基于AVR和无线技术的远程水情监控系统

摘要：设计了一种基于AVR和无线技术的水情监控系统，简要介绍了监控系统的各个组成部分的功能要求、设计要求以及关键设备硬件设计。采用先进的科学技术实现对水情数据的监测、远程实时传输及整编处理，是实现水资源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自动化管理水平的有效手段。本系统具有硬件电路简单可靠，数据采集准确便捷，对水情监测提供了帮助。
关键词：水情监控；无线技术；AVR单片机；雨量计

    为了提高我国水资源的管理水平，更好地监控水利工程的安全运行，最大限度地合理利用水资源，提高水资源的利用率，充分发挥工程效益，兴建该监控自动化系统，可有效地改善管理人员的工作条件和减轻其劳动强度。远程水情监控系统采用先进的科学技术实现对水情数据的监测、远程实时传输及整编处理，是实现水资源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自动化管理水平的有效手段。针对我国水资源自动
化监控系统的发展现状和前景，与时俱进，基于无线通信方式，设计了适用于水利工程的无线分布式监控系统。

1 系统需求分析
    该系统的设计旨在为各个水利部门在实施水利管理和调度提供有力的决策和参考依据，最终达到充分合理的利用现有水资源和防洪抗旱的目的。要实现系统的全程自动化，主要包括以下几个方面：
    1)数据采集自动化：能够通过设计合适的工作机制，实现水利部门需要的各项数据的自动采集，并按照一定的方式存储；
    2)数据处理自动化：采集到的数据能够按照事先设置的方式由系统自动转化为特定的形式并完成存储；
    3)控制自动化：能够根据上位机发来的闸门控制命令，自动的控制闸门完成水位调节，直至达到开度值为止。

2 系统关键设备的功能要求
    系统总体由硬件和软件构成，硬件方面包括现场测控模块、监控终端和监控计算机等。软件方面主要是指信息管理系统、水资源调度系统、辅助决策系统以及配合硬件部分实现功能的软件等。系统中的关键设备为测控模块和监控终端，下面就它们的功能要求介绍如下。
2．1 现场测控模块
    随着传感器技术逐步走向智能化，其内部的硬件功能更加强大。自带的微处理器可以直接把采集到的数据参量转化为可用于传输的数字化信号，同时存贮于微处理器内部。目前水文数据的自动观测已经实现，水文站也改为以无人值守、巡测方式为主的工作方式，实现了信息从采集至传输的全程自动化。
    现场测控模块包括传感器、单片机、控制电路和无线传输模块组成。该单元的具体功能如下：
    1)数据采集：用于数据采集的传感器将安设于观测场的适当位置，根据设定的观测参数，定时或按指令完成监测点信息的测量，同时将采集到的信号连接至单片机的信号处理接口，同时整个采集过程必须控制在20 min以内。
    2)设备控制：接收监控终端发来的控制命令，执行相应的操作。
    3)数据传送：根据监控终端发出的指令，将传感器采集到的数据依据相应的通信协议，传送到终端节点。
2．2 监控终端
    监控终端作为系统的脊梁，在实现硬件设计的同时，按照本系统设计的通信方案，完成现场测控模块的数据采集和闸门的启闭控制。经过处理的数据，每隔一定的时间间隔，通过GPRS移动通信网络传输到上位机，保证与上位机间的双向通讯。主要技术指标包括以下几个方面：
    1)实时监测：对于闸位值实时巡测，指定监控点降雨量监测；
    2)实时控制：能按照当前的运行控制方式和预定的决策参数进行控制调节，以满足闸门的实时控制要求。
    3)信号采集处理：负责识别各个从节点上传的数据，并将其临时存贮。同时进行水位检查，如果当前水位超限，进行信息上报；
    4)数据显示：实现监控终端的LCD显示屏，能显示所采集到的信息以及设备状态；
    5)电源管理：对于蓄电池供电的节点，为保证系统运行，值守状态下，不进行任何操作的电路应处于休眠状态，除实时钟部件和低功耗纸板电路；
    6)数据通信：与上位机进行连接，获取各种命令，定时与测控节点进行通信，实现命令的发布和获取命令的响应信息。

