0 引言
監(jiān)測(cè)收集江河水位漲落情況，并送到相關(guān)水文管理部門(mén)是水文工作中的一項(xiàng)重要任務(wù)，特別是雨季，監(jiān)測(cè)工作尤為重要，由于觀測(cè)點(diǎn)多、分散性大、距離遠(yuǎn)且往往地處偏僻，因此在數(shù)據(jù)采集尤其是要求頻繁采集時(shí)存在困難。目前，移動(dòng)通信網(wǎng)已十分發(fā)達(dá)，信號(hào)基本覆蓋了城鄉(xiāng)各地，同時(shí)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)種類(lèi)也在不斷推出，包括單向收費(fèi)、免月租計(jì)費(fèi)、包月包短信等各種套餐。在此形式下，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中利用短信平臺(tái)來(lái)傳輸非頻繁短數(shù)據(jù)成為一種省投資、省運(yùn)行成本、免維護(hù)的很實(shí)用的方案。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用嵌入式GSM模塊，集成數(shù)據(jù)采集等電路完成基于短信服務(wù)平臺(tái)和話務(wù)平臺(tái)的無(wú)線監(jiān)測(cè)傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。它有2種方式：短信方式傳送數(shù)據(jù)和雙音多頻(DTMF)方式，兩者可互補(bǔ)，試驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)成本低、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。
1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成概述
如圖1所示，系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)測(cè)主機(jī)和若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)子機(jī)構(gòu)成，它們通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)的短信平臺(tái)和話務(wù)平臺(tái)構(gòu)成信息通道，所依托的移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商及模式?jīng)]有限制。在通常情況下，各測(cè)點(diǎn)用短信方式定時(shí)向監(jiān)測(cè)中心傳送水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，定時(shí)間隔可智能判斷、自動(dòng)調(diào)整，遇汛期水位波動(dòng)大，單片機(jī)根據(jù)水位的變化速率給出定時(shí)間隔，這在洪水季節(jié)水位波動(dòng)大時(shí)十分必要。監(jiān)測(cè)中心也可以用短信方式向某子機(jī)發(fā)出指令，對(duì)子機(jī)的數(shù)據(jù)傳送間隔或其他功能要求進(jìn)行設(shè)置。如遇短信通道擁擠、堵塞，或有特別需求，監(jiān)測(cè)中心還可用通話方式通過(guò)“撥號(hào)呼叫”接通監(jiān)測(cè)點(diǎn)話路，然后監(jiān)測(cè)點(diǎn)用DTMF信號(hào)來(lái)傳送數(shù)據(jù)以作為互補(bǔ)。
2 水位測(cè)量方案
采用“浮球法”將水位增量轉(zhuǎn)為電壓值：基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，浮球1跟隨水位漲落而上下移動(dòng)，通過(guò)鋼絲索3以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)精密多圈電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，球體2是平衡球。多圈電位器將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成與水位相對(duì)應(yīng)的電壓值ui，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由單片機(jī)檢測(cè)、計(jì)算。為消除風(fēng)浪所造成的水面波動(dòng)，“浮球法”必須建造豎井，將浮球置于井中以使水面平穩(wěn)。
3 測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)子機(jī)構(gòu)成原理
如圖3所示，主要由嵌入式GSM模塊MC35、DTMF信號(hào)發(fā)生器UM91210、單片機(jī)AT89S51、水位變換測(cè)量模塊、顯示模塊等部分組成。
