基于GPRS的灌区自动化信息系统的设计与实现

1、文章编号 :1007 2284(2009 11 0005 04基于 GPRS 的灌区自动化信息系统的设计与实现樊棠怀1, 2, 3, 严锡君 3, 肖贤建 3, 刘有珠 1, 2, 徐立中3(1. 南昌工程学院计算机科学与技术系 , 南昌 330099; 2. 南昌工程学院信息与测控技术研究所 , 南昌 330099;3. 河海大学计算机及信息工程学院 , 南京 210098摘 要 :灌区管理自动化是水利信息化的一个重要组 成部分 , 在农业生产服务中发挥着重要的作用 。 灌区自动化 信 息系 统采用嵌入式技术和 GP RS 通信技术 , 采集各闸站的水情和工情参数 , 实现灌区的自动化管理

2、, 更好地为水资源调度 和管理提供技术支持 。 闸站采用嵌入式处理器采集 河流的水位 、 雨量和 闸门开度等 参数 , 采 用 GPRS 方 式发送给信 息中 心 。 信息中心将接收到的数据处理后存入服务器的数据库 , 客户端用浏览器通过 Internet 浏览各闸站的实时数据和历史数 据 。 经长时间运行表明 , 系统可靠性高 、 实时性好 , 具有广阔的应用前景 。 该方案已在江苏省淮安灌区得到了实施 。 关键词 :灌区 ; 闸站 ; 信息系统 ; 嵌入式系统 ; G PRS 中图分类号 :T P368 文献标识码 :AThe Design and Implementation of Au

3、tomated Information Management Systemin Irrigation Regions Based on GPRSFAN Tang huai1, 2, 3, YAN Xi jun 3, XIAO Xian jian 3, LIU You zhu 1, 2, XU Li zhong3(1. Department of Com puter Science and T echnolog y, N anchang Inst itute of T echno lo gy , N anchang 330099, China; 2. Institute of Info rmat

4、io n and Co nt rol T echno lo gy , N anchang Institute of T echnolog y, Nanchang 330099, China;3. Co llege of Co mputer and Info rmation Eng ineer ing, H ohai U niver sity, N anjing 210098, ChinaAbstract:A uto mated info rmation manag ement system in irr ig ation reg io ns ado pts embedded technolog

5、 y and GP RS co mmunication technolog y, co llects hy dr olo gica l par ameters o f each sluice g ate, realizes auto mated infor matio n manag ement and suppor ts scheduling and manag ement o f water resour ces better. Sluice gates collect the water level of riv er, rainfall and g ate opening by emb

6、edded pr o cessors and adopts GP RS to send dat a to t he infor matio n center. A fter handling the data received, the info rmation center will sav e it in the database in serv ers. Clients can bro wser each sluice gat e' s r eal time data and histo rical data thr ough the I nter net. T he long

7、time running show s that the system has high reliability, r eal time and br oad applicatio n pro spects. T he system has been implemented in Huaian Ir rig atio n Reg io n in Jiang su Pr ov ince.Key words:irr ig ation r egio n; sluice gat e; infor mation system; embedded sy stem; G PRS收稿日期 :2009 01 1

8、3基金项目 :国家高技术研究发展计划 ( 863 计划 专项课题资助 项目 (2007AA11Z227 ; 江西省教 育厅科 技计 划基 金资 助 项目 (赣教技字 2007338号 。作者简介 :樊棠怀 (1962 , 男 , 副 教授 , 博士 研究生 , 从 事信息获 取与处理、 无线传感器网络、 嵌入式系统研究。0 引 言水利是国民经济的命脉。随着我国经 济建设的发 展 , 水 资 源的管理和合理利用 在国民 经济 中的地 位越 来越 重要。灌 区 信息化是水利信息化的一个重要组成部分 , 在农 业生产服务 中发挥着重要的作用。它能 有效 地提高 灌区 管理 人员的 工作 效 率 ,

9、减轻劳动 强度 , 有 利 于运 行用 水 优化 调度 , 合理 利用 水 资 源 , 具有显著的经济效益和社会效益。近几年来 , 随 着水利 科学技术 的发展 , 灌 区自动 化信息 管理系统已成为灌区节约用水、 规范化 管理的一 项基础设施。 目 前 , 系统采用计算机监 测技 术 , 利用数 据采 集器 及无线 发射 机直接传送数据 , 再由计算机处理 , 形成数据 库文件 , 并打印输 出 各种水情图表 , 为灌区水量调度、 调节及科 学用水提供 科学、 直 观的依据。从系统各部分的功能看 , 现地数据 的正确采 集和处理后 数 据的可靠传输 , 是灌区 自动 化信 息管理 系统 的关

