??? 摘?? 要： 根據明渠流速流量測量技術規范和遠距離數據傳輸的需求，以旋漿式流速儀為一次測量儀器，設計了基于GPRS的明渠流速流量檢測系統。系統采用固態存儲技術，實現數據在下位機中的大量存儲。通過采集電路及GPRS終端，利用通用分組無線業務(GPRS)和Internet網實現遠程數據的采集與控制，解決了水文水生態監測中分散數據傳輸問題，實現了水文信息實時采集傳輸和處理的無線化、網絡化、智能化。?
??? 關鍵詞： 流速流量； GPRS； 數據采集； 固態存儲
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??? 明渠水流速度及流量測量是水文、電力、農業灌溉、污水治理、水生生態環境監測與研究等領域中一項基礎性測量工作，其獲得的數據是我國重要的水利基礎信息資源和戰略資源，這就對數據測量的準確度和時效性、數據存儲、數據管理等方面提出了新的要求。明渠水流速等相關數據的測量往往在野外露天進行，環境條件艱苦，測量工作花費的時間長，人力物力投入較大。因而研究基于無線傳輸、網絡技術的流速流量測量系統，解決水文監測中分散數據傳輸問題，實時監控并生成符合水文資源勘測要求的數據格式，實現水文水生態信息實時采集傳輸和處理的無線化、智能化，成為目前水資源監控與管理系統急需的技術。?
??? 通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務[1]。GPRS 采用與GSM 相同的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則以及TDMA 幀結構，允許用戶在端到端分組轉移模式下發送和接收數據，不需要利用電路交換模式的網絡資源，特別適合用于水資源網監控這種間斷的、突發的和頻繁的數據傳輸。?
1 流速及流量檢測原理?
??? 根據國標河流流量測驗規范GB 50179-93明渠流速測量技術規范，測點流速由(1)式計算得出：?
??? V=K × A × n/T+C?????????????????????????? (1)?
式中, K為水利螺距；n為每信號轉數；C為阻力系數；T為單次測量的實際延時；A為實際測量過程中流速儀發出的信號脈沖個數。?
??? 在實際的河流流量測量中，河道的截面積是不規則的矩形或梯形，用一個測點的流速取代整個河道截面的平均流速直接計算時誤差很大。通過部分平均流速與部分面積相乘，可得部分流量[2]。總流量可用(2)式計算得出。
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式中,Vi為部分平均流速， fi為部分面積，qi為部分流量，Q為截面總流量。?
??? 在部分平均流速一定的條件下，部分流量的準確度取決于部分面積的準確度。為提高部分面積的準確度，將部分面積作進一步劃分，在兩測速垂線點間增加若干條只測量水深的垂線,如圖1所示。在垂線平均流速Vm2與Vm3間加設測深垂線H3、H4，由定積分原理可知，加設的測線數越多，部分面積就越準確，得到的部分流量就越準確，從而截面流量的測量也越準確。?
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2? 基于GPRS的數據采集與控制系統結構?
2.1 系統組成結構?
??? 系統主要由信號檢測器、GPRS無線通信網絡和遠程監控中心組成，結構框圖如圖2所示。信號檢測器采集現場數據經通信處理程序后，從MCU的RS232接口（RX、TX）發送到GPRS調制解調器，GPRS接收到數據后對數據進行解包，取出必要的信息后重新對數據進行封裝，再發送到GPRS網絡中。由于GPRS網和互聯網都是基于TCP/IP協議的，而且是相互連接的，所以水文監控中心只要能通過任意方式上網，相關的數據信息就可以傳到監控中心。監控中心的查詢命令和控制命令也可以通過互聯網和GPRS網傳到GPRS模塊。信號檢測器主要由信號采集、處理、通信等模塊組成[3]，如圖3所示。?
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2.2? 數據固態存儲與傳輸?
??? 對一個河道截面進行一次流量測量計算時產生的數據包括若干個測量時間、信號個數、流速值、若干個垂線深度值、測量間距以及相關的流速儀參數等等，通常需要測量多組。因而，存儲一組測量數據結果需要的存儲空間大約幾千字節，而單片機內存儲空間有限，不能實現數據的大容量長時間保存。因此，系統采用串行方式，以單片機為主控芯片，配接大容量 Flash ROM芯片為主要數據載體，存儲容量4 MB，存儲時間1～2年，實現水文數據就地固態存儲。檢測器主控芯片發出的指令控制實現對存儲器件的操作，一個有效指令包括1個字節４位操作碼、４位器件地址以及目的緩沖器或Flash存儲器地址位置。Flash存儲的數據采用時間映射地址技術，存儲時間就是地址的原始的數據地址指針。根據時間與地址的唯一對應關系，計算存儲單元的位置，得到可靠的存儲數據結構。?
