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基于GSM短信息的灌區明渠測流系統

時間:2009-04-22 14:28:28來源:hesp

導語:?基于GSM無線通訊網絡技術,提出了一種采用液位傳感器、單片機、西門子TC35芯片以及單晶硅太陽能電池等元件構成的灌區明渠流量測量系統方案。
1、引言   隨著灌區管理體制的深化,對渠道流量進行準確計量, 按量收費是必由之路。 由于灌區地域廣、渠系復雜、測點眾多、分布稀散、通訊不便使得我國大多數灌區目前仍采用人工測量的方法。這種方法費工費時,測量精度低。近幾年來,采用電話、光纜、超短波、無線擴頻技術、衛星通訊等手段進行明渠的自動化測流有所發展,但采用該測流方法投資昂貴、設備利用率低而無法大面積推廣,所以目前僅有少數大型灌區采用這種測流 方法。   明渠測流自動化由于受通訊、電力、地理環境等因素的影響,尤其是通訊問題已成為實現整個灌區自動化測流的瓶頸。本文利用GSM(Global System Mobile Communication)公網,采用SMS(Short Message Service)服務,實現明渠眾多流量測點上的數據采集與傳輸。 2、系統組成   本系統由數據采集儀、GSM通訊公眾網絡和數據控制中心組成,如圖1所示,本文只對采集儀部分加以詳細介紹。 數據采集儀安裝在渠系測流設施上,可實現對流量的瞬時采集,由于流量對實時特性要求不很嚴格,可把多次采集數據打包一次傳輸,數據包通過GSM網絡以SMS的方式傳送到控制中心,由控制中心實行水費結算、報表打印、通訊服務等,同時也可以對灌區進行宏觀調控,以最大可能提高灌區運行的經濟效益。
[b]3、測流儀(RTU)硬件電路設計 [/b]  測流儀(RTU)部分由CPU(ATC89C2051)、水位傳感器、A/D轉換芯片(ADS7824)、GSM模塊(西門子TC35)、實時時鐘(DS1302)、存儲芯片(AT24C256)、看門狗監控芯片(MAX8 13L)、16鍵鍵盤、5位LED顯示以及太陽能供電系統構成, 其結構如圖2所示。
3.1西門子TC35模塊   TC35[1]是Siemens公司推出的新一代無線通信GSM模塊,可以快速安全可靠地實現系統數據、語音傳輸、短消息服務(Short Message Service)和傳真。TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成(見圖3)。作為TC35的核心,基帶處理器主要處理GSM終端內的語音、數據信號,并涵蓋了蜂窩射頻設備中的所有的模擬和數字功能。在不需要額外硬件電路的前提下,可支持FR、HR和EFR語音信道編碼。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器,可分別連接單片機、SIM卡卡座和天線。
3.2數據存儲器EEPRAM   由于流量采集不需要嚴格的實時傳輸,單位時間的數據量少,這就很有必要把多次采集的數據(包括時間)組合打包一次傳輸,加之有時GSM網絡阻塞,可能會導致數據傳輸失敗,因此采用掉電記憶存儲器把數據暫時存儲起來很有必要,這樣不但節約運行成本而且提高系統的可靠性。本系統采用ATMEL公司的AT24C256芯片,其容量為32K,以頁的方式存儲,采用串行的方式與CPU進行動態數據交換。 3.3實時時鐘   對短時間計時可采用單片機CPU完成,但如果要記錄長時間采用單片機CPU會使整個系統效率降低,而且一旦單片機復位必須重新設定時間,很難滿足無人職守的要求,本系統采用DALLAS公司專用計時芯片DS1302,可實時輸出秒、分、時、日、月和年,可最多記100年,采用正常供電源和電池供電熱備,保證計時永不中斷,以串行方式向CPU提供實時時間。 3.4A/D轉換器   A/D芯片對整個系統的精度起著關鍵作用, 由于流量大小變化速度一般不會太大,因而選擇芯片時無需考慮轉換速度,為了提高測流精度需采用高分辨率芯片。本系統采用ADS7824芯片,為4路12位,單電源供電,具有并行串行輸出接口,以串行的方式與CPU進行數據交換。 [b]4、軟件設計 [/b] 4.1程序流程   本系統要求能夠實現流量采集、分析、存儲、通訊傳輸等功能,其流程圖見圖4。   系統中采用定時采集。由于渠道水深一般變化不大,所以每1分鐘采集一次就能夠滿足要求,每10 min記錄一條10次采集量的平均值。如果水位變化較大,則需由系統自動識別并記錄。采集數據容量(包括時間)累計超過140字節時,啟動GSM模塊,為了使數據包的容量小于140字節,把除去最后一個數據外的其它數據發給串口,并由GSM模塊發送到控制中心,接收到發送數據成功后,進入下一周期的循環。 4.2總線接口設計
本系統中CPU采用ATMEL公司的AT89C2051芯片,而外圍設備均采用I2C總線結構,因而需要用普通的I/O接口模擬I2C接口。CLK信號用P1.0口交替置‘1’和清‘0’來實現,為了保證脈沖寬度,在電平跳轉之間適當的加以延時。下面程序可實現時序圖5所示的過程。
4.3串口初始化程序設計   單片機晶振頻率為11.0592 MHz,根據GSM模塊的要求,波特率設置為9 600 bps,主要設置程序(以C51為例)如下:
4.4短消息格式及其AT命令   TC35 GSM模塊支持ETSI(European Telecommunications Standards Institute) 提出的GSM 07.05標準。定義每個短消息的信息量限制140個8位組(7比特編碼)140個英文字節或70個中文字符。如果超過此長度,則要分多次發送,也就是說每個短信息數據包大小容量為140*8位。本系統中前端數據不是實時上傳,這就需要在記錄流量大小的同時也記錄時間,為了最大可能的節約空間,數據包中首個數據包括詳細時間(年、月、日、時、分),其他采用與首個數據時差法計時,單位為分,詳見圖6所示。
  根據GSM 07.05的定義,發送和接收SMS信息有3種方式:Block模式、基于AT命令的Text Mode(文本模式)和基于AT命令的PDU(Protocol Description Unit)模式。使用Block模式需要模塊生產廠家提供驅動支持;而用于中英文短信息傳送應使用PDU模式,只傳送英文短信息(純文本格式)使用Text模式。本系統采用[CM(21]Text模式,通過串行接口(P3.0(RXD)、P3.1(TXD))直接向GSM模塊下發AT命令,就可以方便簡潔地實現基于GSM的短信息SMS的收發、查尋和管理。下面列出了與SMS相關的一些常用的GSMAT指令。
采用Text模式發送接收短信息的步驟分為初始化GSM模塊、發送文本短信息和接收短信息。下面是以C51語言環境為例說明AT指令用法的部分程序,詳細語法見SIEMENS AT Command Set[2]。
[b]5、結束語 [/b]  本文開發出一種明渠自動水流測量系統,并以GSM公網為數據傳輸平臺,將計算機通信技術、網絡技術、GSM技術以及自動控制技術集成起來,實現灌區測流和管理的自動化和信息化,這對于傳統水利向現代水利發展、提高灌區的經營管理和經濟效益、服務社會具有重要意義。 [b]參考文獻 [/b] [1]Siemens mobile. TC35/TC37 Hardware Interface Description [Z].2001. [2]Siemens mobile. TC35/TC37 module AT Command Set[Z].2002. [3]徐愛鈞. 單片機高級語言c51應用程序設計計[M].北京:電子工業出版社,2001.7. [4]楊火灰先,黃烣先.計算機原理及應用[M].長沙:國防科技大學出版社,2003.3 編輯:何世平

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