10、键 , 也 决定 了 , 相5中国农村水利水电 ! 2009年第 11期同的数据采集设备、 采用 不同 的数 据传输 方式。目 前 , 大多 数 灌区自动化系统采用超短 波无 线通讯 方式 或公 用电话 线有 线 通讯方式 , 这两种通讯各有自己的特 点和各自 的适用场合。 超 短波无线通讯方式适用 于偏 远的野 外 , 具有 独立组 网、 传输 可 靠的优点 , 但要求在传 输路 径上 不能有 高山 和高大 建筑 物 , 不 适合于高大建筑物密集的城镇。虽然涵闸 设施都地处 乡间 , 但 信息中心所在的水利管理部门大多位于 城镇。另外 , 超短波 一 般用于中、 短距离 传输 , 长距 离的

11、 传输实 现比 较困 难。公用 电 话线有线通讯方式适用于条件比较好的农 村和城镇 , 具有成 本 低、 传输距离不限的特点 , 但公用电话网用 户众多 , 接通率受 影 响 , 数据传输的可靠性依赖于公用 电话网的性 能。而 G PRS 引 入了分组交换的传输模式 , 用户只在发 送或接收 数据期间才 占 用资源 , 多个用户可高 效率 地共 享同一 无线 信道 , 提高 了资 源 的利用率。 G PRS 具 有实时在 线、 按 量计费、 快捷登录、 高速 传 输的特点 , 可提供 高达 115kbit/s 的传 输速 率 , 分 组交 换接 入 时间少于 1秒 , 能提供快速即时的连 接

12、, 且 支持语音传 输 , 可 大 幅度提高远程监控的效率。随着通讯 网络技 术的不 断普及 和发展 , 基于 移动公 网、 采 用 GSM 技术和 GP RS 技术的应用系统在水利领域得到了广 泛 的应用 , 特别是永远在线的 G PR S 技术在水利信 息化应用中 起 着越来越重要的作用。1 系统结构根据规模 的大小 , 灌 区一般有 几个至 几十个 涵闸 , 分散 在 重要的河流和灌渠上。 基于 GP RS 的 灌区 自动 化信息 管理 系 统是一个嵌入式微处理器、 以太网和 GP RS 等多 技术的应用 系 统 , 系统应用嵌入式 微处 理器采 集现 地数据 , 以 G PRS 方式

13、向 信息中心传输数据 , 信息中心 采用 B/S(浏览 器 /服 务器 结构 , 服务器接收各闸站的实 时数 据 , 处理后 存入 数据库 , 客 户端 用 浏览器通过 Internet 浏览实时数 据和历 史数据 , 为水 资源的 管 理和合理使用提供技术支持。系统主要由 涵闸测站、 通讯和 信 息中心三部分组成 , 系统结构如图 1 所示。图 1 灌区自动化信息系统结构图2 系统设计系统主要有涵闸数据采集、 G PRS 数据通 讯和信 息的收 集 和管理 3部 分组成 , 水情和工情数据的 正确采集 和可靠传输 是 系统的关键。2. 1 信息中心系统设计 客户机组成。服务器一般位于水利部门

14、的 管理中心 , 具有固 定 IP 地址 , 通过 Internet 接收各 闸站 传送的 水情、 工 情和 雨情 数 据并保存。客户端位于各管理处 , 通过 局域网获 得服务器的 实 时数据和历史数据 , 实现数据的实时 显示和查询 、 统计 等功能。 它主要由网络接口、 数据查询、 实时显示、 报表统 计、 系 统设置、 流量计算和 GIS 功能共七个模块组成 , 客户 端功能 结构如 图 2所示。图 2 客户端功能结构图2. 2 通讯协议各闸站通 过移动 公网采 用 G PRS 方式向 信息中 心发送 实 时数据 , 通讯设备选用 第三 方模 块 , 考 虑到 系统 闸站的 扩充 和 闸

