基于GPRS的明渠流速流量检测系统研究

摘 要： 根据明渠流速流量测量技术规范和远距离数据传输的需求，以旋浆式流速仪为一次测量仪器，设计了基于GPRS的明渠流速流量检测系统。系统采用固态存储技术，实现数据在下位机中的大量存储。通过采集电路及GPRS终端，利用通用分组无线业务(GPRS)和Internet网实现远程数据的采集与控制，解决了水文水生态监测中分散数据传输问题，实现了水文信息实时采集传输和处理的无线化、网络化、智能化。

关键词： 流速流量； GPRS； 数据采集； 固态存储

明渠水流速度及流量测量是水文、电力、农业灌溉、污水治理、水生生态环境监测与研究等领域中一项基础性测量工作，其获得的数据是我国重要的水利基础信息资源和战略资源，这就对数据测量的准确度和时效性、数据存储、数据管理等方面提出了新的要求。明渠水流速等相关数据的测量往往在野外露天进行，环境条件艰苦，测量工作花费的时间长，人力物力投入较大。因而研究基于无线传输、网络技术的流速流量测量系统，解决水文监测中分散数据传输问题，实时监控并生成符合水文资源勘测要求的数据格式，实现水文水生态信息实时采集传输和处理的无线化、智能化，成为目前水资源监控与管理系统急需的技术。

通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务^[1]。GPRS 采用与GSM 相同的无线调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及TDMA 帧结构，允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源，特别适合用于水资源网监控这种间断的、突发的和频繁的数据传输。

1 流速及流量检测原理

根据国标河流流量测验规范GB 50179-93明渠流速测量技术规范，测点流速由(1)式计算得出：

V=K × A × n/T+C (1)

式中, K为水利螺距；n为每信号转数；C为阻力系数；T为单次测量的实际延时；A为实际测量过程中流速仪发出的信号脉冲个数。

在实际的河流流量测量中，河道的截面积是不规则的矩形或梯形，用一个测点的流速取代整个河道截面的平均流速直接计算时误差很大。通过部分平均流速与部分面积相乘，可得部分流量^[2]。总流量可用(2)式计算得出。

式中,V_i为部分平均流速， f_i为部分面积，q_i为部分流量，Q为截面总流量。

在部分平均流速一定的条件下，部分流量的准确度取决于部分面积的准确度。为提高部分面积的准确度，将部分面积作进一步划分，在两测速垂线点间增加若干条只测量水深的垂线,如图1所示。在垂线平均流速V_m2与V_m3间加设测深垂线H3、H4，由定积分原理可知，加设的测线数越多，部分面积就越准确，得到的部分流量就越准确，从而截面流量的测量也越准确。

2 基于GPRS的数据采集与控制系统结构

2.1 系统组成结构

系统主要由信号检测器、GPRS无线通信网络和远程监控中心组成，结构框图如图2所示。信号检测器采集现场数据经通信处理程序后，从MCU的RS232接口（RX、TX）发送到GPRS调制解调器，GPRS接收到数据后对数据进行解包，取出必要的信息后重新对数据进行封装，再发送到GPRS网络中。由于GPRS网和互联网都是基于TCP/IP协议的，而且是相互连接的，所以水文监控中心只要能通过任意方式上网，相关的数据信息就可以传到监控中心。监控中心的查询命令和控制命令也可以通过互联网和GPRS网传到GPRS模块。信号检测器主要由信号采集、处理、通信等模块组成^[3]，如图3所示。

2.2 数据固态存储与传输

对一个河道截面进行一次流量测量计算时产生的数据包括若干个测量时间、信号个数、流速值、若干个垂线深度值、测量间距以及相关的流速仪参数等等，通常需要测量多组。因而，存储一组测量数据结果需要的存储空间大约几千字节，而单片机内存储空间有限，不能实现数据的大容量长时间保存。因此，系统采用串行方式，以单片机为主控芯片，配接大容量 Flash ROM芯片为主要数据载体，存储容量4 MB，存储时间1～2年，实现水文数据就地固态存储。检测器主控芯片发出的指令控制实现对存储器件的操作，一个有效指令包括1个字节４位操作码、４位器件地址以及目的缓冲器或Flash存储器地址位置。Flash存储的数据采用时间映射地址技术，存储时间就是地址的原始的数据地址指针。根据时间与地址的唯一对应关系，计算存储单元的位置，得到可靠的存储数据结构。

