远距离遥控式水深测量仪的设计.doc

远距离遥控式水深测量系统的设计马宜东（河南黄河河务局 河南瑞达信息技术有限公司，河南 郑州，450003）摘要： 以S3C6410处理器及遥控载体为基础，设计出了湖泊、水库、河流远程遥控式水深测量系统。S3C6410处理器是一种精度高、速度快、接口丰富、扩展性好的32位处理器。充分利用该处理器的所具有的优势，使设计出来的远程遥控式水深测量系统更精确、便捷、实用、快速、无人值守的特点。改变以往水深测量速度慢、成本高、作业危险的弊端，该系统使用远程遥控载体，融入GPS及GPRS等技术。在遥控器可控制远程遥控载体的范围内，利用GPRS技术实时将GPS及水深数据传至接收端，并且不受风向、温度、泥沙含量、浑浊度的影响。关键字： 远距离遥控，水深测量仪，设计Remote control type water depth measurement system designMa Yidong（Henan the Yellow River Bureau & Henan Radar Information Technology Limited Company, Zhengzhou 450003,China）Abstract: The S3C6410 processor and remote control vector-based, design of the lakes, reservoirs, rivers, remote control depth measurement system. S3C6410 processor is a kind of high precision, fast speed, rich interface, good expandability 32 bit processor. Make full use of the advantages of the processor, designed remote control depth measurement system more accurate, convenient, practical, fast, unattended. Change the depth measurement speed slow, the high cost of operating dangerous drawbacks of the system using the remote control carrier, into the GPS and GPRS technology. Using GPRS technology in the remote control can control the remote carrier within the real-time GPS and depth data transmitted to the receiving end, and not subject to the wind direction, temperature, sediment concentration, turbidity impact.Keywords: Remote control, Depth measuring system, Design1. 引言远距离遥控式水深测量系统是河流治理的重要衡量标准，它是数字黄河发展的重要标志，同时也是国家对河流治理的重要考核标准。现在已经使用的水深测量仪大多是用竹竿或专用的测试仪器，存在着测试范围小、测量速度慢、作业危险的问题。由于黄河河水存在着泥沙含量及浑浊度高也对测量精度造成了影响。所以提出了用S3C6410处理器及遥控载体为核心的远距离遥控式水深测量系统的研制。2.远距离遥控式水深测量系统的总体设计远距离遥控式水深测量系统由软件系统和硬件系统组成。运载体子系统通过接受远程无线电遥控信号，对运载体进行控制。在运载体行进的过程中每隔一秒钟通过GPS对其所在的位置进行一次定位并获取时间信息，同时水深测量系统同步进行水体深度的测量。所得的位置、时间和水深数据经S3C6410处理器处理后，经GPRS数据传输系统发送到远程接收端；从而远程接收端可以很直观的得出测试水域某一时刻的水体深度。3.远距离遥控式水深测量系统的硬件设计硬件系统包括基于S3C6410处理器为核心的嵌入式最小系统、运载体系统、超声波水深测量系统、GPS定位系统、GPRS数据传输子系统、电源子系统组成。如图1所示： 图1 系统总体框图3.1 S3C6410核心板子系统的设计 S3C6410核心板肩负着远距离遥控式水深测量系统的数据信号与控制信号的处理，是整个系统的大脑。由于该系统需要在恶劣的环境中完成大量数据及控制信号的处理任务，因此要求核心板及板上电子元件具有可靠性高、精度高、工作稳定、功耗低及速度快的特点。S3C6410处理器是三星公司生产的32位处理器，该处理器具有667MHZ的主频，支持接口丰富。如图2所示： 图2 S3C6410核心板框图3.2 运载体子系统的设计由于系统要在水文及气象条件较为恶劣的环境中使用，因此对运载体的可靠性、稳定性都提出了较为刻薄的要求。该运载体将使用双体船结构，充分利用了双体船的抗风能力强、船体使用面积大、船体载荷能力强的特点。