基于GPRS和组态王的水文测报系统的设计

摘要：为了实现水文测报系统的高可靠性、低功耗性和较好的实时性，详细介绍了水文测报技术的基本原理和实现方法，主要包括GPRS无线通信技术的基本知识和水文信息采集系统的整体构成。在借鉴和分析了国内外水文测报技术的基础之上，设计出了基于GPRS的水文测报系统的软硬件系统，并利用组态王开发了水文测报系统的实时监控系统。整个系统以实用、稳定、可靠为目标，在保证实现基本功能的基础上，优化了硬件和软件设计。实验结果证明，该系统采集数据正常、工作稳定、通信良好，实时性强。
关键词：GPRS；水文测报系统；组态王；通信

    水文测报系统是利用传感器、微控制系统、计算机网络及通信等技术手段将水位、雨量、流速、流量、水温等数据参数进行采集、存储、传输和处理的信息系统。由于水文测报系统是一项高科技、技术复杂的系统工程，加上野外自然条件恶劣、缺乏运行管理经验等因素，其中也存在很多不定性问题。本文结合水文测报系统的特点，以及GPRS无线网络技术提出了系统总体设计方案，并利用具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点的组态王开发了监控系统，有效地解决了功耗问题和传输安全稳定、实时性强等问题。

1 水文测报系统的总体设计
    水文测报系统的基本功能主要是解决水库洪水调度系统的水文信息自动采集、编码、发送、中心站接收、解码处理、存贮、应用等技术问题，使水情信息能及时有效地用于水库洪水的预报、调度、决策，为防洪兴利服务。
    设计方案采用模块化传输平台，实现水情系统数据传输。水文测报系统总体结构主要由三部分构成：水文监控中心、水文数据采集站及无线网络模块。框图如图1所示。

    水文采集站：主要包括太阳能或其他供电系统、传感器(水位、雨量等)、人机接口、通讯接口等设备。其功能是自动采集数据，包括水位、雨量等水文数据，并自动应答监控中心，向监控中心发送数据。
    水文监控中心：主要包括通讯设备、计算机、打印机等多媒体设备。其功能是实时接收遥测站采集发送的水文数据，存储、显示、打印遥测站水位、雨量数据，并向采集站发送相关指令，与其进行通信。
    无线网络模块：主要是指采集站和监控中心通过GPRS无线网络进行相关通信。无线模块将采集站采集到的数据通过GPRS无线网络上传到监控中心，监控中心也可以同时以无线的方式通过无线网络向采集站发送相关指令等。

2 水文测报系统的硬件设计
    根据水文测报系统设计方案，系统硬件电路包括：电源、MCU(微处理器)以及外围接口电路、GPRS模块接口电路、键盘和显示接口、数模转换模块等部分组成，完成数据的采集、存储、显示以及与中心站通信等功能。
2．1 系统终端设计
    系统终端包括MCU微处理器、信号传感、数据调理及A／D转换、数据存储、键盘及显示、时钟、无线通信等电路。具体功能如下：多路采集电路接受水位、雨量等传感器各种环境参数，并通过数据调理以及A／D转换后送MCU微处理器。接收到数据后，微处理器对采集到的数据进行处理，并存储。数据可以通过显示模块进行显示并可以通过键盘查看系统的工作状态，另外，微处理器通过控制无线MODEM和中心站进行远程通信，将采集数据传输到监控中心，整个硬件结构图如图2所示。