15、站测量参数的扩充 , 将一 个参 数组成 一帧 , 使 用不同 的头 字 符 , 当该参数有变化并满足发送条件 时就立即 发出。具体格 式 如下 :0xF iIDBCD1BCD2CRC0x ED0x Fi:起始 , 其 中 i 为参 数类型 号 ; I D:站号 ; BCD1、 BCD2:参数值 ; CRC:校验码 ; 0x ED:帧结束。当系统开机时 , 需要将闸站的所有 数据全部 采集并发送 给 信息中心 , 同时数据的 变化 是随 机的 , 可能 有多 个参数 同时 传 送 , 一包数据最少包含一个参数 , 最多包含 6个参数 , 因此信 息 中心在接收数据时 , 需要采用不定长 的数据

16、解 析。在开发过 程 中发现 , 对于一些长数据 , GRR S 模块有 可能分 成两包 , 对于 相 邻两包的数据 , 有时必 须合 并一 起进行 处理 , 以 免丢失 正确 的 数据。2. 3 闸站设计闸站现地数据的 正确采 集是 整个系 统的 关键。对 于不 同 的现场条件和不同的要求 , 闸站采集 的参数也 有所不同。一 般 地 , 涵闸上、 下游 水位 是 必须 测量 的 水情 参数 ; 根据 涵闸 的 大 小 , 大多有 1-3个闸孔 , 相对 应就有 闸门 开度 1-闸 门开度 3最多 3个工情参数 ; 有的闸站还要有 降雨量这 个雨情参数。 这 样对于小的涵闸 , 只有 上游

17、水位、 下 游水 位和 闸门 开度 1共 3个参数 , 对 于较大的涵 闸 , 有 上游水位、 下游水 位、 闸 门开度 1、闸门开度 2、 闸门开度 3和降雨量共 6个参数 , 在闸 站数据采集 子系统的硬件设计中应充分考虑到这一点。 2. 3. 1 闸站子系统的结构闸站数据采集子系统是一个嵌入式微 处理器的应 用系统 , 由于降雨量是一个累计量 , 必须用非易 失性的数 据存储器把 降 雨量数据保存起来 , 我们选 用 A T 89S8252嵌入 式微控 制器 , 其 内部有 2K 字节 EEPR OM , 满 足 设计 要 求。同 时 , 它 还有 8K , 6基于 GP RS 的灌区自

18、动化信息系统的设计与实现 樊棠怀 严锡君 肖贤建 等考虑到闸站测 量 参数 的多 样 性 , 在硬 件 上设 计成 多 机 系 统。将硬件系统设计成主板和显示两部分 , 主板 功能包括数 据 采集与发送 , 按照测量 6个 闸站 参数的 最大 系统来 设计 , 这 样 其他闸站的主板可以兼容。主板主要负责 现地数据的 采集、 处 理和存储 , 并通过串行口将实时数据 发送给 GPR S 模块 , GP RS 模块再通过移动 G PRS 网络 传送给 信息 中心 ; 同时 , 主 板也 通 过串行口将实时数据发送给各个参数显示 仪表进行实 时显示。 显示部分由若干个显示仪表组成 , 采用 RS4

19、85总线的分布式 结 构 , 每个显示仪表显示 一种 参数 , 这样 对于 不同 闸站的 测量 参 数的不同 , 可以有很好的扩展性。闸站 数据采集 子系统的硬 件 结构如图 3 所示。图 3 闸站数据采集子系统的硬件结构图由于水位传感器和闸位传感器都采用 绝对型编码 器 , 都 输 出 10-12位并行信号 , 这 样水 位参数 和闸 门开 度参数 采集 的 硬件接口电路一样。从 图中可以 看到 , A T 89S8252用 P0口 和 P2口控制 5个简单并行口 , 分别用 5根 I/O 线进行选通 5组并 行输入接口器件 , 传感器输出的数据通 过隔离电 路进行信号 的 隔离 , 然后输

20、出到简单 并行 输入 口的输 入端 ; 雨 量传感 器采 用 翻斗式雨量计 , 它输 出的脉 冲信 号经滤 波电 路将信 号隔 离后 , 被锁存器锁存 , 然后 输出到 A T 89S8252的 I/O 口 ; 通过组合 电 路 , 将 A T 89S8252的 串 行 口 扩 展 了 一 个 RS485口 和 一 个 RS232口 , A T 89S8252通过 RS232与 GP RS 模块 交换 输入 /输 出数据 , G PRS 模块通过移动 GP RS 网 络向信 息中心 发送实 时 数据和接收信息中心发送过来的指令 ; A T 89S8252将所有需 要 显示的实时水情、 工情和雨

