0 引言

監(jiān)測收集江河水位漲落情況，并送到相關(guān)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(shù)據(jù)采集尤其是要求頻繁采集時存在困難。目前，移動通信網(wǎng)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(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中利用短信平臺來傳輸非頻繁短數(shù)據(jù)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(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平臺和話務平臺的無線監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡的設(shè)計。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，試驗表明該設(shè)計成本低、可靠性高、實用性強。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成概述

如圖1所示，系統(tǒng)由一個監(jiān)測主機和若干個監(jiān)測點子機構(gòu)成，它們通過移動通信網(wǎng)的短信平臺和話務平臺構(gòu)成信息通道，所依托的移動通信運營商及模式?jīng)]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(shù)據(jù)，定時間隔可智能判斷、自動調(diào)整，遇汛期水位波動大，單片機根據(jù)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(shù)據(jù)傳送間隔或其他功能要求進行設(shè)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(shù)據(jù)以作為互補。

2 水位測量方案

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，通過鋼絲索3以及傳動機構(gòu)帶動精密多圈電位器轉(zhuǎn)動，球體2是平衡球。多圈電位器將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成與水位相對應的電壓值ui，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)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(gòu)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(xiàn)；多圈電位器、4位半雙積分模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135通過圖2裝置將水位變化量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機89S 51的中斷口P3．3，經(jīng)單片機計算處理后，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(shù)據(jù)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(shè)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(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(wǎng)絡發(fā)往主機。水位數(shù)據(jù)由5位10進制數(shù)組成，P1口每送一次控制碼，只完成1位(10進制數(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)測中心監(jiān)測主機構(gòu)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(shù)據(jù))時，從其串行口TXD輸出至帶RS 232接口的PC機，PC機完成數(shù)據(jù)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(nèi)容的AT指令數(shù)據(jù)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(shè)定)，則PC機由USB口經(jīng)“USB轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器”向MC35的串口RXD端寫入一條相應的AT指令，實現(xiàn)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(shù)據(jù)(包括結(jié)束符*)由若干位組成，因此MT8870的解碼、單片機的讀取須經(jīng)幾次，直到讀到“*”號才完成一組完整數(shù)據(jù)的讀取，然后單片機對數(shù)據(jù)處理后送LED顯示器，同時由串口TXD端經(jīng)USB-232轉(zhuǎn)換器送PC機。

5 AT指令及DTMF信號傳送數(shù)據(jù)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(guān)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(shù)字均需轉(zhuǎn)換為ASCII碼后輸入MC35串口。

5．2 DTMF信號傳送數(shù)據(jù)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(nèi)，因此可以通過電信網(wǎng)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(chǎn)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(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(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(chǎn)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(guān)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(shù)字或符號的對應關(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、價廉，轉(zhuǎn)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(shù)，根據(jù)該計數(shù)值即可計算被測電壓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(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，本器件已知為20 000；n2是第2階段積分期間內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值。設(shè)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(shù)，因此該計數(shù)值為n1+n2，而已知“n1=20 000”，所以“n2=單片機計數(shù)值-20 000”，于是根據(jù)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(jié)語

水文數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集的內(nèi)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(shù)量多、地理環(huán)境差，若自建微波等無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，致使設(shè)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(shù)的迅速發(fā)展，可以很好彌補傳統(tǒng)上的不足，本文是基于移動通信平臺的一種設(shè)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(lǐng)域。