    结合以上要求，本系统终端以低功耗单片机MSP430F149为核心，包括信号传感、数据调理及A／D转换、数据存储、键盘及显示、时钟、无线通信等电路。其中，MSP430F149单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，具体功能如下：多路采集电路接受水位、雨量等传感器各种环境参数，并通过数据调理以及A／D转换后送MSP430微处理器。接收到数据后，微处理器对采集到的数据进行处理，并存储。数据可以通过显示模块进行显示并可以通过键盘查看系统的工作状态，另外，微处理器通过控制无线MODEM和中心站进行远程通信，将采集数据传输到监控中心翻。该系统低功耗，性价比高，集成性强，适合所有标准输出的变送器以及桥式传感器差分mV级电压信号，标准串行RS232／RS485数字接口，完全隔离型电流、电压输出。
2．2 GPRS通信模块设计
    GPRS系统数据传输速率快，而且覆盖范围广，能方便和Internet连接。GPRS网络一般使用GPRS外置Modem或是使用GPRS无线模块。前者一般由GPRS模块、SIM卡、RS232接口、电源等组成，由于该系统安装在野外，电源供电，系统稳定等因素制约，所以选择后者。GPRS模块与控制器之间的通信主要通过串口发送AT指令。
    为了保证数据传输的稳定和安全，GPRS网络通信协议起到非常关键的作用。GPRS系统采用IP网络结构，支持TCP／IP协议一分为应用层、传输层、网络层、物理层等，本系统的协议主要在传输层的TCP协议和UDP协议中。TCP协议数据包格式相比UDP要复杂，而且在建立连接时需要进行3次握手，但它可以提供保证传输数据的可靠性，而UDP协议数据包的格式比较简单，但是它的数据传输可能存在误码现象，所以选择TCP协议作为系统的传输层协议。
    TCP通过进程间的连接提供端到端的可靠数据传输，它提供错误检测和故障恢复机制。TCP所传送的数据单元称为TCP数据包。TCP数据包用于建立连接、传送数据、发送确认提供窗口大小信息和关闭连接等。TCP对所接收到的信息会及时予以确认，TCP数据包可分为TCP包头和来自应用层的数据二部分。
    TCP采用三步握手的方式来建立连接。发送侧首先发送一个SYN标志位的TCP数据包请求连接，接收侧通过包含SYN标志位的ACK数据包予以确认，发送侧在接到ACK数据包后，回送包含SYN标志位的ACK数据包到接收侧，连接建立完成。
    本模块采用了华荣公司的GW1000KC-3无线通信模块，该模块体积小，使用方便，具体特点如下：ISM频段，16个频道可选；发射功率16～33 dBm可调；多种设置模式：可以指令设置模块工作频道、发射功率、接口波特率，校验模式等；透明数据传输，所收即所发传输模式；多种接口方式：TH／RS232／RS485；天线保护处理：支持天线未接情况下发射60 s以上数据(发送间隔100 ms)；可以软件控制待机状态，即用节电模式。
2．3 系统组成
    结合以上分析结果，本系统分别由传感器、系统终端、GW1000KC-3无线模块以及PC机组成，系统硬件连接图如图3所示。具体如下：传感器通过两线制接法，传感器输出4～20 mA DC输出，将信号传输给系统终端，系统终端接收到信号后显示出来，PC机利用串口通讯发送对应指令，采集到的数据通过RS232传给无线模块GW1000KC-3，后经天线发送出去，通过GPRS无线网络另一端接收到数据后经RS232将数据上传给PC机。期间，可通过PC机发出对应指令对系统终端以及GW1000KC-3无线模块进行参数等设置，方便可靠。

3 组态王监控系统设计
    组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层3个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。
    利用组态王的特点开发的水库水文测报系统的监控系统，从监控中心窗口可以实时观测水库的主水位、库容量、流量、系统监控状态、水位实时趋势曲线以及查看历史水情报表等。通过与实际硬件连接调试，系统采集显示准确、稳定。

4 调试结果
    本系统采用了MSP430设计的系统终端和GPRS无线网络技术组建了水文测报系统，并且利用组态王开发了水文测报系统的监控系统系统，组建成功以后，经过实际连接、调试，实验结果证明该系统数据采集正常、工作稳定、通信良好，实现了水文测报系统的实时监测。图4是利用组态王开发的监控系统的实时数据及水位曲线图。

5 结束语
    针对目前水文测报系统的高可靠性、低功耗性和较好的实时性的要求，在介绍了水文测报系统的基本原理的基础上，借鉴和分析了目前国内外水文测报系统的技术，设计出了基于GPRS无线传输的水文测报系统，通过对系统终端以及GPRS通信协议的分析和设计，该系统保证了数据的安全、可靠、稳定传输，为用户提供了低成本、高效率、可靠的方式连入GPRS网络，实现了双向、实时的数据传输系统，并通过组态王开发了水文测报系统的实时监测系统，本系统组建以后，通过调试，该系统数据采集正常、工作稳定、通信良好，实时性强，与传统的解决方案相比，本系统有较大的优势。