21、情数据通过 RS485发送给各个参 数 显示仪表 , 采用 485总线方式的结构 , 具有很好的 扩展性 , 增 加 或减少测量参数 , 都不影响采集系统的硬件结 构。 2. 3. 2 水位传感器接口电路设计一般地 , 并行接口电 路设计 大多采用 总线方 式 , 采用 8255或 8155等 可编程 并行接 口器件 进行扩 展 , 这 样设计 上要占 用 AT 89S8252的 P0口作为 数据总 线 /低八 位地址 总线 , 占用 P2口的部分 I/O 线作为高位地址线参与译码 , 产生 接口芯片的 片 选信号 ; 同时还要占用 P36和 P 37引脚作为读 /写控制 信号线 , 这样设计

22、复杂 , 使 用的器 件较 多。另外 , 由 于可 编程并 行接 口 器件的工作方式由软件 设计 , 在 实际使 用中 发现一 旦受 干扰 , 其工作方式很容易被改 变 , 从而 影响系 统的 正常运 行 , 使用 不 方便。在闸 站数据采集系统中 , 我们采 用简单并 行输入接口 器 件 74HC244扩展 I/O 接口的 方法 , 使 用 A T 89S8252的 I/O 线 作为其片选信 号线 , 简 化 了电 路 设计 , 提 高 了系 统的 可 靠性。 图 4 水位 、 闸位传感器接口电路图水位和闸位数据的采集使用的传感器 原理相同 , 都采用 绝 对型编码 , 输出 1012位并行

23、二进制格雷 码信号 , 因此它们 和 AT 89S8252的接口电路相 同。电路 设计 上 , AT 89S8252用 P0口、 P2口的低 4位和 74H C244扩展 5个 12位的并行 输入口 , 传感器 输 出 信 号 通 过 稳 压 电 路 到 达 林 顿 电 路 U L N2803, AT 89S8252用 1根 I/O 线同时选 通 2片 74HC244, 读 入 12位 的传感器输出数 据。 U L N 2803起 着隔 离和 保护 的 作用 , 若 选 择 10K 的电阻和 20毫安工作电流的稳压 管 , 稳 压电路能够 起 到抗 200伏 高压的干扰。 2. 3. 3 雨量

24、传感器接口电路设计雨量传感器采用光电式翻斗雨量计 , 它有 2个轮流储雨 的 翻斗 , 当储雨翻斗储满雨后自动将雨水 倾倒的同 时输出一个 负 脉冲信号 , 代表一个单位的 雨量。雨量 输出信 号经 RC 滤波 电 路滤波后 , 再由 74HC74锁存器 锁存 , 然后 输出到 A T 89S8252的 I/O 口供 CP U 查询。雨量传感器接口电路如图 5所示。图 5 雨量传感器接口电路图从图中可 以看到 , 雨 量传感器 相当于 一个光 电开关 , 平 时 开关打开 , 由于接了一个 10K 的上拉电 阻 , 输 出高电平。当 储 满一个单位的雨量后 , 开关闭合 , 输出一个 负脉冲

25、, 经反相器 反 相变成正脉冲作为锁存器的时钟信号 , 将锁存器 的数据输入 端 数据 (接高电平 锁存输出。 CPU 通过 I/O 线 检测到 锁存器 的 反相数据输出端的信号并处理 , 再通过另 外一根 I/O 线输出 一 个低电平 , 将锁存器清零 , 实现对雨量数 据的采集。一 般地 , 为 了防止干扰 , 根据当地 的最 大雨 强 , 设 定一 个最 小的采 集时 间 间隔 (如 3秒 , 在这 个最 小 时间 间隔 内 的 2个 以上 的脉 冲 信 号 , 都视为干扰而不作处理。同时 , 为了避 免脉冲信号 的丢失 , 雨量传感器输出信号不直接连接到微控制器的 I/O 线上。 2.

26、 3. 4 串行口扩展设计对于串行 口的扩展 , 如 果使用 2个串 行口 , 常规的 都选 用 内部具有 2个串行口的微控制器 , 或者 再用一个 可编程器件 扩 展 1个串行口。 51系 列内 部同 时具 有 EEP ROM 和 2个串 行 口的微控制器不多 , 用外围 电路 扩展则 增加 了电路 的复 杂性。 在本系统设计中 , 通 过对 串行 口工 作时 序 的分 析 , 用 2根 I/O 线参加控 制 , 采 用基本 门电路 , 实 现了 2个串行 口的扩展。 串7基于 GP RS 的灌区自动化信息系统的设计与实现 樊棠怀 严锡君 肖贤建 等行口扩展电路如图 6 所示。图 6 串行口

