地址定時(shí)地訪問(wèn)不同的傳感器，并將采集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理。信息采集是系統(tǒng)啟動(dòng)以后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并對(duì)定時(shí)器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)間，檢測(cè)是否已開(kāi)啟GPRS模塊，當(dāng)檢測(cè)到GPRS模塊開(kāi)啟后則系統(tǒng)可以進(jìn)入相應(yīng)的子程序，使得遙測(cè)儀可以與上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。遙測(cè)儀采用了定時(shí)上電的工作方式，即由時(shí)鐘控制定時(shí)上電，每當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，智能遙測(cè)儀上電工作，測(cè)量水位、水溫等信息。單片機(jī)將信息進(jìn)行處理后暫存于單片機(jī)的存儲(chǔ)器中，判斷是否出現(xiàn)報(bào)警信息，如果系統(tǒng)報(bào)警，則進(jìn)行置位報(bào)警指令，進(jìn)行報(bào)警；如果沒(méi)有報(bào)警信息，則將信息進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)存儲(chǔ)達(dá)到一定限度以后，則開(kāi)始相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿?，進(jìn)行相應(yīng)的信息傳輸指令。該系統(tǒng)的信號(hào)采集軟件流程圖如圖4所示。

3.2 系統(tǒng)無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的無(wú)線通信方式是通過(guò)PDU模式的AT指令來(lái)控制的，系統(tǒng)是將兩個(gè)MC55模塊之間用GPRS信息收發(fā)的過(guò)程來(lái)進(jìn)行通信的，MC55模塊與計(jì)算機(jī)之間通過(guò)串口方式進(jìn)行連接。這樣，MC55模塊就可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測(cè)上位機(jī)之間的通信[8?10]。具體方案是首先發(fā)送“AT+CGATT=數(shù)據(jù)PDU的字節(jié)數(shù)”來(lái)獲取發(fā)送短信中心的地址，地址收到以后判斷獲取短信號(hào)碼的類型，將其中SIM卡的具體信息通過(guò)“AT+CGACT”指令進(jìn)行讀取，去除頭文件就得到了短信的內(nèi)容。然后將相對(duì)應(yīng)的被叫號(hào)碼地址、被叫號(hào)碼類型、中國(guó)國(guó)際區(qū)號(hào)等信息進(jìn)行標(biāo)示，通過(guò)協(xié)議標(biāo)示和編碼方案等信息處理過(guò)程，使兩者之間能夠通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。其中，具體的短消息收發(fā)流程圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將本系統(tǒng)應(yīng)用于當(dāng)?shù)啬乘校惭b調(diào)試以后進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量并監(jiān)測(cè)水井中水位和水溫信息，并用GPRS形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，觀測(cè)上位機(jī)中水井水位、水溫信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。首先，定義水井的名稱和初始水位、水溫等信息后并存盤，每隔1 h測(cè)出一組數(shù)據(jù)，并且每隔8 h發(fā)送一次數(shù)據(jù)信息，得到的水位曲線如圖6所示。然后，每隔一段時(shí)間用測(cè)繩和投入式溫度測(cè)量?jī)x人工測(cè)量實(shí)際水位、水溫信息，將實(shí)地測(cè)量的水位數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)遙測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表1所示，對(duì)比系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性。對(duì)比這些數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)能夠較好地反應(yīng)當(dāng)?shù)厮?、水溫信息的變化，而且系統(tǒng)信息傳輸?shù)乃俣瓤?、穩(wěn)定性較高，達(dá)到了礦用水文監(jiān)測(cè)的基本要求，符合設(shè)計(jì)預(yù)期的效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS無(wú)線通信技術(shù)的礦用水文遙測(cè)系統(tǒng)，將高精度智能傳感器、P89LPC936單片機(jī)和MC55無(wú)線通訊模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種低功耗、高精度、高穩(wěn)定性的礦用水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地將礦井水文數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺魉偷降孛姹O(jiān)測(cè)中心，對(duì)監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井水溫、水位的變化帶來(lái)極大便利，尤其是在煤礦這種地勢(shì)、地形復(fù)雜的環(huán)境下，水文信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠有效地實(shí)時(shí)對(duì)水溫、水位信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于礦井水文安全監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義。

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