3 系统设计总原则
    原型观测是把握系统运行性态、安全系数的主要手段，同时可以检验系统设计的合理性和控制水情变化在可操作范围之内。本系统借助自动化控制技术实现系统的远程监控，更加实时、精确、有效地评估水资源的管理状况。系统的设计原则如下：
    1)可靠性原则
    监控系统中，各测控点数据实时有效的采集，监控终端收集数据并可以准确地发布控制指令无疑是系统的核心，这就要求系统硬件具有可靠性较高的数据采集和控制能力，并采用有效的通讯方式，系统软件必须可以及时准确的对数据进行分析处理。我们在终端与测控单元的通信系统中选用了半双工无线通信模块作为网络的物理层结构，自主开发了适宜于数据传输的通信协议，实现了一站多点测试功能。
    2)低功耗原则
    考虑监控系统野外使用环境，测控节点的能耗必须尽量减少。由于水情信息大部分属于慢变化类型，传输的数据量又很少，而通信设备往往耗电很大，故可以仅当需要其工作时才予以供电，工作结束后立即切断电源。因此测控模块应具备休眠功能设计，在不采集数据和通信时可以下电，尽量降低测控模块的功耗。
    3)可扩展性原则
    为实现系统灵活扩展性应采用模块化设计方法，复杂的功能依靠若干模块的组合来完成，每个模块仅具有简单的功能。传感器接口和通信接口扩展能力是最主要的两个指标，可以通过增加串行接口实现。在具体设计电路时也应该留有余地，便于以后修改。
    4)经济性原则
    在满足功能需求的前提下，系统越简单，价格也越便宜。一个好的测控模块或监控终端在经济上一定要是最合理的，而不一定是最先进最复杂的。因此设计时要考虑性价比，功能模板的MCU应选用通用型号以满足经济性的要求，元器件的选型也应兼顾可靠性同时兼顾经济性。

4 系统结构总体设计
    考虑到系统的工作环境以及用于采集水位、雨量和闸位等信息的传感器距离都不远，容易置于同一无线节点的辐射区域内。因此从实际应用出发，系统采用点对多点的系统结构。系统由3部分组成：上位机、监控终端(主节点)和现场测控模块(从节点)。系统基本组成如图1所示。

    上位机负责连接各个监控终端，并将由管理员设置的各种采集命令转化为监控终端可以接受的形式发送至监控终端，并能识别由监控终端传来的响应信号，如果是数据，将数据发送给入库处理部分；如果是响应报文，就将其传送给界面处理部分。同时该部分还需要记录操作日志，对管理员进行的各项操作以及采集过程中发生的各种异常事件进行记录，供管理员以后查询。
    监控终端主要负责定时与中心站进行连接，并能识别其传来的各种命令，根据命令进行响应操作。如果是数据采集命令，将数据封装成规定格式，发送给上位机；如果是操作命令，就进行相应操作，在操作完成之后，并将操作的结果返回给上位机。
    测控模块负责识别各类传感器的信号，采集并将其转换为系统所需要的数据形式，并能临时存储。同时根据本系统设计的通信协议，接收监控终端发来的命令，完成数据传输或闸门电路启闭控制。

5 系统关键设备的硬件设计
    本系统是软硬件的综合体，设计中注重软硬件的功能分配。系统中的关键设备是指现场测控模块(从节点)和监控终端(主节点)，主要包含数据采集单元、闸门控制电路、电源、无线收发单元以及其它外围电路。系统采用分层的设计结构，底层控制电路由AVR单片机负责，主要实现对从节点以及闸门启闭电路的控制，并负责与上位机进行通讯。根据各部分的功能要求。
5．1 从节点硬件设计
    从节点主要包括4个部分：数据采集单元(传感器)、控制单元(继电器电路)、数据传输单元(SI4431PA)和实时时钟，如图2所示。

