0 引言
監(jiān)測收集江河水位漲落情況，并送到相關水文管理部門是水文工作中的一項重要任務，特別是雨季，監(jiān)測工作尤為重要，由于觀測點多、分散性大、距離遠且往往地處偏僻，因此在數據采集尤其是要求頻繁采集時存在困難。目前，移動通信網已十分發(fā)達，信號基本覆蓋了城鄉(xiāng)各地，同時移動通信業(yè)務種類也在不斷推出，包括單向收費、免月租計費、包月包短信等各種套餐。在此形式下，遠程數據監(jiān)測系統中利用短信平臺來傳輸非頻繁短數據成為一種省投資、省運行成本、免維護的很實用的方案。監(jiān)測系統采用嵌入式GSM模塊，集成數據采集等電路完成基于短信服務平臺和話務平臺的無線監(jiān)測傳輸網絡的設計。它有2種方式：短信方式傳送數據和雙音多頻(DTMF)方式，兩者可互補，試驗表明該設計成本低、可靠性高、實用性強。
1 監(jiān)測系統組成概述
如圖1所示，系統由一個監(jiān)測主機和若干個監(jiān)測點子機構成，它們通過移動通信網的短信平臺和話務平臺構成信息通道，所依托的移動通信運營商及模式沒有限制。在通常情況下，各測點用短信方式定時向監(jiān)測中心傳送水位實時監(jiān)測數據，定時間隔可智能判斷、自動調整，遇汛期水位波動大，單片機根據水位的變化速率給出定時間隔，這在洪水季節(jié)水位波動大時十分必要。監(jiān)測中心也可以用短信方式向某子機發(fā)出指令，對子機的數據傳送間隔或其他功能要求進行設置。如遇短信通道擁擠、堵塞，或有特別需求，監(jiān)測中心還可用通話方式通過“撥號呼叫”接通監(jiān)測點話路，然后監(jiān)測點用DTMF信號來傳送數據以作為互補。
2 水位測量方案
采用“浮球法”將水位增量轉為電壓值：基本結構如圖2所示，浮球1跟隨水位漲落而上下移動，通過鋼絲索3以及傳動機構帶動精密多圈電位器轉動，球體2是平衡球。多圈電位器將+5 V電壓轉換成與水位相對應的電壓值ui，再經A／D轉換成數字量，由單片機檢測、計算。為消除風浪所造成的水面波動，“浮球法”必須建造豎井，將浮球置于井中以使水面平穩(wěn)。
3 測點監(jiān)測子機構成原理
如圖3所示，主要由嵌入式GSM模塊MC35、DTMF信號發(fā)生器UM91210、單片機AT89S51、水位變換測量模塊、顯示模塊等部分組成。
MC-35是西門子公司出品的移動通信模塊，具有短信收發(fā)、撥號呼出、全雙工語音通信等功能，各項功能均由一個異步串行通信接口接收來自單片機或PC機的AT指令而實現；多圈電位器、4位半雙積分模／數轉換器ICL7135通過圖2裝置將水位變化量轉換成數字量送給單片機89S 51的中斷口P3．3，經單片機計算處理后，一方送LED串行顯示模塊；若需要上傳數據另一方面按照規(guī)定的格式組成AT指令數據包，由單片機的串口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。
一般情況下，水位數據以智能定時方式主動上傳，但主機也可以向子機發(fā)短信指令要求上傳或設定定時間隔等，MC35收到來自主機的短信，從串口TXD輸出．單片機的RXD接收后即執(zhí)行相應功能。
如遇短信信道堵塞，主機還可以向子機“撥號”呼叫，這時子機RINGO端會輸出振鈴信號，該信號周期為低1S高4S，單片機的INT0(P3.2)端檢測到這一信號即通過串口向MC35寫入一條“接收電話”的AT指令，使MC35進入“通話”狀態(tài)，同時把水位數據轉換為控制碼從P1口輸出給DTMF發(fā)生器UM91210，UM91210隨即根據控制碼從TONE端輸出相對應的雙音多頻信號，GSM模塊MC35的MIC+(話筒輸入)端接收該信號并通過移動通信網絡發(fā)往主機。水位數據由5位10進制數組成，P1口每送一次控制碼，只完成1位(10進制數)的上傳，P1口連續(xù)多次給出控制碼，即可完成整組數據的上傳。
4 監(jiān)測中心監(jiān)測主機構成原理
如圖4所示，主要由GSM模塊MC35、DTMF信號解碼器MT8870、單片機AT89S51、顯示模塊、PC機等部分組成。
當MC35收到子機發(fā)來的短信(水位數據)時，從其串行口TXD輸出至帶RS 232接口的PC機，PC機完成數據處理、存儲、顯示、報表等功能。
當主機需要向子機發(fā)送指令時，使用鼠標點擊PC屏幕軟按鈕，PC機則按照規(guī)定的格式組成包含指令內容的AT指令數據包，通過RS 232接口向MC35串口RXD端送出，MC35接收后即向子機發(fā)送指令短信，完成了指令下傳的工作。