信号检测器可按固定时间间隔将现场数据存储在固态芯片中，也可以通过GPRS网络实时传输出去，通过GPRS网络传输到监控中心，形成下载数据库文件或文本文件。GPRS网络故障应急时，或GPRS网络不能覆盖站点时，本地下载数据，通过USB接口,本地获取存储器中的数据。

2.3 数据通信与GPRS模块

数据通信模块实现MCU与GPRS模块间的数据通信功能，系统检测过程中获取的流速流量信号和相应的参数，通过RS232口(RX和TX端口)传送到GPRS模块，再通过该模块传输到GPRS网络，实现数据和命令的双向传输、控制、认证和加/解密^[4]。

在本设计中使用的GPRS DTU模块是Siemens公司的GSM/GPRS 模块MC55,该模块具有很高的可靠性, 很适合在便携移动终端中作为无线通信模块。并且内嵌了TCP/IP 协议栈, 这样就省去了系统的TCP/IP处理时间。使用AT命令对模块实现控制。

通过DTU RS-232的数据接口，DTU向数据中心实时发送数据。DTU的数据传送是透明的，不需要后台计算机支持，不需要对数据添加任何多余的协议和对水报文做协议转换。

3 系统软件设计

软件设计部分主要分为检测器部分软件设计、GPRS通信部分软件设计、监控中心部分软件设计。

检测器软件流程图如图4所示。主要由信号处理模块、计算模块、固态存储无纸记录模块、通信模块、浏览模块等组成，通过主程序的调用来实现各模块功能。

为了降低功耗，微处理器平时要用软件控制在休眠工作模式以降低功耗。有事件发生时，一组测量结束，执行一次固态存储操作，或外部命令到来时，由软件识别并进入相应的执行流程，如本地下载、GPRS远程下载等操作流程。CPU严格按照时间顺序排列锁存数据，以月日时分为索引进行固态存储。GPRS远程下载时也是根据客户服务器发来的时间段，利用时间映射地址的技术，生成下载指令，在遥测站与分中心沟通GPRS链路时下发指令，完成批量数据下载任务。GPRS通信模块与数据监控中心的数据传输需要确定数据传输帧的格式，分为命令帧和响应帧2类。

通过AT指令初始化GPRS模块，使设备连接到GPRS网，并获得IP地址，设置UDP端口号，与监控服务器建立连接。对接收到的命令进行分析、判断是本地命令还是GPRS命令。如果是本地命令，则直接进行数据格式转换和串口通信；如果是GPRS命令，则MCU通过RS232串口向GPRS模块内的TCP/IP协议站发送数据，或接收远程指令。GPRS模块接收到来自GPRS网络的数据后通过RS232接口以中断方式告知MCU处理接收数据^[5]。通信软件流程图如图5所示。

4 监控中心

远程监控中心负责接收并保存现场检测数据，并下达对各监测点进行控制的控制参数和控制命令。由于控制中心接入Internet，因此需要取得公网IP地址并作为UDP服务器运行在监听状态。接收到的数据保存到数据库服务器中，可自动生成符合水文部门要求的“测深测速记载及流量报表”等资料库，通过配备具有人工智能的系统分析软件，结合记录的流速流量相关数据和其他水文情况数据及专家知识库，对汛情、农业灌溉用水、水生生态环境进行预测。根据河流流量变化的历史记录，分析汛情情况，及时采取措施进行疏导和调度；根据农业灌溉用水的历史记录，合理调度灌溉用水等。

基于GPRS的流速流量检测系统，成本低、功耗低、测量精度高、抗干扰能力强，实现了数据的固态存储。在有线传输实现方案不宜实施的情况下，采用GPRS通信加快项目的实施步伐，为提高水文数据传输实时性，实现水文水生态信息实时采集传输和处理的无线化、智能化提供了很好的解决方案。

参考文献

[1] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社,2003.

[2] 中华人民共和国水利部.河流流量测验规范GB 50179-93[M] .北京：中国计划出版社,1993.

[3] 梁岚珍,陈志军,南新元.流速仪信号计算机采集系统的设计[J].自动化仪表,2002,23（9）:38-41.

[4] 廖利芳,张劲松,李文耀.基于GPRS 的水文数据采集系统的设计[J].光通信研究,2007(1):48-49.

[5] 潘娟,王吉星,李 凌. 水文数据在站存储及GPRS远程提取技术[J] .水利水文自动化,2006(4):10-12.