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地下水是水資源的重要組成部分，是戰略性資源的主要部分。在保障城鄉居民生活支持經濟社會發展和維護生態平衡等方面具有十分重要的作用。地下水位觀測是一項基礎性的水利工作，在研究地下水和工程建設等方面具有重要作用。地下水位動態變化信息為地下水的開采工作、地方生態維護以及工程建設等方面提供了重要參考依據。鑒于地下水位滿足實時采集實時監測的需要，本文給出了一種用于地下水動態水位監測的遠程監測系統設計。 1 系統設計 1.1 系統設計要求 采集器的功能是將深井中的水位或水深信息收集起來，通過無線通信將數據發送給上位機系統。為了節省人力資源，采集器需要長時間免維護運行。采集系統要求架設維護方便、無需布線等，這就要求盡量減少施工環節，提高工作效率，降低成本。因此，提出了以下設計要求： (1)通信可靠； (2)低功耗，電池供電； (3)架設成本低； (4)易維護。 1.2 現狀分析 目前市場上出現的采集模塊靜態功耗較大，一般為200 mW～600 mW不等，制作下位機體積大，需外加蓄電池和太陽能板，容易被盜以及人為破壞；安裝復雜，在無電源地區使用時架設成本較高，不適用于條件較苛刻的專用場合；集成無線RTU體積也偏大，不能進階二次開發成專用產品，不能低壓供電也限制了在此系統中的應用。 1.3 系統方案 GSM網絡通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優點，易于實現遠程數據通信。 SMS是移動運營商提供的短消息服務，它基于GSM網絡通信。SMS支持GSM設備點對點和一點對多點的消息傳送，并可傳送一條短信和容納140 B的文本信息。在目標設備未在線或故障等情況下，短消息會暫存在運營商的服務器中，該種方式可以得到較高可靠程度。上位機系統可以是個人移動設備也可以是支持SMS的專用監測設備。 GPRS是基于GSM網絡的高速數據業務，資費低，但在網絡繁忙時數據丟包、掉線的情況時有發生。由于地下水變化相對緩慢，對系統的實時性要求不高，所以采用SMS方式進行無線數據通信足以滿足要求，對于本系統資費同樣低廉。 為了易于更換和維護采集器，采用通用的5號堿性電池供電。硬件上采用各功能模塊選擇性分離供電，軟件上采用定時采集、定時上傳的方式大大降低了功耗，確定了長時間電池供電的可行性，從而免去了布線和安裝太陽能電池的工序和成本。采集器與GSM通信模塊集成，縮小了體積，可內置于被測井口處，以方便安裝和后期維護。 2 硬件設計 2.1 硬件結構 采集器(下位機)由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時鐘日歷、信號調理以及A/D轉換器組成，如圖1所示。 2.2 模塊設計 (1)主控制器：ATmega88V單片機作為采集器的微控制單元，內置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲器，免去了外部存儲器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節省功耗，單片機工作在32.768 kHz 的系統時鐘頻率下。 (2)時鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時鐘日歷模塊，由獨立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進行實時通信，CPU查詢時間確定采集器的工作狀態。 (3)壓力傳感器：采用國產的KY型壓力傳感器，集成電壓變送器，工作電壓為10.5 V～15 V，輸出信號為1 V～5V，量程為0 m～100m (4)A/D轉換器: 使用的是AD7921，12位A/D轉換器，SPI串行接口，它由電壓基準芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。 (5)信號調理：采用通用雙運放LM2904調理傳感器輸出信號和電池電壓信號送給A/D轉換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供(12 V)，對壓力變送器的1 V～5 V信號進行調理，首先前級為跟隨器，運放的輸出用一個電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號，第二路信號為電池電壓信號，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值(7 V)調整為小于A/D轉換的滿度值電壓(2.5 V)。兩路信號送給A/D轉換器進行數字量化。 (6)電源管理：4節5號電池串聯，取其中2節電池為單片機供電，用IRFU220與IRFU9530構成2個推挽輸出由單片機的GPIO選擇性地為測量部分(包括壓力傳感器、A/D轉換器、信號調理電路)和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個LT1086穩壓后為GSM模塊提供3.6 V電源，由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號調理電路提供12 V電源。 (7)GSM模塊：采用Wavecom公司的GR64模塊，與單片機的接口為異步串行接口，編程時采用AT指令對模塊進行設置、會話以及打包數據和發送信息。 2.3 測量誤差分析 3 軟件設計 3.1 工作過程簡述 在設備開啟后，單片機會執行各功能模塊的初始化程序，之后從時鐘日歷芯片中讀取當前的日期和時間，之后判斷此時刻是否超過設定的測量時刻，如果超過測量時刻則進入測量狀態，此時單片機會開啟對測量電路的供電，延時等待傳感器穩定后，會連續采集100次數據存入RAM中。采集后測量電路供電將關閉，經過中值濾波法求得最終保留的數據，再將數據保存到單片機片上的EEPROM中。當程序判斷當前時間超過了上傳的時刻，則會開啟GSM模塊，等待GSM模塊入網后先接收供電然后將要發送的數據按照AT指令打包，并以短信的形式發給目的設備。如果數據發送超時，單片機將會把滯留的數據包存放在單片機內部的EEPROM中等待下一次上傳。最后關閉GSM模塊又回到循環時間的查詢狀態。 數據采集頻率為1日2次，在測量時刻到來時，CPU啟用升壓電路為壓力傳感器和信號調理電路供電，啟動A/D轉換器供電，采集壓力傳感器數據和電池電壓數據后，關閉供電電路，進行數據處理，測量結果保存在單片機內部的EEPROM中。可通過命令修改數據上傳時間。為了節省數據總線上的功耗，時間讀取不是實時的，用定時器中斷服務程序進行讀取，每分鐘讀取1次。上傳的數據總是前一天測得的數據。 在程序運行的整個過程單片機內部的看門狗計數器被一直啟用，用于監視采集器的正常工作，如果死機或程序執行混亂，看門狗定時器會使單片機復位。 3.2 程序流程圖 程序流程圖如圖2所示 3.3 協議設計 AT指令集是 ETSI (歐洲通信技術委員會 ) 發布的一種移動平臺與設備終端的通用接口指令 , 其中包含對SMS的控制。采集器向上位機系統傳輸數據的內容包括功能碼、日期時間和采集到的數據。每一字節數據為ASCII碼形式。協議包括2個部分： (1)采集器上傳報文的格式(除去AT指令)  T(數據說明)_上傳時間_測量日期_時間1_水深(單位:m)_時間2_水深(單位:m)#(結束)，以一個數據示例的文本形式為：T_2008/11/09/16:00_2008/11/08_02:00_23.40_14:00_23.10_16:00#。此數據的內容是上傳時間為2008年11月9日16:00，2008年11月8日，2:00時水深23.40m14:00時，水深23.10m。 (2)上位機系統對采集器發送命令的報文的格式(除去AT指令) ：ST(設置說明)_設置日期及時間_時間1_水深(單位:m)_時間2_水深(單位:m)_上傳時間#(結束)，以文本的形式表示則為： ST_2008/11/08/09:00_05:00_20:00_14:00#。此數據的內容是時間設置為2008年11月8日9點，2次采集時間設置為5:00和20:00,上傳時間設為14:00。 在發送這條短信后采集器下一次發送短信的目的地址自動調整為該地址。 4 實際測試 4.1 數據傳輸 在數據傳輸的測試中調整程序，使每隔半小時就上傳一次數據，中途隨機發送對采集器設置的信息，設置的上傳時間忽略不計，表1所列是接收450個短信息中的一部分。 表中，346和347號數據表明在2008/11/09/14:00時GSM模塊發生了入網超時，信息發送不成功，在14：30時原先發送失敗的數據被重新成功發送。 在450個數據傳輸測試的過程中出現入網超時率為0.67%，數據丟失率為0。進行過50次設置，設置失敗率為8%，但是后期延長超時時間后，測試100次，設置失敗率降為2%。 4.2 能耗測試 (1)靜態等候：單片機工作在32.768 kHz時鐘下電流消耗小于20μA，測量電路和GPRS模塊處于斷電狀態，供電推挽輸出為低電平時MOS管的漏電流小于10μA，時鐘日歷芯片獨立供電基本可以連續工作8年以上，將不計入功耗分析。每天24h運行，一天的能耗共計720 μAh。 (2)測量： LT1613消耗1 mA的自身工作電流，傳感器工作時消耗的電流為10 mA(12V)，實測5 V供電時從電池組吸取25 mA的電流，電壓基準源消耗1 mA，A/D轉換器工作時消耗3 mA。測量的整個過程小于300 ms，每次測量共計消耗2.4 μAh的電能。 (3)數據上傳：GSM模塊在發送數據時電流為500 mA，接收數據時為20 mA,靜態時為2.5 mA， GSM模塊獨立測試過程中，一次數據上傳過程小于20 s，大約需要消耗200 μAh的電能。 綜上所述，一天測量2次上傳1次的工作過程共消耗0.925 mAh的電能。如果用電量為800 mAh的堿性電池可連續工作800天以上。但是由于電池保質期和電池本身的自放電，再加上電量低水平時的內阻，可以保證至少一年正常工作。 此采集終端靜全天正常工作的耗電量為0.925 μAh，采用4節AA型堿性電池可維持一年以上連續正常工作，測量誤差小于0.16%，與上位機系統通信協議接口簡單、可靠性高。能夠較好地滿足地下水動態監測系統的下位機系統的需要。 |