當主機需要以“撥號”方式呼叫子機時，可由PC機鍵盤輸入子機的“電話號碼”，然后點擊“撥號”按鈕(電話號碼也可以事先設定)，則PC機由USB口經“USB轉232轉換器”向MC35的串口RXD端寫入一條相應的AT指令，實現了對子機的撥號呼叫；稍后，MC35就會收到從子機送來的DTMF信號，該信號從喇叭接口SP+端輸出，送入DTMF信號解碼器MT8870的IN-端，MT8870正確解碼后，在Q0，Q1，Q2，Q3端輸出4 b相應的二進制碼，同時STD端會輸出一個正脈沖，單片機P1．4端檢測到該脈沖，P1．0～P1．3即讀取二進制碼。水位數據(包括結束符*)由若干位組成，因此MT8870的解碼、單片機的讀取須經幾次，直到讀到“*”號才完成一組完整數據的讀取，然后單片機對數據處理后送LED顯示器，同時由串口TXD端經USB-232轉換器送PC機。
5 AT指令及DTMF信號傳送數據原理
5．1 AT指令
對于MC35，只要按規(guī)定從其串口輸入AT指令，就能執(zhí)行相應的功能。本文中涉及到的有關AT指令如表1所示。
以上指令中0D是回車符的ASCII碼，1A是替補的ASCII碼，其余所有字符、數字均需轉換為ASCII碼后輸入MC35串口。
5．2 DTMF信號傳送數據原理
雙音多頻信號(DTMF)是一種由2個音頻混合組成的信號，所使用的音頻共有16個頻率，分別稱為高頻群和低頻群，各取其一個混合后來代表“0，1，2，…，9，A，B，C，D，*，#”等16個字符，其標準如表2所示。由于其頻率落在音頻的主頻帶內，因此可以通過電信網絡的話務通道傳輸，穩(wěn)定性、可靠性極高，抗干擾能力極強，且配套電路簡單，因而得到廣泛應用。
本文使用UM91210來產生DTMF信號，該芯片是用于電話機的一種撥號芯片，價格十分便宜而性能非常穩(wěn)定，其設有“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(電話機鍵盤)，可輸入表2中規(guī)定的16個字符，當有字符鍵按下時，若使HK端為低電平，則在TONE端會輸出相應的雙音頻。圖3中，使用單片機的P1口線來控制UM91210產生DTMF信號，P1口的控制碼與UM91210所發(fā)送的DTMF信號以及所代表的字符的對應關系如表3示。
在接收端(見圖4)，MT8870是專用于DTMF信號解碼的芯片，當MC35收到子機發(fā)來的DTMF信號并送入MT8870的IN-端時，MT8870將DTMF信號還原成二進制碼，從Q0，Q1，Q2，Q3端輸出，輸出的二進制碼與數字或符號的對應關系如表4所示。
6 模／數轉換原理
本文使用4位半雙積分A／D轉換器ICL7135，精度高、價廉，轉換速度較低(2～4次／s)。本應用中，該器件的使用方法與常規(guī)不同，如圖3所示，單片機的P3．4(T0)提供積分器所需的時鐘脈沖clock，在BUSY為高電平期間，與門開放，單片機的P3．3(INT1)對該clock計數，根據該計數值即可計算被測電壓ui。原理如下：
根據雙積分型A／D轉換器的工作原理，第一階段對被測電壓ui進行定時積分，其定時時間固定為：
T1=n1×Tc (1)
第二階段對參考電壓UREF進行定壓積分，積分時間為：
T2=n2×Tc (2)
式中：Tc是clock時鐘的周期；n1是第一階段積分期間內部計數器的計數值，本器件已知為20 000；n2是第2階段積分期間內部計數器的計數值。設在積分期間被積分電壓為恒值，可以推得：
對于ICL7135，在積分(包括1，2兩個階段)期間，其“BUSY”端輸出高電平信號，圖3中，單片機在BUSY=1期間對clock計數，因此該計數值為n1+n2，而已知“n1=20 000”，所以“n2=單片機計數值-20 000”，于是根據式(4)可算得被測電壓ui。該方法電路連接簡單且編程亦較簡單。
7 結語
水文數據監(jiān)測與采集的內容涉及江河水位、水庫水位、雨量甚至氣溫、風力風向等方面，監(jiān)測點分散性大、數量多、地理環(huán)境差，若自建微波等無線通信網絡實現數據傳送，致使設備復雜、工程投入大，運行維護費用高。近年移動通信業(yè)務以及微電腦技術的迅速發(fā)展，可以很好彌補傳統上的不足，本文是基于移動通信平臺的一種設計實例，實驗表明費用低、可靠性高，具有較實用意義，可推廣應用于相類似的其他領域。