郭志俊，陳光亮

(浙江水利水電專科學校，浙江杭州 310018)

0 引言

水資源短缺已經(jīng)逐步成為制約地方經(jīng)濟的發(fā)展的瓶頸，尋求解決水資源需求與短缺之間的矛盾是各地水利管理部門的當務之急.針對水庫灌區(qū)工程分散的特殊性，建立水庫灌溉實時監(jiān)控系統(tǒng)，對于及時掌握水庫灌區(qū)水情變化、作物需水情況和灌溉供水的動態(tài)變化情況是十分必要的，是確保灌區(qū)工程安全運行、實現(xiàn)水資源優(yōu)化配置、提高用水效率、保障灌區(qū)持續(xù)發(fā)展的實際需要.水庫灌溉用水管理主要包括計劃制定、水位數(shù)據(jù)采集、泵站啟停、閘門控制、流量檢測、水量計算及水費用結算等下作.目前，大型灌區(qū)已經(jīng)建立起相應的監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，主要側重于基礎數(shù)據(jù)的管理與應用.大多數(shù)中小型灌區(qū)，由于受投資能力、管理規(guī)模、人員素質等條件的限制，水利信息化水平仍然較為落后.建立一套經(jīng)濟實用的水庫灌溉用水監(jiān)控與管理系統(tǒng)，實時采集監(jiān)測各測點水位、監(jiān)控閘門運行狀態(tài)及閘門高度的自動控制，改變?nèi)斯ぶ凳赜涗洈?shù)據(jù)的落后狀況，對于水資源調度和抗旱防汛具有非常重要的意義.

1 系統(tǒng)方案設計

本監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案由監(jiān)控中心和現(xiàn)場采集與監(jiān)控系統(tǒng)構成，見圖1，供水監(jiān)測點的數(shù)據(jù)采集終端可采集水位、壓力、流速、等各種數(shù)據(jù)，供監(jiān)控中心及有關部門分析和決策使用.數(shù)據(jù)傳輸通過Internet和GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)，分為上行傳輸通道和下行傳輸通道，上行傳輸專業(yè)數(shù)據(jù)、報警信息等，下行傳輸指令數(shù)據(jù)，有效的實現(xiàn)現(xiàn)場供水設備的啟停、遠程自動控制和自動檢測等，極大的降低了故障率和提高了對系統(tǒng)的反應時間.現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的實施，是以單片機ARM2132為核心，AVR與單片機連接組成分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負責收集各個傳感器上的狀態(tài)信息并將這些信息按照一定的格式傳送給上位機，所采集的遠程數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡按照協(xié)議傳遞給遠端的控制中心，數(shù)據(jù)分析處理由監(jiān)控中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配合相應的數(shù)據(jù)分析處理軟件來完成數(shù)據(jù)的最終匯總、分析以及做出相應的決策響應[1］.系統(tǒng)的結構采用模塊化設計，其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控中心信息管理保持相對獨立性，有利于系統(tǒng)的調試、升級與擴展.

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

2 單片機與GPRS模塊電路設計

用GPRS模塊進行數(shù)據(jù)通信，其主要硬件是由單片機和GPRS模塊(MC55芯片)組成，其部分電路原理圖見圖2，其中單片機LPC2132是系統(tǒng)的控制核心，負責驅動GPRS模塊與外網(wǎng)的連接，接收并處理GPRS模塊上傳來的數(shù)據(jù)包;組裝或生成要發(fā)送數(shù)據(jù)包并傳送給GPRS模塊，通過串口與數(shù)據(jù)采集模塊連接或控制其他串口與外接模塊的工作.單片機LPC2132與GPRS模塊之間的通信，主要是通過 TXD0、TXD、RXDO、RXD端口完成數(shù)據(jù)傳輸，其中TXDO端口是GPRS模塊用于接收單片機發(fā)來的數(shù)據(jù)，單片機TXD端口是用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)，RXDO端口是用于GPRS模塊向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機的RXD端口則是用于接收從GPRS模塊傳輸來的數(shù)據(jù).S1M卡的6個引腳 CCCLK、CCVCC、CC10、CCRST、CC1N 以 及 CCGND，分 別 接 在MC55的1到6腳上，這里接的S1M卡有分別對應接在 MC55的第1到第6個引腳上，實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸及短信的收發(fā)[2］.