??? 信號檢測器可按固定時間間隔將現場數據存儲在固態芯片中，也可以通過GPRS網絡實時傳輸出去，通過GPRS網絡傳輸到監控中心，形成下載數據庫文件或文本文件。GPRS網絡故障應急時，或GPRS網絡不能覆蓋站點時，本地下載數據，通過USB接口,本地獲取存儲器中的數據。?
2.3 數據通信與GPRS模塊?
??? 數據通信模塊實現MCU與GPRS模塊間的數據通信功能，系統檢測過程中獲取的流速流量信號和相應的參數，通過RS232口(RX和TX端口)傳送到GPRS模塊，再通過該模塊傳輸到GPRS網絡，實現數據和命令的雙向傳輸、控制、認證和加/解密[4]。?
??? 在本設計中使用的GPRS DTU模塊是Siemens公司的GSM/GPRS 模塊MC55,該模塊具有很高的可靠性, 很適合在便攜移動終端中作為無線通信模塊。并且內嵌了TCP/IP 協議棧, 這樣就省去了系統的TCP/IP處理時間。使用AT命令對模塊實現控制。?
??? 通過DTU RS-232的數據接口，DTU向數據中心實時發送數據。DTU的數據傳送是透明的，不需要后臺計算機支持，不需要對數據添加任何多余的協議和對水報文做協議轉換。?
3 系統軟件設計?
??? 軟件設計部分主要分為檢測器部分軟件設計、GPRS通信部分軟件設計、監控中心部分軟件設計。?
??? 檢測器軟件流程圖如圖4所示。主要由信號處理模塊、計算模塊、固態存儲無紙記錄模塊、通信模塊、瀏覽模塊等組成，通過主程序的調用來實現各模塊功能。?
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??? 為了降低功耗，微處理器平時要用軟件控制在休眠工作模式以降低功耗。有事件發生時，一組測量結束，執行一次固態存儲操作，或外部命令到來時，由軟件識別并進入相應的執行流程，如本地下載、GPRS遠程下載等操作流程。CPU嚴格按照時間順序排列鎖存數據，以月日時分為索引進行固態存儲。GPRS遠程下載時也是根據客戶服務器發來的時間段，利用時間映射地址的技術，生成下載指令，在遙測站與分中心溝通GPRS鏈路時下發指令，完成批量數據下載任務。GPRS通信模塊與數據監控中心的數據傳輸需要確定數據傳輸幀的格式，分為命令幀和響應幀2類。?
??? 通過AT指令初始化GPRS模塊，使設備連接到GPRS網，并獲得IP地址，設置UDP端口號，與監控服務器建立連接。對接收到的命令進行分析、判斷是本地命令還是GPRS命令。如果是本地命令，則直接進行數據格式轉換和串口通信；如果是GPRS命令，則MCU通過RS232串口向GPRS模塊內的TCP/IP協議站發送數據，或接收遠程指令。GPRS模塊接收到來自GPRS網絡的數據后通過RS232接口以中斷方式告知MCU處理接收數據[5]。通信軟件流程圖如圖5所示。
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4 監控中心?
??? 遠程監控中心負責接收并保存現場檢測數據，并下達對各監測點進行控制的控制參數和控制命令。由于控制中心接入Internet，因此需要取得公網IP地址并作為UDP服務器運行在監聽狀態。接收到的數據保存到數據庫服務器中，可自動生成符合水文部門要求的“測深測速記載及流量報表”等資料庫，通過配備具有人工智能的系統分析軟件，結合記錄的流速流量相關數據和其他水文情況數據及專家知識庫，對汛情、農業灌溉用水、水生生態環境進行預測。根據河流流量變化的歷史記錄，分析汛情情況，及時采取措施進行疏導和調度；根據農業灌溉用水的歷史記錄，合理調度灌溉用水等。?
??? 基于GPRS的流速流量檢測系統，成本低、功耗低、測量精度高、抗干擾能力強，實現了數據的固態存儲。在有線傳輸實現方案不宜實施的情況下，采用GPRS通信加快項目的實施步伐，為提高水文數據傳輸實時性，實現水文水生態信息實時采集傳輸和處理的無線化、智能化提供了很好的解決方案。?
參考文獻?
[1] 韓斌杰.GPRS原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社,2003.?
[2] 中華人民共和國水利部.河流流量測驗規范GB 50179-93[M] .北京：中國計劃出版社,1993.?
[3] 梁嵐珍,陳志軍,南新元.流速儀信號計算機采集系統的設計[J].自動化儀表,2002,23（9）:38-41.?
[4] 廖利芳,張勁松,李文耀.基于GPRS 的水文數據采集系統的設計[J].光通信研究,2007(1):48-49.?
[5] 潘娟,王吉星,李 凌. 水文數據在站存儲及GPRS遠程提取技術[J] .水利水文自動化,2006(4):10-12.