摘 要： 基于移動通信網(wǎng)絡，設計了新型水雨情遠程監(jiān)測站系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的組成和功能需要，完成了以P89LPC954單片機為控制中心的軟硬件設計，描述了通過超短波電臺、GSM短信獨立或組合方式進行數(shù)據(jù)通信的工作原理，對RS485傳感器接口、雨量傳感器接口、數(shù)據(jù)存儲器與時鐘電路的設計作了詳細闡述，并進行了運行測試。測試結果證明，該系統(tǒng)人機界面友好，操作簡便，具有良好的傳輸特性。
關鍵詞： 單片機；GPRS；超短波；GSM短信
洪水預警報系統(tǒng)綜合運用水文、通信、計算機和自動控制等技術，實時、快速、準確地采集流域內(nèi)各代表點的雨水情信息，傳遞到有關防汛指揮部門，給水庫防洪調(diào)度、防汛減災、抗洪搶險等提供科學決策依據(jù)。其中遠程水雨情監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務是實時完成降雨量、水位、流量數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲等任務，并實時發(fā)送到監(jiān)測中心的服務器進行處理。
遠程監(jiān)測系統(tǒng)通常采用超短波通信、數(shù)字微波通信或租用衛(wèi)星信號等方法實現(xiàn)監(jiān)測終端與監(jiān)測中心的通信。這些方法存在一些局限性，如采用超短波通信、數(shù)字微波通信需要架設中繼站，前期投資和后期維護費用高，且存在著頻率資源不足等缺陷；采用衛(wèi)星通信雖能有較廣的覆蓋面，但存在著對衛(wèi)星依賴、投資較大及容易受到其他各方面因素的影響等問題[1]。
近年來我國移動通信系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進入3G時代，但3G網(wǎng)絡存在諸多使用問題，因此介于傳統(tǒng)通信技術與3G技術之間成熟的GPRS技術得到了廣泛的關注與應用[2]。
參考文獻[3]詳細分析了GPRS監(jiān)控系統(tǒng)與GPS監(jiān)控系統(tǒng)的性能，結果表明基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)具有高傳輸率、較短接入時間、較低通信成本及組網(wǎng)簡單等特點，可以實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)量的低成本傳輸。徐光[4]在環(huán)境在線監(jiān)測監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)采用GPRS技術，充分發(fā)揮了通用無線分組服務數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，該系統(tǒng)具有傳輸速率高、延時小、實時性強、建設方便、費用低廉等顯著特點。
本文基于GPRS技術，以單片機為核心，設計了水雨情監(jiān)控系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工作原理，給出了系統(tǒng)的各部分電路設計。測試及實際工作運行都表明，系統(tǒng)具有良好的性能，能夠滿足遠程監(jiān)測水雨情的實際需要。
1 系統(tǒng)結構及工作原理
新水雨情遠程監(jiān)測站以NXP微控制器P89LPC954為核心，控制采集數(shù)據(jù)，完成與其他設備的通信及功能實現(xiàn)。響應降雨量采集電路的中斷來實現(xiàn)降雨量的測量，響應時鐘芯片的定時中斷來確定是否進行相應的測量以及平安報的功能，通過RS-485端口或標準RS-232C串行口實現(xiàn)對RS-485接口或標準RS-232C串行口的傳感器的控制與數(shù)據(jù)的讀取，通過標準RS-232C串行口與超短波電臺或GPRS無線數(shù)據(jù)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與交互。另外，系統(tǒng)設置有LCD顯示模塊及鍵盤，可以對系統(tǒng)各功能參數(shù)進行設置，或對各功能進行測試。
圖1為監(jiān)測功能框圖。虛線為主控制板，其他為外接模塊。所有外部設備的電源均由電源管理輸出控制，即在待機狀態(tài)下，傳感器或電臺等發(fā)送模塊處于電源關閉狀態(tài)。
2 硬件電路設計
2.1 主控制器P89LPC954
P89LPC954是一款單片封裝的微控制器，適合于許多要求高集成、低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。采用高性能的微處理器結構，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。靈活的端口配置及優(yōu)良的內(nèi)部特性，集成了許多系統(tǒng)級的功能，這樣可大大減少元件數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)成本，并且增強系統(tǒng)的可靠性。
