GPRS技術(shù)在農(nóng)村自來(lái)水遠(yuǎn)程遙測(cè)遙控系統(tǒng)中的應(yīng)用
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張 祥1 朱 琳2 劉立軒1 邢 彪1
（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鳥(niǎo)蘭察布電業(yè)局1，內(nèi)蒙古烏蘭察布012000；內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院2，內(nèi)蒙古包頭014010）
摘要：鑒于傳統(tǒng)的人工抄表模式存在漏抄、估抄、自來(lái)水自動(dòng)控制工作量較大且效率較低等問(wèn)題，為提高新農(nóng)村供用水自動(dòng)化管理水平，提出一種供用水遠(yuǎn)程監(jiān)控方案�？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)通過(guò)G200型GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)與終端供水站的遠(yuǎn)傳水表以及測(cè)控模塊ADAM4060之間的通信，進(jìn)而完成對(duì)用戶用水情況的實(shí)時(shí)遙測(cè)與遙控。實(shí)際運(yùn)行證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、準(zhǔn)確無(wú)誤，在我國(guó)地理位置比較分散的農(nóng)村地區(qū)具有一定的實(shí)踐應(yīng)用和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：GPRS遠(yuǎn)程抄表遠(yuǎn)程遙測(cè)遠(yuǎn)程遙控?zé)o線通信遠(yuǎn)傳水表干簧管控制系統(tǒng)
中圖分類(lèi)號(hào)：TH86；TP29DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201605015
0引言
農(nóng)村地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)用水一直采用包月制方式，這種模式不但不利于供水部門(mén)對(duì)用水情況的監(jiān)控，更不利于環(huán)保節(jié)水。農(nóng)村地區(qū)自來(lái)水用水量的采集一直是靠人工來(lái)完成的，為提高農(nóng)村供水自動(dòng)化管理水平．在農(nóng)村地區(qū)對(duì)自來(lái)水用水量實(shí)施遠(yuǎn)程遙測(cè)采集系統(tǒng)。由于農(nóng)村地區(qū)地理位置較分散，考慮目前移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之廣，采用GPRS網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建遠(yuǎn)程無(wú)線遙測(cè)遙控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)采用PC機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)接收各監(jiān)控站點(diǎn)采集回來(lái)的用水量信息，并可根據(jù)需要對(duì)各監(jiān)控站點(diǎn)發(fā)布啟、閉閥命令；由單片機(jī)、傳感器和執(zhí)行器組成下位機(jī)終端系統(tǒng)，負(fù)責(zé)響應(yīng)上位機(jī)的命令。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。
2供水站終端系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
供水站終端系統(tǒng)主要包括GPRS模塊、遠(yuǎn)傳水表和閥控裝置的設(shè)計(jì)。GPRS模塊選用北京捷麥生產(chǎn)的G200，以實(shí)現(xiàn)接入GPRS網(wǎng)絡(luò)的功能；遠(yuǎn)傳水表由普通旋翼水表加裝采集傳感器改裝而成，采集傳感器設(shè)計(jì)時(shí)采用干簧管來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)信，選用高速微處理器AT89C52作為中央處理單元；閥控裝置選用研華ADAM4060網(wǎng)絡(luò)模塊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖2所示。
2.1遠(yuǎn)傳水表的設(shè)計(jì)
在普通旋翼水表相應(yīng)位置上，加裝磁鋼和干簧管便構(gòu)成了一個(gè)遠(yuǎn)傳水表。當(dāng)水流推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，每旋轉(zhuǎn)一圈便通過(guò)干簧管發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)量的累計(jì)便可計(jì)算出流量。最終只有4根線從水表中引出，分別是2根電源線和2根數(shù)據(jù)線。供電電源采用12 VDC開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)穩(wěn)壓模塊LM7805穩(wěn)壓成5V后給單片機(jī)系統(tǒng)供電。采用MAX485E芯片，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)傳水表以RS -485總線的形式和外界通信。
2.2采集器的設(shè)計(jì)
