地下水是水資源的重要組成部分，是戰(zhàn)略性資源的主要部分。在保障城鄉(xiāng)居民生活支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和維護(hù)生態(tài)平衡等方面具有十分重要的作用。地下水位觀測(cè)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的水利工作，在研究地下水和工程建設(shè)等方面具有重要作用。地下水位動(dòng)態(tài)變化信息為地下水的開(kāi)采工作、地方生態(tài)維護(hù)以及工程建設(shè)等方面提供了重要參考依據(jù)。鑒于地下水位滿足實(shí)時(shí)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，本文給出了一種用于地下水動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

采集器的功能是將深井中的水位或水深信息收集起來(lái)，通過(guò)無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。為了節(jié)省人力資源，采集器需要長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)運(yùn)行。采集系統(tǒng)要求架設(shè)維護(hù)方便、無(wú)需布線等，這就要求盡量減少施工環(huán)節(jié)，提高工作效率，降低成本。因此，提出了以下設(shè)計(jì)要求：

（1）通信可靠；

（2）低功耗，電池供電；

（3）架設(shè)成本低；

（4）易維護(hù)。

1.2 現(xiàn)狀分析

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的采集模塊靜態(tài)功耗較大，一般為200 mW～600 mW不等，制作下位機(jī)體積大，需外加蓄電池和太陽(yáng)能板，容易被盜以及人為破壞；安裝復(fù)雜，在無(wú)電源地區(qū)使用時(shí)架設(shè)成本較高，不適用于條件較苛刻的專用場(chǎng)合；集成無(wú)線RTU體積也偏大，不能進(jìn)階二次開(kāi)發(fā)成專用產(chǎn)品，不能低壓供電也限制了在此系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.3 系統(tǒng)方案

GSM網(wǎng)絡(luò)通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。 SMS是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的短消息服務(wù)，它基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信。SMS支持GSM設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的消息傳送，并可傳送一條短信和容納140 B的文本信息。在目標(biāo)設(shè)備未在線或故障等情況下，短消息會(huì)暫存在運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器中，該種方式可以得到較高可靠程度。上位機(jī)系統(tǒng)可以是個(gè)人移動(dòng)設(shè)備也可以是支持SMS的專用監(jiān)測(cè)設(shè)備。

GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，資費(fèi)低，但在網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)數(shù)據(jù)丟包、掉線的情況時(shí)有發(fā)生。由于地下水變化相對(duì)緩慢，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以采用SMS方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信足以滿足要求，對(duì)于本系統(tǒng)資費(fèi)同樣低廉。

為了易于更換和維護(hù)采集器，采用通用的5號(hào)堿性電池供電。硬件上采用各功能模塊選擇性分離供電，軟件上采用定時(shí)采集、定時(shí)上傳的方式大大降低了功耗，確定了長(zhǎng)時(shí)間電池供電的可行性，從而免去了布線和安裝太陽(yáng)能電池的工序和成本。采集器與GSM通信模塊集成，縮小了體積，可內(nèi)置于被測(cè)井口處，以方便安裝和后期維護(hù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

采集器（下位機(jī)）由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時(shí)鐘日歷、信號(hào)調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

（1）主控制器：ATmega88V單片機(jī)作為采集器的微控制單元，內(nèi)置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲(chǔ)器，免去了外部存儲(chǔ)器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗，單片機(jī)工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下。

（2）時(shí)鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時(shí)鐘日歷模塊，由獨(dú)立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，CPU查詢時(shí)間確定采集器的工作狀態(tài)。

（3）壓力傳感器：采用國(guó)產(chǎn)的KY型壓力傳感器，集成電壓變送器，工作電壓為10.5 V～15 V，輸出信號(hào)為1 V～5V，量程為0 m～100m

（4）A/D轉(zhuǎn)換器： 使用的是AD7921，12位A/D轉(zhuǎn)換器，SPI串行接口，它由電壓基準(zhǔn)芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。

（5）信號(hào)調(diào)理：采用通用雙運(yùn)放LM2904調(diào)理傳感器輸出信號(hào)和電池電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供（12 V），對(duì)壓力變送器的1 V～5 V信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，首先前級(jí)為跟隨器，運(yùn)放的輸出用一個(gè)電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號(hào)，第二路信號(hào)為電池電壓信號(hào)，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值（7 V）調(diào)整為小于A/D轉(zhuǎn)換的滿度值電壓（2.5 V）。兩路信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字量化。

（6）電源管理：4節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)，取其中2節(jié)電池為單片機(jī)供電，用IRFU220與IRFU9530構(gòu)成2個(gè)推挽輸出由單片機(jī)的GPIO選擇性地為測(cè)量部分（包括壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路）和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個(gè)LT1086穩(wěn)壓后為GSM模塊提供3.6 V電源，由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號(hào)調(diào)理電路提供12 V電源。

（7）GSM模塊：采用Wavecom公司的GR64模塊，與單片機(jī)的接口為異步串行接口，編程時(shí)采用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置、會(huì)話以及打包數(shù)據(jù)和發(fā)送信息。