P89LPC954所有封裝形式均可工作于-40 ℃～+85 ℃溫度范圍，可以適應需要的工業(yè)級工作環(huán)境。P89LPC954帶有內(nèi)部看門狗電路，內(nèi)部看門狗定時器具有獨立的片內(nèi)振蕩器，軟件設置中斷時間，因此它可用于振蕩器的失效檢測。操作電壓范圍為2.4～3.6 V，具有寬工作電壓范圍。低電平復位輸入可由任何內(nèi)部復位驅動。復位計數(shù)器和復位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復位。使用片內(nèi)上電復位時不需要外接元件，并且還提供軟件復位功能。加上全部I/O端口均采用施密特觸發(fā)端口輸入，這些功能，使得只要在外電路加上簡單的濾波，再從軟件角度就可以實現(xiàn)很強的抗干擾能力。芯片內(nèi)部的串行Flash支持在系統(tǒng)編程（ISP）模式，可實現(xiàn)對已焊接在最終應用系統(tǒng)上的器件的編程。片內(nèi)提供兩個增強型UART；一個I2C通信端口；一個SPI通信端口；8輸入多路10位數(shù)據(jù)寬度的A/D轉換器；8個鍵盤中斷輸入和2路外部中斷輸入；至多可獲得40個I/O口以及高電流輸出能力。由于苛刻的工作電流要求，低功率損耗的芯片內(nèi)部同時提供足夠的資源非常重要。
2.2 GPRS/EDGE通信電路設計
MC75模塊是基于西門子移動、ADI和TTPCom技術，基于GSM網(wǎng)絡的第三代（Version03.010）的GSM/GPRS/EDGE無線模塊(兼容第二代)。芯片制造商ADI公司提供基帶芯片組和通信軟件生產(chǎn)商TTPCom公司提供的協(xié)議軟件。
EDGE技術提供三倍于GPRS的傳輸速率，使其成為最快速的基于GSM技術的數(shù)據(jù)傳送的選擇。可以為下載和音視頻流提供實時數(shù)據(jù)傳遞，如用于數(shù)字影像或即時消息服務。MC75模塊可以運行于四頻GSM網(wǎng)絡，因此可以在所有現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡使用。模塊具有極其緊湊的尺寸和極輕重量，加之與印刷電路板的單面裝配，適于需要移動通信的移動計算解決方案。
2.3 FSK編解碼與超短波電臺電路設計
監(jiān)測站具備超短波通信功能，超短波的射頻部分由日精NISSEI無線數(shù)據(jù)通信電臺ND886A完成。ND886A電臺是適用于各種嚴酷環(huán)境的工業(yè)級產(chǎn)品，具備良好的屏蔽及散熱能力，發(fā)射射頻電路采用目前最先進的低噪聲場效應電路設計，高靈敏度，高效率，極低的待機電流和發(fā)射電流，特別適合于野外需要太陽能電池供電的應用場合。數(shù)據(jù)通信與語音通話兼容。主要功能及參數(shù)可通過編程靈活設置。
FSK編解碼采用MC145442。MC145442是一種CMOS單芯片低速調(diào)制解調(diào)器，包含一個完整的頻移鍵控（FSK）調(diào)制器、解調(diào)器和過濾器。符合國際電報電話咨詢委員會V.21規(guī)范。器件提供了一對收發(fā)信道，可以進行全雙工或半雙工300 b/s的數(shù)據(jù)通信。
MC145442芯片的TxD、RxD端口是全雙工或半雙工、波特率為300 b/s的串行接口，主控制器P89LPC954使用UART就可以進行通信。數(shù)據(jù)格式由信道決定。本設計中信道為ND886A電臺，原系統(tǒng)使用8位數(shù)據(jù)位，無校驗位，一位停止位。MC145442芯片及電臺的電源控制如圖2所示。
2.4 RS-485傳感器接口電路設計
RS-485傳感器接口是本設計中用于傳感器通信的端口。利用RS-485實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。由于受到至多連接32個設備的限制，所以一些應用場合不能符合要求。本設計采用軟件尋址方式，既兼容現(xiàn)有系統(tǒng)，又可通過在監(jiān)測站和傳感器之間加接一個傳感器通信電路，實現(xiàn)80路數(shù)據(jù)采集。
RS-485接口電平變換通過帶瞬態(tài)電壓抑制功能的RS-485收發(fā)器SN75LBC184完成。SN65LBC184是差分數(shù)據(jù)收發(fā)器，具有內(nèi)置高能量瞬態(tài)噪聲保護功能。該功能能夠抑制大多數(shù)現(xiàn)有設備的數(shù)據(jù)線瞬態(tài)噪音。SN65LBC184提供了可靠的低成本的直接耦合（無隔離變壓器）數(shù)據(jù)線接口，無需任何外部元件。能承受過壓瞬變的400 W的峰值（典型值），依據(jù)IEC 61000-4-5的要求進行的模擬過壓瞬變和單向飆升引起的過電壓開關和二級雷電瞬變模型的組合波形，芯片能提供更高的可靠性。