為了克服單干簧管易受水錘現(xiàn)象影響而誤計(jì)各種臨界顫動(dòng)信號(hào)的現(xiàn)象，一般的解決辦法是安裝雙干簧管，或安裝一個(gè)加裝偏置磁鋼的單干簧管，又稱自保持開(kāi)關(guān)。采用雙干簧管計(jì)數(shù)雖然也能避免單干簧管在臨界狀態(tài)反復(fù)吸合的現(xiàn)象，但在軟件程序上由于要處理兩個(gè)干簧管的信號(hào)而變得復(fù)雜。而帶有自保持功能的單干簧管在軟件設(shè)計(jì)上只需要處理一個(gè)干簧管的信號(hào)，簡(jiǎn)化了程序，并大大提高了通用性。本設(shè)計(jì)決定采用具有自保持功能的單干簧管傳感器。具有自保持功能的干簧管傳感器構(gòu)成示意如圖3所示。
將干簧管和一個(gè)永磁體用環(huán)氧樹(shù)脂密封在一起，便構(gòu)成了一個(gè)具有自保持功能的傳感器。將其安裝在水表觀察窗玻璃上，在水表的轉(zhuǎn)盤(pán)指針上設(shè)置一對(duì)具有不同極性的兩塊磁鐵，其優(yōu)點(diǎn)是利用偏置磁鋼的磁力可以保持干簧管導(dǎo)通或斷開(kāi)的狀態(tài)。如圖3所示，右邊的偏置磁鋼始終將右邊簧片感應(yīng)為N極。指針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)磁針的S極一端轉(zhuǎn)到干簧管的感應(yīng)部位時(shí)，把左邊的簧片磁感應(yīng)為N極，同名磁極相互排斥兩簧片分開(kāi)。當(dāng)S極轉(zhuǎn)走以后，此時(shí)干簧管具有自保持的作用（即兩簧片一直保持?jǐn)嚅_(kāi)的狀態(tài)），直到磁針的N極端來(lái)臨，將右邊的簧片磁感應(yīng)為S極，異名磁極相互吸引兩簧片吸合，并一直保持吸合狀態(tài)直到磁針的S極再次來(lái)臨。依此周而復(fù)始，干簧管只有在指針轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到半周及以上才能實(shí)現(xiàn)一通一斷，產(chǎn)生一個(gè)有效脈沖，從而有效地消除了因指針小范圍的往復(fù)擺動(dòng)造成的感應(yīng)誤差。在干簧管傳感器的外邊設(shè)置一個(gè)屏蔽罩，可以防止外來(lái)磁場(chǎng)的干擾，這樣只用了一個(gè)傳感器便可以完成以往兩個(gè)傳感器的工作，而且可靠有效。采集電路如圖4所示。
為了延長(zhǎng)傳感器的壽命，脈沖常數(shù)設(shè)置為10 P/m3，表示每立方米發(fā)送10個(gè)脈沖（也即每0.1m3發(fā)一個(gè)脈沖），磁性指針安裝在×0. 01指針上面。圖4中，K是具有自保持功能的感應(yīng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)K閉合時(shí)，輸出高電平，當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，輸出低電平。設(shè)置特殊功能寄存器TMOD為26 h，使單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T0按8位自動(dòng)重裝計(jì)數(shù)模式（方式2）對(duì)P34( T0)引腳發(fā)訊的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，使T1工作在方式二定時(shí)器模式，用作串口通信波特率發(fā)生器。設(shè)置T1的時(shí)間常數(shù)為FDH，確保在SMOD=0晶振頻率為11. 059 2 MHz時(shí)的串口波特率為9 600 bit/s。T0方式2工作時(shí)設(shè)置初值為56，計(jì)數(shù)器寬度僅有8位，最多只能計(jì)數(shù)到256，因此要用軟件對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行擴(kuò)展。當(dāng)一次計(jì)數(shù)溢出時(shí)，向CPU請(qǐng)求中斷，計(jì)數(shù)器清零，然后將用水量新累加的20m3進(jìn)行存儲(chǔ)。
采集電路具有斷線檢測(cè)功能，在沒(méi)有斷線時(shí)報(bào)警端子輸出高電平，當(dāng)發(fā)生斷線后報(bào)警端子輸出低電平。設(shè)置特殊功能寄存器TCON的位IT1為0，則選擇外部中斷l(xiāng)為電平觸發(fā)方式。當(dāng)P3.3( INT1)管腳檢測(cè)到報(bào)警端輸出低電平時(shí)，向CPU申請(qǐng)中斷；在收到采集命令后，將斷線信息和流量數(shù)據(jù)一并返回，應(yīng)答數(shù)據(jù)幀格式中狀態(tài)字ST的第一個(gè)字節(jié)S0的正常值為00，斷線故障為01。
2.3閥控裝置的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)用電動(dòng)蝶閥來(lái)實(shí)現(xiàn)供停水功能。電動(dòng)蝶閥由電動(dòng)執(zhí)行器和蝶閥組成，蝶閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，特別適合制作較大管徑的閥。電動(dòng)執(zhí)行器選用上海上普工控設(shè)備生產(chǎn)POE系列閥門(mén)電動(dòng)執(zhí)行器，控制方式采用開(kāi)關(guān)型帶無(wú)源觸點(diǎn)反饋。裝置具備手動(dòng)操作功能，在斷電時(shí)可通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)開(kāi)關(guān)蝶閥。開(kāi)閥與關(guān)閥不可同時(shí)工作，在設(shè)計(jì)上采用電氣互鎖方案。開(kāi)關(guān)型帶無(wú)源觸點(diǎn)反饋的電動(dòng)執(zhí)行器的接線圖如圖5所示。