5．1．1 数据采集单元
    传感器作为信息采集的主力军，担任着对水情和闸位多方面的参数测量。主要的传感器有水位计、雨量计和闸位传感器。测点的环境一般情况下很恶劣，传感器会被暴露在水中或大气中，因此必须能够有很强的环境适应能力和易维护特性。
    1)雨量传感器
    系统选用DY1090A型翻斗式雨量计，主要由简身、底座和内部翻斗3部分构成。雨量分辨率为1 mm，测量准确度为±3％，触点接触次数可达107次。工作原理为：降水进入筒身上部的承雨口首先经过防虫网过滤并清除污物，接着进入翻斗。当翻斗内的水量达到规定量时，翻斗立即自行翻转。在翻斗翻转过程中，磁钢和干簧管会发生相对运动，从而使得干簧管接点处的状态改变，输出电信号。输出的是干簧管机械接触的通断状态，接出的两根连接线组成开关量输出。干簧管通断信号一次代表翻斗翻转一次，即代表一个分辨率的雨量。雨量传感器本身输出为开关信号，连接至单片的引脚，利用计数器统计低电平次数，当然在每次读取后应及时复位该芯片。翻斗式雨量计本身是无需电源供电便能工作的，由于在使用时要产生、处理和接收信号，因此仍需外部电源，但是可以跟系统其它设备共用电源。
    2)水位／闸位传感器
    进行水位自动测量时，传统的用于人工观读的水尺和浮子式自记水位计已不能胜任，因为它们的水位输出不能接入自动化测量设备。现有的遥测水位计的感应方式主要有浮子式、压力式或是非接触式等。本系统选用南京水利水文自动化研究所研制的WFH-2型水位传感器。WFH-2型水位计水位分辨率为1 cm，结构简单、精度高、稳定性同时价格较便宜，更重要的是它是无源的，不易受外界干扰，无掉电、雷击危险，长期准确运行时不需要特别的维护。其工作原理是：在水位测站水位计井台的测井中，安装一个浮子，作为水位感测元件。水位发生变化时，浮子灵敏地响应水位变化并作相应的涨落运动，同时把此水位涨落的直线运动借助悬索传递给水位轮，使水位轮产生圆周运动，并准确地将直线位移换为相应的角位移量。水位轮枢轴就是轴角编码器输入轴，因此，当水位旋转的同时，轴角编码器已将水位模拟量A转换，并编码成相应的数字编码D。
5．1．2 单片机
    单片机作为节点内部的控制中心，主要负责节点的数据采集以及闸门启闭控制。因此，MCU必须考虑指令执行速度、功率消耗、强大的外围电路和可用存储空间等因素。
    综合节点设计要求，对于MCU的主要要求为：1)由于系统是建立是实时采集的基础上，因此对于单片机的处理速度要求比较高；2)系统采用周期性休眠唤醒的工作调度方式，而大部分时间来讲，节点是处于休眠状态的，因此对于睡眠模式的功耗尽量要低；3)节点供电方式为蓄电池供电，因此芯片功耗应尽可能低。
    本系统选用Atmega169L，电源管理方面，Atmega169L采用3．3 V供电电压，已具备基本低功耗要求，对于典型功耗情况，WDT关闭时为100hA，适用于电池供电的应用设备。Atmega169L单片机以时钟周期为指令周期，16 MHz时性能可达16MIPS。单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写)；片内集成多种功能电路，电路设计非常简单；单片机具有休眠省电功能(POWERDOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能，一般耗电在1～2．5 mA，电源抗干扰性强，可降低一般8位机中软件抗干扰的设计工作量和硬件的使用量。本系统主要用到功能包括SPI、USART、中断、定时器／计数器等。
5．2 主节点硬件设计
    监控终端针对分布距离远且分散的系统，承载着数据接收、存储和通信控制等任务。传感器输出的信号转化为数字量经无线收发模块发送后，进入监控终端MCU的数字量输入口。其主要由AVR微处理器、无线收发模块、GPRS模块、显示模块、时钟模块等构成，由无线收发模块采集到各监测点的无线电信号后，输送到AVR微处理器转化成数字信息，经GPRS模块发射到监控中心；监控中心发来的控制信号由GPRS模块接收，传送到AVR微处理器转化成相应的数字信号，监控终端再将这些命令传送至从节点，完成取数或设备控制的操作。可实现连续不间断地对监控对象实时远程监控，适用于地理环境恶劣、无人值守的监控环境。由于监控终端的功能要求较高，因此在单片机选型上，选择功能更为强大的ATmega1280，总体结构如图3所示。
5．3 人机接口模块
    监控系统中，为方便管理人员查询已经采集到的数据以及检查设备的运行状态，可以通过键盘对终端设备内部的参数、功能等进行快速设置，再加上液晶显示屏的数据显示，体现了人机交互的友好性。
5．3．1 键盘
    系统采用了简单键盘进行时间调整、菜单选择和输入控制参数等操作，键值与按键功能对应关系为OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。由于芯片I／O口有限，系统将选用PCF8574作为I／O输出的扩展芯片。PCF8574是单片的CMOS电路，具有8位准双向口和I2C总线接口。具有功耗低，输出锁存，驱动能力大等特点，同时存在中断请求线，可直接连到单片机的中断输入端。
5．3．2 LCD显示
    为了更直观的看到采集到的信息，系统使用LCD显示器用于显示水位、雨量、采集时间、站号和通讯设备状态等信息。为满足系统显示要求，专门定做了4x40的LCD显示屏，电路设计时，使用单片通用低复用率LCD驱动器PCF8576D，它可为任何静态或多路LCD提供驱动信号，带电压跟随缓冲器的内部LCD偏压电路，40x4的RAM显示数据存储器，含有4路背电极输出和40路段输出，同时无需连接外部元器件，通过双向“二线”的I2C总线与MCU进行通信，电路更加简单。将芯片的OSC与VSS引脚相连来使用内部振荡，器件内部可产生多路复用LCD所需的合适偏压。最后将各种电源信号以及所选的LCD电源输入连接好就可完成系统应用的连接。电路如图4所示。