圖2 LPC2132與GPRS模塊電路原理圖

3 數(shù)據(jù)采集與控制電路設計

水庫灌溉現(xiàn)場采集的信號主要有:水位、流量、閘門開關等信號，這些信號可以轉化為模擬量或數(shù)字量，對于連續(xù)的模擬量可轉化為電壓變化信號，通過AD0～AD3四個端口接入到ATmega8單片機的ADC端口，見圖3，片內(nèi)有8通道的模擬多路復用器，能直接對8路單端電壓輸入進行AD轉換并帶有采樣保持電路，現(xiàn)場模擬電壓信號可轉換為數(shù)字信號.對于現(xiàn)場的開關信號可以通過PB1～PB4端口輸入到單片機.現(xiàn)場數(shù)據(jù)是通過TXD、TXR端口傳輸?shù)絃PC2132和GPRS模塊，其傳輸過程是單片機首先對下位機地址進行識別，將采集的數(shù)據(jù)進行打包，通過GPRS模塊發(fā)送給中心控制系統(tǒng)，中心對接收到的信號進行判斷，通過GPRS發(fā)送控制指令給ATmega8單片機，由單片機輸出模擬控制量，由驅動執(zhí)行機構控制設備開、停機和事故停機自動實時控制.采集電路可以通過PD端口對不同的監(jiān)測終端設置地址，來區(qū)分其編號，實現(xiàn)多點監(jiān)控.

圖3 信號采集與控制電路圖

4 系統(tǒng)軟件功能設計

系統(tǒng)采用Delphi7來實現(xiàn)人機界面和通信功能，軟件功能框圖見圖4.

圖4 軟件功能框圖

(1)主界面是整個軟件的框架，管理各個功能模塊.

(2)任務配置模塊主要配置采集的各個參數(shù)，包括各個終端模塊地址，采集數(shù)據(jù)的時間間隔等數(shù)據(jù).

(3)數(shù)據(jù)采集模塊是根據(jù)任務，定時發(fā)送采集命令，讀取各個終端的測量點數(shù)據(jù)，同時把數(shù)據(jù)提交給數(shù)據(jù)庫控制模塊，保存數(shù)據(jù).

(4)數(shù)據(jù)查詢模塊主要是根據(jù)用戶要求從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和圖表顯示，同時負責統(tǒng)計數(shù)據(jù)的功能.

(5)通信模塊是負責接收來自GRPS網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進行簡單的處理.

(6)控制模塊負責分析采集來的數(shù)據(jù)，當采集的數(shù)據(jù)值超過用戶設定的限值時，控制模塊自動發(fā)送停機指令，也可用戶手動控制[3］.

5 結語

本文以PC機為中心控制機，在windows操作系統(tǒng)下，利用Delphi7開發(fā)了灌區(qū)人機交互控制界面.現(xiàn)場采集與控制系統(tǒng)充分利用ARM功耗低、體積小等優(yōu)點，以及GPRS組網(wǎng)方便的特點，以ARM微控制器LPC 2132為主控單元，用GPRS通信模塊MC55作為調制解調芯片，實現(xiàn)了灌溉工況的遠程數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控功能.

[1]徐國章，鄭雪峰，涂序彥.灌區(qū)灌溉用水測控與管理系統(tǒng)研究與設計[J］.微計算機信息，2008(33):21 －23.

[2]呂 鑫，王 忠.GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的設計與實現(xiàn)[J］.現(xiàn)代電子技術，2008(9):18 －20.

[3]何 瑛，工航宇.基于GPRS的分布式灌區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J］.西安:電子設計工程，2009(3):19－20.