供水站的GPRS模塊收到監(jiān)控中心的閥控命令后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集測(cè)控模塊ADAM4060控制電動(dòng)執(zhí)行器完成。ADAM4060是一個(gè)4路繼電器輸出模塊，其可受一系列指令進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。ADAM4060模塊接線如圖6所示。
閥門(mén)啟閉工作流程如下：監(jiān)控中心發(fā)布的遠(yuǎn)程關(guān)閥命令通過(guò)主站G200模塊發(fā)射至供水站終端的分站G200模塊，經(jīng)由485總線傳給ADAM4060模塊控制中間繼電器KV．的線圈得電，使其常開(kāi)觸點(diǎn)KV，接通電動(dòng)執(zhí)行器關(guān)閥操作控制回路進(jìn)行關(guān)閥操作。當(dāng)閥門(mén)關(guān)到位時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器4、6端子經(jīng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通輸出無(wú)源觸點(diǎn)全關(guān)指示信號(hào)，只要在外部端子4、6之間接上電源和中間繼電器KCS的線圈，用其常閉觸點(diǎn)便可作為電動(dòng)執(zhí)行器停止工作的反饋信號(hào)；同理，中間繼電器KV2的線圈受監(jiān)控中心發(fā)布的開(kāi)閥命令控制而得電，使其常開(kāi)觸點(diǎn)KV2接通電動(dòng)執(zhí)行器開(kāi)閥操作控制回路進(jìn)行開(kāi)閥操作。當(dāng)閥門(mén)開(kāi)到位時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行器4、5端子經(jīng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)自動(dòng)接通輸出無(wú)源觸點(diǎn)全開(kāi)指示信號(hào)，只要外部端子4、5之間接上電源和中間繼電器KOS，用其常閉觸點(diǎn)便可作為電動(dòng)執(zhí)行器停止工作的反饋信號(hào)。
3模塊參數(shù)設(shè)置與協(xié)議設(shè)計(jì)
3.1 ADAM4060模塊參數(shù)設(shè)置
ADAM4060是一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集4通道輸入和4路繼電器輸出控制功能的模塊，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟閉閥門(mén)的控制。ADAM4060模塊的默認(rèn)設(shè)置如下：地址為01，波特率為9 600 bit/s，DIO模塊采用方式為40且禁止校驗(yàn)。ADAM4060模塊實(shí)施遠(yuǎn)程遙控的相關(guān)命令說(shuō)明如表1所示。
由于每個(gè)監(jiān)控從站都有各自的ADAM4060模塊，故從站G200下的4060模塊地址均設(shè)置為02，波特率均設(shè)置為9 600 bit/s，對(duì)各供水站閥門(mén)的控制是靠各從站G200地址的不同來(lái)區(qū)分的。監(jiān)控中心發(fā)布閥控命令時(shí)，只要指定從站G200的目標(biāo)地址，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該供水站的停供水功能。
3.2 GPRS模塊參數(shù)設(shè)置
根據(jù)GPRS模塊所處位置的不同，將GPRS模塊分為主站與分站，皆起“數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)中轉(zhuǎn)”的作用。G200模塊在使用前應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用要求進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括模塊身份地址、目標(biāo)地址、工作方式、串口數(shù)據(jù)格式、波特率等相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。本設(shè)計(jì)以對(duì)4個(gè)供水站的監(jiān)控為例說(shuō)明問(wèn)題，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。
參數(shù)設(shè)置說(shuō)明如下：模塊地址由工程號(hào)和站點(diǎn)號(hào)兩部分組成，同一個(gè)系統(tǒng)中主站和從站具有相同的工程號(hào)（本系統(tǒng)工程號(hào)為4），主站站點(diǎn)號(hào)為000，從站站點(diǎn)號(hào)則從001開(kāi)始依次遞增編址。主從站應(yīng)有相同的心跳時(shí)間(300 s)與波特率(9 600 bit/s)。主從站均采用主動(dòng)工作方式是為了對(duì)上、下位機(jī)隨時(shí)發(fā)布的數(shù)據(jù)進(jìn)行“轉(zhuǎn)發(fā)入網(wǎng)”的功能。主站采用格式傳輸，便于指定當(dāng)前與之通信的目標(biāo)從站，傳輸時(shí)以D701H為字頭，再加上目標(biāo)地址與數(shù)據(jù)內(nèi)容。從站的任務(wù)是響應(yīng)主站訪問(wèn)，因此所有從站均設(shè)置為透明傳輸也即智能回傳。
3.3遠(yuǎn)傳水表通信協(xié)議設(shè)計(jì)
按照CJ/T 188 - 2004標(biāo)準(zhǔn)字節(jié)格式和要求，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)傳水表通信協(xié)議。傳輸次序?yàn)樗卸嘧止?jié)數(shù)據(jù)域均先傳送低位字節(jié)，后傳送高位字節(jié)。由于模塊正常工作時(shí)大部分時(shí)間處在睡眠狀態(tài)，當(dāng)上位機(jī)與其通信時(shí)，須先發(fā)送若干個(gè)前導(dǎo)碼FE h來(lái)喚醒，前導(dǎo)碼的具體個(gè)數(shù)應(yīng)隨著波特率大小而增減。