MC-35是西門(mén)子公司出品的移動(dòng)通信模塊，具有短信收發(fā)、撥號(hào)呼出、全雙工語(yǔ)音通信等功能，各項(xiàng)功能均由一個(gè)異步串行通信接口接收來(lái)自單片機(jī)或PC機(jī)的AT指令而實(shí)現(xiàn)；多圈電位器、4位半雙積分模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135通過(guò)圖2裝置將水位變化量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)89S 51的中斷口P3．3，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理后，一方送LED串行顯示模塊；若需要上傳數(shù)據(jù)另一方面按照規(guī)定的格式組成AT指令數(shù)據(jù)包，由單片機(jī)的串口TXD送出，GSM模塊MC35的串口RXD接收后即以短信方式發(fā)往主機(jī)。
一般情況下，水位數(shù)據(jù)以智能定時(shí)方式主動(dòng)上傳，但主機(jī)也可以向子機(jī)發(fā)短信指令要求上傳或設(shè)定定時(shí)間隔等，MC35收到來(lái)自主機(jī)的短信，從串口TXD輸出．單片機(jī)的RXD接收后即執(zhí)行相應(yīng)功能。
如遇短信信道堵塞，主機(jī)還可以向子機(jī)“撥號(hào)”呼叫，這時(shí)子機(jī)RINGO端會(huì)輸出振鈴信號(hào)，該信號(hào)周期為低1S高4S，單片機(jī)的INT0(P3.2)端檢測(cè)到這一信號(hào)即通過(guò)串口向MC35寫(xiě)入一條“接收電話”的AT指令，使MC35進(jìn)入“通話”狀態(tài)，同時(shí)把水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制碼從P1口輸出給DTMF發(fā)生器UM91210，UM91210隨即根據(jù)控制碼從TONE端輸出相對(duì)應(yīng)的雙音多頻信號(hào)，GSM模塊MC35的MIC+(話筒輸入)端接收該信號(hào)并通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)往主機(jī)。水位數(shù)據(jù)由5位10進(jìn)制數(shù)組成，P1口每送一次控制碼，只完成1位(10進(jìn)制數(shù))的上傳，P1口連續(xù)多次給出控制碼，即可完成整組數(shù)據(jù)的上傳。
4 監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)主機(jī)構(gòu)成原理
如圖4所示，主要由GSM模塊MC35、DTMF信號(hào)解碼器MT8870、單片機(jī)AT89S51、顯示模塊、PC機(jī)等部分組成。
當(dāng)MC35收到子機(jī)發(fā)來(lái)的短信(水位數(shù)據(jù))時(shí)，從其串行口TXD輸出至帶RS 232接口的PC機(jī)，PC機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示、報(bào)表等功能。
當(dāng)主機(jī)需要向子機(jī)發(fā)送指令時(shí)，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊PC屏幕軟按鈕，PC機(jī)則按照規(guī)定的格式組成包含指令內(nèi)容的AT指令數(shù)據(jù)包，通過(guò)RS 232接口向MC35串口RXD端送出，MC35接收后即向子機(jī)發(fā)送指令短信，完成了指令下傳的工作。
當(dāng)主機(jī)需要以“撥號(hào)”方式呼叫子機(jī)時(shí)，可由PC機(jī)鍵盤(pán)輸入子機(jī)的“電話號(hào)碼”，然后點(diǎn)擊“撥號(hào)”按鈕(電話號(hào)碼也可以事先設(shè)定)，則PC機(jī)由USB口經(jīng)“USB轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器”向MC35的串口RXD端寫(xiě)入一條相應(yīng)的AT指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)子機(jī)的撥號(hào)呼叫；稍后，MC35就會(huì)收到從子機(jī)送來(lái)的DTMF信號(hào)，該信號(hào)從喇叭接口SP+端輸出，送入DTMF信號(hào)解碼器MT8870的IN-端，MT8870正確解碼后，在Q0，Q1，Q2，Q3端輸出4 b相應(yīng)的二進(jìn)制碼，同時(shí)STD端會(huì)輸出一個(gè)正脈沖，單片機(jī)P1．4端檢測(cè)到該脈沖，P1．0～P1．3即讀取二進(jìn)制碼。水位數(shù)據(jù)(包括結(jié)束符*)由若干位組成，因此MT8870的解碼、單片機(jī)的讀取須經(jīng)幾次，直到讀到“*”號(hào)才完成一組完整數(shù)據(jù)的讀取，然后單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后送LED顯示器，同時(shí)由串口TXD端經(jīng)USB-232轉(zhuǎn)換器送PC機(jī)。
5 AT指令及DTMF信號(hào)傳送數(shù)據(jù)原理
5．1 AT指令
對(duì)于MC35，只要按規(guī)定從其串口輸入AT指令，就能執(zhí)行相應(yīng)的功能。本文中涉及到的有關(guān)AT指令如表1所示。
以上指令中0D是回車(chē)符的ASCII碼，1A是替補(bǔ)的ASCII碼，其余所有字符、數(shù)字均需轉(zhuǎn)換為ASCII碼后輸入MC35串口。
5．2 DTMF信號(hào)傳送數(shù)據(jù)原理