主控制器P89LPC954的UART1用于RS-485接口的實現(xiàn)，因為要對RS-232與RS-485進行轉換，需要增加一個端口用于控制RS-485，使其完成收發(fā)狀態(tài)的變換，見圖3。
2.5 雨量傳感器接口電路設計
雨量傳感器接口經(jīng)保護電路和整形電路(如圖4所示)接至單片機，其輸入是一個開關信號。保護電路主要采用圖中D2~D5所組成的網(wǎng)絡。正向脈沖由C7、C8吸收尖峰后，由D2、D3阻斷，負向脈沖則由D4、D5鉗位，以達到保護目的。U7是一個光電耦合器，承擔隔離功能與鎖定功能。
2.6 數(shù)據(jù)存儲器
大容量的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲是監(jiān)測站的數(shù)據(jù)安全措施之一，可以保證在通信信道出現(xiàn)故障等原因時不會造成數(shù)據(jù)丟失。每一個正常監(jiān)測到的數(shù)據(jù)都會連同測量時間一起保存到數(shù)據(jù)存儲器中。因此，對數(shù)據(jù)存儲器的主要要求是不會丟失數(shù)據(jù)或出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤，并且低功耗。
M25Pxx是512 Kbit~32 Mbit的（4M×8）串行閃存，具有先進的寫保護機制，包括軟件標志位保護，以及引腳驅動的硬件保護。它通過高速的SPI-COM的總線訪問，具有有效的數(shù)據(jù)保護措施。過多噪聲的存在，SPI器件可能不會正常運行。M25Pxx S端口用于多個SPI器件使用時的片選。低電平選擇有效。H為保持控制。低電平時，SPI輸出端Q呈高阻態(tài)，這是并聯(lián)使用時編程應該考慮的。
2.7 存儲器設置與時鐘電路設計
遠程監(jiān)測站的一些參數(shù)數(shù)據(jù)需要預先設置并且在掉電時不會變化，如所在區(qū)域、所在位置（站點）、采樣間隔時間、平安自報時間、系統(tǒng)中心站GSM號碼、GPRS數(shù)據(jù)傳送的目標網(wǎng)址等。本設計中采用24C256芯片用于設置數(shù)據(jù)的保存和設置。24C256是兼容I2C串行總線接口EEPROM，具有存儲時間長，掉電不丟失等特點。
遠程監(jiān)測站的另一個重要功能是日歷時鐘，由使用I2C串行總線接口的PCF8563完成。
PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘/日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出、一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。最大總線速度為400 KB/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563適應1.0~5.5 V的寬工作電壓范圍，并且具有典型值為0.25 μA超低電流消耗和極低功耗的特點，因此可以使用鋰電池供電，這對遠程監(jiān)測站滿足待機電流的要求非常重要。使用獨立的低功耗日歷時鐘，將允許微控制器進入深度睡眠狀態(tài)，而其他部件則可以進入斷電狀態(tài)。
2.8 LCD界面與按鍵設計
原系統(tǒng)使用個人計算機或專用設置設備通過串口進行設置、人工置數(shù)以及最后一次數(shù)據(jù)讀取，不提供現(xiàn)場觀測。新增的LCD顯示器與按鍵提供類似功能。
LCD顯示器采用基于ST7920的RT12864M，ST7920點矩陣LCD控制/驅動器，可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及自定義的圖形。可以提供三種控制接口，分別是8位微處理器接口、4位微處理器接口及串行接口；內(nèi)含顯示RAM、字型產(chǎn)生器，以及液晶驅動電路和控制器。本設計采用串行接口與主控制器進行通信。只需要一根時鐘線，一根串行數(shù)據(jù)線。LCD顯示器使用三個端口，LCD_LIGHT輸出用于其電源控制。
鍵盤使用五鍵查詢。使用P89LPC954的端口P03~P07。P89LPC954的P0口可以設置為鍵盤口，有專門的中斷及鍵盤掩碼。鍵盤中斷可將P89LPC954從節(jié)電模式中喚醒，再配合定時器，實現(xiàn)LCD顯示器按需顯示，沒有人工操作時進入節(jié)電狀態(tài)。
3 程序結構及設計原理
系統(tǒng)軟件程序組成如圖5。中斷服務程序均設置相應任務標志，同時關閉對應中斷。待相應處理程序處理完成，保存數(shù)據(jù)后才重新打開中斷。其他各模塊基本上與硬件對應，控制各硬件部分完成系統(tǒng)需要的功能。
程序設計思路以穩(wěn)定為目標。系統(tǒng)以任務標志查詢方式工作，最多二級中斷結構。中斷服務程序僅完成標志設置或數(shù)據(jù)轉存，盡可能減少堆棧嵌套，避免出錯。主程序初始化后輪詢，出現(xiàn)標志時調(diào)用各功能模塊程序執(zhí)行。所有任務完成后進入節(jié)電模式，由任務中斷喚醒。
