基于GSM短信息的灌区明渠测流系统

1、引言
　　随着灌区管理体制的深化，对渠道流量进行准确计量， 按量收费是必由之路。 由于灌区地域广、渠系复杂、测点众多、分布稀散、通讯不便使得我国大多数灌区目前仍采用人工测量的方法。这种方法费工费时，测量精度低。近几年来，采用电话、光缆、超短波、无线扩频技术、卫星通讯等手段进行明渠的自动化测流有所发展，但采用该测流方法投资昂贵、设备利用率低而无法大面积推广，所以目前仅有少数大型灌区采用这种测流 方法。
　　明渠测流自动化由于受通讯、电力、地理环境等因素的影响，尤其是通讯问题已成为实现整个灌区自动化测流的瓶颈。本文利用GSM（Global System Mobile Communication）公网，采用SMS（Short Message Service）服务，实现明渠众多流量测点上的数据采集与传输。? 
 
2、系统组成
　　本系统由数据采集仪、GSM通讯公众网络和数据控制中心组成，如图1所示，本文只对采集仪部分加以详细介绍。 数据采集仪安装在渠系测流设施上，可实现对流量的瞬时采集，由于流量对实时特性要求不很严格，可把多次采集数据打包一次传输，数据包通过GSM网络以SMS的方式传送到控制中心，由控制中心实行水费结算、报表打印、通讯服务等，同时也可以对灌区进行宏观调控，以最大可能提高灌区运行的经济效益。 

3、测流仪（RTU）硬件电路设计
　　测流仪（RTU）部分由CPU（ATC89C2051）、水位传感器、A/D转换芯片（ADS7824）、GSM模块（西门子TC35）、实时时钟（DS1302）、存储芯片（AT24C256）、看门狗监控芯片（MAX8 13L）、16键键盘、5位LED显示以及太阳能供电系统构成, 其结构如图2所示。 
      3.1西门子TC35模块
　　TC35［1］是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统数据、语音传输、短消息服务（Short Message Service）和传真。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成（见图3）。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接单片机、SIM卡卡座和天线。
      3.2数据存储器EEPRAM
　　由于流量采集不需要严格的实时传输，单位时间的数据量少，这就很有必要把多次采集的数据（包括时间）组合打包一次传输，加之有时GSM网络阻塞，可能会导致数据传输失败，因此采用掉电记忆存储器把数据暂时存储起来很有必要，这样不但节约运行成本而且提高系统的可靠性。本系统采用ATMEL公司的AT24C256芯片，其容量为32K，以页的方式存储，采用串行的方式与CPU进行动态数据交换。
3.3实时时钟
　　对短时间计时可采用单片机CPU完成，但如果要记录长时间采用单片机CPU会使整个系统效率降低，而且一旦单片机复位必须重新设定时间，很难满足无人职守的要求，本系统采用DALLAS公司专用计时芯片DS1302，可实时输出秒、分、时、日、月和年，可最多记100年，采用正常供电源和电池供电热备，保证计时永不中断，以串行方式向CPU提供实时时间。
3.4A/D转换器
　　A/D芯片对整个系统的精度起着关键作用， 由于流量大小变化速度一般不会太大，因而选择芯片时无需考虑转换速度，为了提高测流精度需采用高分辨率芯片。本系统采用ADS7824芯片，为4路12位，单电源供电，具有并行串行输出接口，以串行的方式与CPU进行数据交换。 
  
4、软件设计
      4.1程序流程
　　本系统要求能够实现流量采集、分析、存储、通讯传输等功能，其流程图见图4。
　　系统中采用定时采集。由于渠道水深一般变化不大，所以每1分钟采集一次就能够满足要求，每10 min记录一条10次采集量的平均值。如果水位变化较大，则需由系统自动识别并记录。采集数据容量（包括时间）累计超过140字节时，启动GSM模块，为了使数据包的容量小于140字节，把除去最后一个数据外的其它数据发给串口，并由GSM模块发送到控制中心，接收到发送数据成功后，进入下一周期的循环。
      4.2总线接口设计
     本系统中CPU采用ATMEL公司的AT89C2051芯片，而外围设备均采用I2C总线结构，因而需要用普通的I/O接口模拟I2C接口。CLK信号用P1.0口交替置‘1’和清‘0’来实现，为了保证脉冲宽度，在电平跳转之间适当的加以延时。下面程序可实现时序图5所示的过程。
      4.3串口初始化程序设计
　　单片机晶振频率为11.0592 MHz,根据GSM模块的要求，波特率设置为9 600 bps,主要设置程序（以C51为例）如下：
      4.4短消息格式及其AT命令
　　TC35 GSM模块支持ETSI（European Telecommunications Standards Institute） 提出的GSM 07.05标准。定义每个短消息的信息量限制140个8位组（7比特编码）140个英文字节或70个中文字符。如果超过此长度，则要分多次发送，也就是说每个短信息数据包大小容量为140＊8位。本系统中前端数据不是实时上传，这就需要在记录流量大小的同时也记录时间，为了最大可能的节约空间，数据包中首个数据包括详细时间（年、月、日、时、分），其他采用与首个数据时差法计时，单位为分，详见图6所示。
　   根据GSM 07.05的定义，发送和接收SMS信息有3种方式：Block模式、基于AT命令的Text Mode（文本模式）和基于AT命令的PDU（Protocol Description Unit）模式。使用Block模式需要模块生产厂家提供驱动支持；而用于中英文短信息传送应使用PDU模式，只传送英文短信息（纯文本格式）使用Text模式。本系统采用[CM（21]Text模式，通过串行接口（P3.0（RXD）、P3.1（TXD））直接向GSM模块下发AT命令，就可以方便简洁地实现基于GSM的短信息SMS的收发、查寻和管理。下面列出了与SMS相关的一些常用的GSMAT指令。
     采用Text模式发送接收短信息的步骤分为初始化GSM模块、发送文本短信息和接收短信息。下面是以C51语言环境为例说明AT指令用法的部分程序,详细语法见SIEMENS AT Command Set［2］。
5、结束语
　　本文开发出一种明渠自动水流测量系统，并以GSM公网为数据传输平台，将计算机通信技术、网络技术、GSM技术以及自动控制技术集成起来，实现灌区测流和管理的自动化和信息化，这对于传统水利向现代水利发展、提高灌区的经营管理和经济效益、服务社会具有重要意义。? 

参考文献
    ［1］Siemens mobile. TC35/TC37 Hardware Interface Description ［Z］.2001.?
    ［2］Siemens mobile. TC35/TC37 module AT Command Set［Z］.2002.? 
    ［3］徐爱钧. 单片机高级语言c51应用程序设计计［M］.北京：电子工业出版社,2001.7. 
    ［4］杨火灰先,黄烣先.计算机原理及应用［M］.长沙：国防科技大学出版社,2003.3
                                                                         编辑：何世平