雙音多頻信號(hào)(DTMF)是一種由2個(gè)音頻混合組成的信號(hào)，所使用的音頻共有16個(gè)頻率，分別稱(chēng)為高頻群和低頻群，各取其一個(gè)混合后來(lái)代表“0，1，2，…，9，A，B，C，D，*，#”等16個(gè)字符，其標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。由于其頻率落在音頻的主頻帶內(nèi)，因此可以通過(guò)電信網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)通道傳輸，穩(wěn)定性、可靠性極高，抗干擾能力極強(qiáng)，且配套電路簡(jiǎn)單，因而得到廣泛應(yīng)用。
本文使用UM91210來(lái)產(chǎn)生DTMF信號(hào)，該芯片是用于電話機(jī)的一種撥號(hào)芯片，價(jià)格十分便宜而性能非常穩(wěn)定，其設(shè)有“行線”R1，R2，R3，R4和“列線”C1，C2，C3，C4，使用行列線可組成4×4的矩陣鍵盤(pán)(電話機(jī)鍵盤(pán))，可輸入表2中規(guī)定的16個(gè)字符，當(dāng)有字符鍵按下時(shí)，若使HK端為低電平，則在TONE端會(huì)輸出相應(yīng)的雙音頻。圖3中，使用單片機(jī)的P1口線來(lái)控制UM91210產(chǎn)生DTMF信號(hào)，P1口的控制碼與UM91210所發(fā)送的DTMF信號(hào)以及所代表的字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3示。
在接收端(見(jiàn)圖4)，MT8870是專(zhuān)用于DTMF信號(hào)解碼的芯片，當(dāng)MC35收到子機(jī)發(fā)來(lái)的DTMF信號(hào)并送入MT8870的IN-端時(shí)，MT8870將DTMF信號(hào)還原成二進(jìn)制碼，從Q0，Q1，Q2，Q3端輸出，輸出的二進(jìn)制碼與數(shù)字或符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。
6 模／數(shù)轉(zhuǎn)換原理
本文使用4位半雙積分A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135，精度高、價(jià)廉，轉(zhuǎn)換速度較低(2～4次／s)。本應(yīng)用中，該器件的使用方法與常規(guī)不同，如圖3所示，單片機(jī)的P3．4(T0)提供積分器所需的時(shí)鐘脈沖clock，在BUSY為高電平期間，與門(mén)開(kāi)放，單片機(jī)的P3．3(INT1)對(duì)該clock計(jì)數(shù)，根據(jù)該計(jì)數(shù)值即可計(jì)算被測(cè)電壓ui。原理如下：
根據(jù)雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的工作原理，第一階段對(duì)被測(cè)電壓ui進(jìn)行定時(shí)積分，其定時(shí)時(shí)間固定為：
T1=n1×Tc (1)
第二階段對(duì)參考電壓UREF進(jìn)行定壓積分，積分時(shí)間為：
T2=n2×Tc (2)
式中：Tc是clock時(shí)鐘的周期；n1是第一階段積分期間內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，本器件已知為20 000；n2是第2階段積分期間內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。設(shè)在積分期間被積分電壓為恒值，可以推得：
對(duì)于ICL7135，在積分(包括1，2兩個(gè)階段)期間，其“BUSY”端輸出高電平信號(hào)，圖3中，單片機(jī)在BUSY=1期間對(duì)clock計(jì)數(shù)，因此該計(jì)數(shù)值為n1+n2，而已知“n1=20 000”，所以“n2=單片機(jī)計(jì)數(shù)值-20 000”，于是根據(jù)式(4)可算得被測(cè)電壓ui。該方法電路連接簡(jiǎn)單且編程亦較簡(jiǎn)單。
7 結(jié)語(yǔ)
水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與采集的內(nèi)容涉及江河水位、水庫(kù)水位、雨量甚至氣溫、風(fēng)力風(fēng)向等方面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散性大、數(shù)量多、地理環(huán)境差，若自建微波等無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，致使設(shè)備復(fù)雜、工程投入大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。近年移動(dòng)通信業(yè)務(wù)以及微電腦技術(shù)的迅速發(fā)展，可以很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)上的不足，本文是基于移動(dòng)通信平臺(tái)的一種設(shè)計(jì)實(shí)例，實(shí)驗(yàn)表明費(fèi)用低、可靠性高，具有較實(shí)用意義，可推廣應(yīng)用于相類(lèi)似的其他領(lǐng)域。