27、扩展电路图根据串行 口的工 作原理 和时序 , 当没 有数据 发送时 , 发 送 线上一直处于高电平 , 因此用 I/O 线参 与控 制 , 可以起 到扩 展 串行口的作用。从图 6(a 中可以看到 , 分别用 P25、 P26和 2个 或门扩展了一个 RS485和一个 R S232发送 口。当 P 25输出 低 电平 , P 26输出 高电 平时 , 只 开放 RS485口 ; 当 P26输出 低 电 平 , P25输出高电平时 , 只开放 R S232口 ; 当 P25和 P26都输 出 低电平时 , 同 时开 放 R S232口和 RS485口。采 用同样 的方 法 可以扩展多个串行口

28、, 串行口的应用非常灵活 。图 6(b 扩展了 2个串行接收口 , 采 用一 根 I/O 线 控制 , 实现 串行 口的 分时 接 收。当 P27输出低电平 时 , 开 放 RS485口接 收 ; 当 P27输出 高 电平时 , 开放 R S232口接 收。在实际 使用时 , 由 于参数 显示 仪 表只接收数据 , 因此将 RS485设 计成单 工方 式 , RS232接收 器 的输出端与 A T 89S8252的 RX D 引脚直接相连。2. 4 运行成本随着移动公 网 的 普 及和 使 用 成 本的 降 低 , G SM 技 术 和 GPR S 技术在水利领域得到了广泛 的应用。由于 GS

29、M 用户 量 极大 , 存在信息丢失和实时性差的问 题 , 将 逐步被永远 在线、 经 济性和实时性极好的 G PRS 所 取代 , GP RS 技 术将得 到极为 广 泛的应用。在系统设计中 , 充分 考虑到 数据 流量 , 节省 费用。 由于 对 水位和闸位的测 报实 时 要求 不高 , 水位 和闸 位 数据 在有 变 化 时 , 每十五分钟上报一个数据包 ; 雨量数据 及时上报 , 全月不 超 过 250个单位 雨量 ; 同时心 跳时间 间隔设 为 5分 钟 , 心跳包 的 数 据长 度较 小。 经 计算 每个 月的 数据 流量 在 40M 左 右 , 移动公司提供 20元人民币包 50

30、M 流量的包月活动 , 这样 , 每个闸 站 一年的 使用 费为 600元人 民 币 , 5个 闸 站一 年的 使 用费 共 为 3000元人民 币 , 所需费用较低 , 管理部门完全能够承受。3 结 语本系统已开 发完 成并 在 江苏 省淮 安 灌区 投入 实 际应 用。 经长时间运行 , 系统稳定可靠。闸站现 地数据的 正确采集是 保证灌区自动化信息系统可靠运行的前提 , 系统硬 件设计上采 取 的一些方法提供了较好的 技术保 证。使用 组合 逻辑电 路和 I/O 线来扩展多个串 行口 , 不 但简 化了硬 件设 计 , 也提高 了系 统 的可靠性。传感器接口采用稳压和隔离电 路 , 能

31、够方便地和 多 种传感器连接 , 提高了系统的抗干扰性。随着无线传感器网络技术的发展 , 无线传感 器网络在水 情 遥测、 遥控站控制和灌 区自 动化 等方面 的应 用将更 加深 入 , 设 计相应的雨量传 感器 节 点、 水位 传 感器 节点 和 闸位 传感 器 节 点 , 用无线传送方式取 代传 统的 有线传 送方 式 , 将极大 地方 便 安装和使用 , 也将使 得灌区 自动 化信息 系统 的功能 更加 完善 , 更好地为水利事业服务。 参考文献 :1 帕勒万 . 无线网络通信原理与应用 M . 北 京 :清华大学出版 社 ,2002.2 胡文红 , 梁 曦 , 吴建 玉 . 基于 XM L 的 水情信 息集 成系 统研 究J . 中国农村水利水电 , 2008, (1 .3 李正军 . 计算机测控 系统设计 与应用 M . 北京 :机械 工业出 版社 , 2004.4 吕 捷 . GPRS 技术 M . 北京 :北京邮电大学出版社 , 2003. 5 孙学军 . 通信原理 M . 北京 :电子工业出版社 , 2001.6 韩斌杰 . GPRS 原理及其网络优化 M . 北京 :机械 工业出版 社 ,2003.7 李 彬 , 奚士佳 . 基于 GPRS+WE B 灌区 水文信息采集 系统 J .中国农村水利水电 , 2006, (2