驱动方式采用2台电动机并排安装的喷水式设计，依靠电动机转速的高低来控制运载体的运行速度，通过控制两台电动机转速差和正转及反转来控制运载体运行的方向。摇控方式采用普通遥控船4通道遥控覆盖距离不低于500米的遥控收发器，通过移植安装到运载体上。3.3 水深测量子系统的设计 水深测量子系统采用的是一对超声波传感器组成的水深测量模块，通过调整水深测量模块的发射功率和接受灵敏度，其水深测量距离可以达到100m的深度，基本上可以满足黄河水深测量的需要。水深测量模块利用声音的传播和反射来确定水底的距离和地貌，原理是声纳传感器垂直水面向水中发出一个声波信号，当声波信号遇到水底后会反射回来，依据反射波与发射波的时间差及波型去计算水体的深度及地质环境。3.4 GPRS数据传输与GPS定位子系统的设计 GPRS数据传输子系统的作用是：接受从S3C6410核心板RS-232接口输出的数据，并通过GPRS移动通信网络将所测量到的时间、位置、水深参数发送到远程的GPRS接收端。由于单位时间内需要发送的数据量较小，但要求网络的覆盖面要足够大，所以采用GSM网络。GPS定位子系统的作用是：通过GPS全球导航卫星系统对移动中的水深测量平台进行连续定位，并接受GPS全球导航卫星系统的授时功能。GPS定位子系统将其得到的位置信息和时间信息，通过RS-232接口发送至S3C6410核心板进行处理。GPRS数据传输与GPS定位子系统采用的是SC202A-V4开发板，该开发板同时具有GPS定位与GPRS数据传输的功能，该模块具有网络覆盖范围广、组网灵活方便、可靠性高、功耗低、精度高、速度快、性能稳定、运行成本低、使用简单等优点。3.5电源子系统的设计由于该远距离遥控式水深测量系统对电源的稳定性及可靠性要求较高，所以电源子系统采用双电源模式，分别是太阳能电池供电模式和蓄电池供电模式。在光线充足的情况下，由太阳能电池负责为系统供电，并同时为锂电池进行充电；在光线不足的情况下，由锂电池直接为系统供电。提高了电源系统的可靠性，保证系统能够正常工作。系统将采用4块12V 10W的太阳能电池板两块串联成一组，两组在并联组成太阳能供电系统，2节12V 9800mAh的锂电池串联组成蓄电池供电系统。供电系统输出的电压，经过整流、滤波、变压过程后，分别转换成12V、5V、3.3V的电压供运载体推进与控制系统、水深测量系统、GPRS数据传输系统、GPS定位系统、S3C6410处理器等电子元件使用。4. 远距离遥控式水深测量系统的软件设计远距离遥控式水深测量系统采用模块化设计，系统程序固化在Flash存储器中。主程序的程序框图，其中包含若干子程序。子程序的功能包括系统初始化、水深测量、GPRS数据传输、GPS定位等。该远距离遥控式水深测量系统软件设计分为以下几个模块：水深测量子程序、GPRS数据传输子程序、GPS定位子程序、水深与定位处理子程序等。如图3所示： 图3 软件系统总框图4.1水深测量子系统的软件设计水深测量子系统的功能是：首先由S3C6410核心板向超声波传感器提供一个10us的脉冲触发信号，声纳传感器得到脉冲触发信号后，发出8个40KHZ周期声波信号并检测回波，声纳传感器检测到回波信号后则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，因此通过发射信号与收到回响信号的时间差即可计算出水体的深度，S=T高电平水体声速（1497m/s）/2。由于测量水深达到100米的深度，为防止发射信号与回波信号的相互干扰，因此测量周期应大于0.5S，该系统采用的测量周期为1S。4.2 GPRS数据传输子系统的软件设计系统数据采用定时发送方式，GPRS数据传输子系统每隔1S将从经S3C6410处理后的数据向远程GPRS接受模块发送一次，包含：时钟时间、位置坐标、水体深度的数据信息，数据格式如下所示：起始字节地址字节时钟时间位置坐标水体深度数据校验字节停止字节4.3 GPS定位子系统的软件设计GPS定位系统每隔一秒钟从GPS卫星获取一次位置和时钟信息，并将获取到的位置和时钟信息转换成相应的格式，发送给S3C6410处理。数据格式如下所示：起始字节地址字节时钟时间位置坐标数据校验字节停止字节5.结束语由于使用的是S3C6410处理器作为核心的控制元件，以及高灵活性的远程遥控船只作为载体，全部由高可靠性元件构成，使远距离遥控式水深测量系统具有水深测量的精确性和灵活性都有大幅度提高。该远距离遥控式水深测量系统性能稳定、工作方式独特、操作人员不用下水作业只需在岸边进行远程控制。能够很好地满足治黄管理部门对远距离遥控式水深测量系统高精度、高安全性及便捷性的要求。6.参考文献1林晓飞等著. 基于ARM嵌入式Linux应用开发与实例教程(M). 北京： 清华大学出版社. 20072沈连丰等著. 嵌入式系统及其开发应用(M) . 北京： 电子工业出版社. 20053黄志伟主编. 全国大学生电子设计竞赛训练教程（M）. 北京： 电子工业出版社. 20054大学生嵌入式系统专题邀请赛组委会编著. 大学生嵌入式系统专题邀请赛优秀作品选编(C). 上海： 上海交通大学出版社. 20105 SAMSUNG公司. S3C6410数据手册(Z). http:/