5．4 时钟电路
    RTC(实时时钟)芯片的主要功能是对年、月、日、时、分、秒等的计时，通过外部接口为MCU系统提供日历和时钟，因此实时时钟芯片最基本的部件应该包含；电源电路、实时时钟、时钟信号产生电路、数据存储器、通信接口、控制逻辑电路等，同时大多数的实时时钟还会提供一些额外的RAM。实时时钟的具体结构组成如图5所示。

5．5 GPRS通信模块
    监控终端站数据采集结束后，将数据发送至中心站，为确保通信链路的畅通，系统选用GPRS模块作为通信信道。监控终端站采用CPRS实现与数据中心的数据通信，因此终端在配备GRRS通信模块的同时需要开通GPRS业务的SIM卡。监控站通信模块上电之后，将会自动登录到GPRS移动网络，接着按照规定的拨号要求登录GPRS移动通讯网络中心CMNET，显示登录成功界面即表示监控站已经连接至互联网，此时就可以依照TCP／IP协议传输采集到的数据。
    一般情况下，移动公司会给各个监控站的GPRS通信模块分配动态的IP地址，中心站需要配置一台能够申请到固定IP地址的GPRS通信模块用于接收数据，同样也可以通过专线与移动中心进行连接。当监控站的规模较大时，采用这种结构可以有效地减少传输时延。规模较小的水清测报系统在进行数据传输时，为减低运行费用，可以选用GPRS流量计费方式。

6 结束语
    本监控系统具有高可靠性、低功耗、可扩展和经济性的系统电路，使得整个系统的性能得到很大的提高。同时充分利用AVR单片机的强大特性，使得水情信息采集可加方便快捷，为测量结果的后期处理与水情监测带来了极大的便利。本系统已部分应用于某公司的水情监控系统，实用表明，该系统测量准确，方便耐用，有良好的经济性能，达到设计要求。