关键词：远程数据传输;自动测量;数据采集;无线通讯
1 引言
目前，我国有二线防洪大堤约30万公里，中小型水库30万座，大中型排涝泵站2000座。由于仪器技术、设备价格、经费等瓶颈因素制约，导致防洪排涝调度所需垸内调蓄湖泊、河网渠系和中小型水库等水文信息少而滞后。采用投入式水位测量、数据编码无线变送、时序分址接收方案以及利用GSM系统中短信息传输平台，结合网络数据库，我们研发了远程多点水位全自动测量系统，并成功应用于湖南省洞庭湖区防洪排涝调度实时水文数据采集系统中，实现了大面积水文数据网络化实时采集。
2 系统总体结构及各部分功能
系统总体框图如图1所示，整个系统由测量现场、测量前端、监测中心三部分组成。测量现场分布在水域的上、下游各处，采集水位等数据，通过工业应用315MHz信道，以同频时序分址编码方式发送给测量前端。测量前端分布于各水域观测站，实现多点接收，存储测量现场水位信息，并以LED实时数显，同时将数据按一定方式编码，按照短信息格式进行封装，经GSM模块发送给监测中心，接收监测中心的指令，修改自身工作参数。监测中心可以设置测量前端工作模式、相关初始化参数，获得测量前端工作状态，接收测量前端短信息数据，提取测量现场采集水位数据，将水位数据记录在网络数据库中，能够查询、统计、分析处理，打印相关报表。
图1 远程水位自动测量系统总体框图
3 设计及实现
3.1 测量现场功能实现。测量前端方框图如图2所示：
图2 测量现场方框图
3.1.1 水位信号获得与处理
投入式水压变送器利用压力换算方式测量水位。本系统采用MPX2100扩散硅力敏压阻器件，MPX2100带有温度补偿特性,具有良好线性度,输出电压与所加压力成精确正比例关系, MPX2100完成水位压力转换成毫伏级差模电压信号。因信号调理与输出需要，用XTR115芯片，将MPX2100输出毫伏级电压经运算放大成1-5v标准信号电压。因ASK调制方式发送需要, 该电压须进行A/D转换,本系统是通过LM331芯片完成A/D（V/F）转换的,将1-5v水位电压变成1-5kHz频率信号。
3.1.2水位数据编码发送
编码发射主要由PT2262编码IC和高频调制、功率放大电路组成，如图2所示。PT2262是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编码电路，有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平），任意组合可提531441地址码，PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚，设定地址码和数据码从17脚串行输出。编码芯片PT2262 发出编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整码字,与此同时相应数据脚也输出高电平，其第17 脚输出经调制串行数据信号，当17脚为高电平期间，315MHz高频发射电路起振，并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间，315MHz高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100%调幅。编码发射模块有效作用距离在室外可达3～4km，如果需要，还可在其与测量现场之间加中继器，通信距离将成倍增加。
3.2 测量前端功能实现。测量前端方框图如图3所示：
图3 测量前端方框图
3.2.1 解码接收
PT2272采用双列18 条引线，其中A0～A5：加密地址编码输出端，与PT2262 中A0～A5 状态相同。D0～D5：控制数据输出端，为六位二进制数码，锁存输出。VT:译码有效指示端，当译码有效时，VT 端由低电平变为高电平。当接收到315MHz无线电信号时，它要先进行两次核对，如果本地址与发射电路地址编码相一致，便在解码指示端VT 输出为1，同时将发射电路2262 的数据输出端D0～D2数据并行地输出在2272 的D0～D2 端，实现译码输出。接收解调模块和单片机STC89C52接在一起组成多点对一点的开放式接收系统，对各测量点信号进行地址和数据码分离（解码）后，再将多路数据打包送给GSM模块，GSM模块将数据以短信息形式远程传送。
3.2.2 无线数显
接收测量现场发射315MHz信号，经解码后的串行脉冲送至STC89C52单片机，以计频方式由STC89C52单片机读取数据进行处理后显示，为方便将被测点水位换成海拔高度, 无线智能数显表盘前面设有读数初始值与满幅量程设定键, 以便随机设定。
3.2.3 短信息发送和接收
本系统采用DTR2006 GSM模块来实现远程数据传输，该模块提供RS232/RS485/TTL等多种数据接口，使用基于GSM网短信服务，稳定、安全、可靠。因测量工作需要，要求每次发送短信息给监控中心时，在短信息中附加数据采集实时时间，为此我们在设计中加入了标准时间发生器，采用了工业级高精度实时时钟芯片SD2203AP，该芯片具有内置晶振、支持I2C总线、年误差小于2.5 分钟。
4 监测中心功能实现
4.1 短信息编解码
DTR2006 GSM模块工作模式有主站和从站之分，监测中心GSM模块应设置为主站，测量前端GSM模块应设置为从站。其短信息发送和接收格式规定如下：
Fn + NUM + DCS + UDL + UD + 03
（1）Fn n为电话号码长度（1 Byte），通常为“00001011”。
（2）NUM 电话号码（接收方号码）（1-8 Byte）。
（3）DCS编码方式（1 Byte） 00: 7-Bit ASCII code;04: 8-Bit byte;08:UNICODE码。
（4）UDL数据长度（1 Byte） 取值范围：01～8cH。
（5）UD数据 （1-140 Byte），数据编码格式:采集时间（年、月、日、时、分共5 Byte）+测量现场编号（1 Byte）+ 水位数据（压力值，2 Byte）+测量现场编号（1 Byte）+ 水位数据（压力值，2 Byte）+ …。
（6）03结束标志（1 Byte）。
4.2 水位数据存储
考虑到本系统采集数据量大，对数据库性能要求较高，且历史数据有很大保留价值，所以选用了大型网络数据库系统Oracle9i，配备一台专用数据库服务器，监控中心计算机通过中心所在局域网络连接数据库服务器，完成水位数据存取。业务建库标准采用国家防汛指挥系统工程《防洪工程数据库设计报告》，实时雨水情数据库标准采用国家防汛指挥系统工程《实时水雨情库表结构》。对没有国家或行业标准但是使用频繁，数据量多的字段或经常需要进行排序、统计的字段，定义本系统内统一代码编制规则和代码表。
4.3 应用软件设计
我们使用VC++开发了监测中心所需应用软件，采用Windows标准图形用户界面，主要功能模块有：参数设置、权限设置、查询统计、报表输出、自动报警等功能。限于篇幅，此部分介绍从略。
5、结束语
本系统采用基于无线和短信息平台的远程数据采集方案，具有技术先进、准确度高、自动化程度高、造价低、安装方便、使用简单、适应于野外恶劣环境等优点。该系统经湖南省计量检测研究院检定，系统综合测量精度达1‰,在法定的无线发射功率下，有效传输距离可达2km，产品经湖南省洞庭湖区多个排涝泵站使用，效果良好。
本文作者创新点：
1、为降低工程造价，数据采集现场与测量前端间采用无线连接，数据与指令用短信远程自动传输方案。
2、为普及应用，测量前端采用无需计算机（PC）支持，全无人值守。
3、为减少投入，数据前端可多位置无线接收、数字显示，安装使用极为方便。
4、为实现系统经济运行：A、多组数据采用捆绑打包发送;B.数据采集时间间隔可由监测中心设定。
参考文献：
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