由于整個(gè)系統(tǒng)的波特率是9 600 bit/s，因此本模塊在發(fā)讀累計(jì)流量命令之前應(yīng)先發(fā)16個(gè)前導(dǎo)碼。讀對(duì)地址為00000140802509的水表累計(jì)流量的數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示，水表回復(fù)當(dāng)前流量為000010. 88 m3的響應(yīng)數(shù)據(jù)幀格式如圖8所示。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4.1上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)
上位機(jī)監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)向各監(jiān)控終端發(fā)布命令，并對(duì)各監(jiān)控終端的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、處理、顯示及存儲(chǔ)；根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)自動(dòng)甄別，以便針對(duì)不同的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的處理。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)如下功能：對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的在線狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)；對(duì)抄收的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析；發(fā)送抄表命令并可以手、自動(dòng)切換發(fā)送，自動(dòng)發(fā)送時(shí)可按需求更改抄表周期。上位機(jī)工作程序如圖9所示。
4.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
監(jiān)控中心是系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)處理的中心環(huán)節(jié)，用以建立人機(jī)交互平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和監(jiān)控終端的通信、數(shù)據(jù)傳輸及設(shè)備監(jiān)控等功能。系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是用Visual Basic語(yǔ)言和SQL Server2008數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)如下功能。①系統(tǒng)監(jiān)控。接收各監(jiān)控終端采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理和存儲(chǔ)。②數(shù)據(jù)庫(kù)管理。系統(tǒng)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)備份和清除無(wú)效信息，確保查詢和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的速度。③報(bào)警提示。自動(dòng)判別各地區(qū)用水情況，并對(duì)欠繳水費(fèi)的用戶給予報(bào)警提示。④設(shè)備管理。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各在線設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)遭到惡意破壞出現(xiàn)斷線故障時(shí)，根據(jù)需要可停止供水。⑤用戶管理。管理用戶信息并設(shè)置不同用戶的使用權(quán)限，且可供用戶實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等功能。
5結(jié)束語(yǔ)
本設(shè)計(jì)以實(shí)際的工程項(xiàng)目為依據(jù)，利用當(dāng)今比較成熟的GPRS無(wú)線通信技術(shù)，針對(duì)我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的用水監(jiān)管問(wèn)題，自行開(kāi)發(fā)具有通用性的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改造便可將普通機(jī)械水表制成遠(yuǎn)傳水表，經(jīng)濟(jì)成本得以大大降低；上位機(jī)監(jiān)控軟件具有自動(dòng)抄表、計(jì)量計(jì)價(jià)、繳費(fèi)結(jié)算以及統(tǒng)計(jì)分析等功能。應(yīng)用GPRS無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶用水的遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，其先進(jìn)性、實(shí)用性以及可靠性必將使其在整個(gè)供水行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