4 監(jiān)測站運行測試
遠程監(jiān)測站系統(tǒng)在冷柜模擬的零下16 ℃低溫環(huán)境和45 ℃封閉房間均進行超過一周的運行測試。采用與服務中心相同配置的中心超短波電臺接收電臺數(shù)據(jù)。使用手機進行短信接收。使用自設的服務器，利用端口數(shù)據(jù)掃描軟件進行端口數(shù)據(jù)掃描。
低溫試驗約一個月的時間，用于測試的系統(tǒng)一直正常運行。
功能測試用于人工觀察遠程監(jiān)測站的各部分功能是否正常。分別測試降雨量輸入、水位測量、電臺發(fā)送、短信發(fā)送、GPRS發(fā)送。
除了以下差別外，實際工作與進行功能測試時使用了相同的功能程序，工作流程完全相同。現(xiàn)場運行時顯示器將關閉，以節(jié)省電能；測試降雨量輸入、水位測量只測試和顯示，不保存，不發(fā)送。
超短波電臺發(fā)送時與設置有關。如果參數(shù)設置時“自報確認”為“關”狀態(tài)，只發(fā)送一次，否則會等待接收應答數(shù)據(jù)。因此在沒有應答時，會重發(fā)一次并且會出錯。
在設置包含SMS短信數(shù)據(jù)發(fā)送選項時，每測量一次產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，并發(fā)送一次。如果設置SMS短信數(shù)據(jù)發(fā)送作為第二通道，則僅在主通道沒有應答時或出錯時才會發(fā)送。
實際系統(tǒng)運行時，水情監(jiān)測系統(tǒng)中心服務器最多可設置兩個GSM短信接收終端，其一個為主機，另一個作為備份。數(shù)據(jù)通過服務器端的接收程序處理。
在設置包含GPRS短信數(shù)據(jù)發(fā)送選項時，每測量一次產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)，并發(fā)送一次。如果將GPRS短信數(shù)據(jù)發(fā)送設置為第二通道，則僅在主通道沒有應答或出錯時才會發(fā)送。
實際系統(tǒng)運行時，水情監(jiān)測系統(tǒng)中心服務器需要向Internet開放一個協(xié)商好的端口。數(shù)據(jù)通過服務器端的接收程序處理。服務器端的IP地址在設置遠程監(jiān)測站時要先行設定。
新的遠程監(jiān)測站設置中心在接收電話號碼及IP地址、日期時間后即進入運行狀態(tài)。新的遠程監(jiān)測站實驗運行表明，系統(tǒng)能按要求正常采集降雨量和定時的水位測量，并在每一次采集后，按照設定的傳輸模式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心接收端。
本文圍繞MC75 EDGE（GPRS）模塊構建了新型水雨情遠程監(jiān)測硬件平臺。采用一款高性能的微控制器實現(xiàn)了低功耗高可靠性的系統(tǒng)設計。設計實現(xiàn)了基于EDGE（GPRS）的通信的SMS短信發(fā)送方式和GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送方式。同時兼容原超短波系統(tǒng)，并增加了新的數(shù)據(jù)傳送方式——基于EDGE（GPRS）連接的SMS短信與Internet數(shù)據(jù)傳送。基于EDGE（GPRS）的通信可以工作在獨立、并行數(shù)據(jù)通道或作為輔助通道在主通道失敗時使用。實現(xiàn)良好的中文人機界面、多種功能現(xiàn)場設定、便捷操作的新型監(jiān)測站，除水雨情遠程監(jiān)測控制終端本身以外，完全兼容原來的水雨情遠程監(jiān)測系統(tǒng)，可用于直接代換。使用EDGE（GPRS）模塊適應當前正在應用2G網(wǎng)絡，通信能力接近于并可以無縫過度到正在興起的3G無線通信方式。多重通信方式及靈活的組合，現(xiàn)場功能設定等，實現(xiàn)系統(tǒng)開放性和可擴展性，適于分期擴容及升級改造的規(guī)劃。
參考文獻
[1] 趙云翔，張青，焦尚彬，等.基于GPRS，SMS和衛(wèi)星通訊的水情遙測系統(tǒng)通訊方案設計[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版)，2005(6)：136-140.
[2] 呂捷.GPRS技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2001.
[3] Ning tao. Vehicular GPS monitor system based on GPRS network[P]. IEEE 2007 International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications， 2007.
[4] 徐光.環(huán)境在線監(jiān)測監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2006，22（4）：10-13.