2.3 測(cè)量誤差分析

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 工作過(guò)程簡(jiǎn)述

在設(shè)備開(kāi)啟后，單片機(jī)會(huì)執(zhí)行各功能模塊的初始化程序，之后從時(shí)鐘日歷芯片中讀取當(dāng)前的日期和時(shí)間，之后判斷此時(shí)刻是否超過(guò)設(shè)定的測(cè)量時(shí)刻，如果超過(guò)測(cè)量時(shí)刻則進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)會(huì)開(kāi)啟對(duì)測(cè)量電路的供電，延時(shí)等待傳感器穩(wěn)定后，會(huì)連續(xù)采集100次數(shù)據(jù)存入RAM中。采集后測(cè)量電路供電將關(guān)閉，經(jīng)過(guò)中值濾波法求得最終保留的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)保存到單片機(jī)片上的EEPROM中。當(dāng)程序判斷當(dāng)前時(shí)間超過(guò)了上傳的時(shí)刻，則會(huì)開(kāi)啟GSM模塊，等待GSM模塊入網(wǎng)后先接收供電然后將要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照AT指令打包，并以短信的形式發(fā)給目的設(shè)備。如果數(shù)據(jù)發(fā)送超時(shí)，單片機(jī)將會(huì)把滯留的數(shù)據(jù)包存放在單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中等待下一次上傳。最后關(guān)閉GSM模塊又回到循環(huán)時(shí)間的查詢狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集頻率為1日2次，在測(cè)量時(shí)刻到來(lái)時(shí)，CPU啟用升壓電路為壓力傳感器和信號(hào)調(diào)理電路供電，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器供電，采集壓力傳感器數(shù)據(jù)和電池電壓數(shù)據(jù)后，關(guān)閉供電電路，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，測(cè)量結(jié)果保存在單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM中?？赏ㄟ^(guò)命令修改數(shù)據(jù)上傳時(shí)間。為了節(jié)省數(shù)據(jù)總線上的功耗，時(shí)間讀取不是實(shí)時(shí)的，用定時(shí)器中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀取，每分鐘讀取1次。上傳的數(shù)據(jù)總是前一天測(cè)得的數(shù)據(jù)。

在程序運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程單片機(jī)內(nèi)部的看門狗計(jì)數(shù)器被一直啟用，用于監(jiān)視采集器的正常工作，如果死機(jī)或程序執(zhí)行混亂，看門狗定時(shí)器會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。

3.2 程序流程圖

程序流程圖如圖2所示

3.3 協(xié)議設(shè)計(jì)

AT指令集是 ETSI （歐洲通信技術(shù)委員會(huì) ） 發(fā)布的一種移動(dòng)平臺(tái)與設(shè)備終端的通用接口指令 ， 其中包含對(duì)SMS的控制［7］。采集器向上位機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括功能碼、日期時(shí)間和采集到的數(shù)據(jù)。每一字節(jié)數(shù)據(jù)為ASCII碼形式。協(xié)議包括2個(gè)部分：

（1）采集器上傳報(bào)文的格式（除去AT指令）：DT（數(shù)據(jù)說(shuō)明）_上傳時(shí)間_測(cè)量日期_時(shí)間1_水深（單位：m）_時(shí)間2_水深（單位：m）#（結(jié)束），以一個(gè)數(shù)據(jù)示例的文本形式為：DT_2008/11/09/16:00_2008/11/08_02:00_23.40_14:00_23.10_16:00#。此數(shù)據(jù)的內(nèi)容是上傳時(shí)間為2008年11月9日16:00，2008年11月8日，2:00時(shí)水深23.40m14:00時(shí)，水深23.10m。

（2）上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)采集器發(fā)送命令的報(bào)文的格式（除去AT指令） ：ST（設(shè)置說(shuō)明）_設(shè)置日期及時(shí)間_時(shí)間1_水深（單位：m）_時(shí)間2_水深（單位：m）_上傳時(shí)間#（結(jié)束），以文本的形式表示則為：ST_2008/11/08/09:00_05:00_20:00_14:00#。此數(shù)據(jù)的內(nèi)容是時(shí)間設(shè)置為2008年11月8日9點(diǎn)，2次采集時(shí)間設(shè)置為5:00和20:00，上傳時(shí)間設(shè)為14:00。

在發(fā)送這條短信后采集器下一次發(fā)送短信的目的地址自動(dòng)調(diào)整為該地址。

4 實(shí)際測(cè)試

4.1 數(shù)據(jù)傳輸

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試中調(diào)整程序，使每隔半小時(shí)就上傳一次數(shù)據(jù)，中途隨機(jī)發(fā)送對(duì)采集器設(shè)置的信息，設(shè)置的上傳時(shí)間忽略不計(jì)，表1所列是接收450個(gè)短信息中的一部分。

表中，346和347號(hào)數(shù)據(jù)表明在2008/11/09/14:00時(shí)GSM模塊發(fā)生了入網(wǎng)超時(shí)，信息發(fā)送不成功，在14：30時(shí)原先發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)被重新成功發(fā)送。

在450個(gè)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試的過(guò)程中出現(xiàn)入網(wǎng)超時(shí)率為0.67%，數(shù)據(jù)丟失率為0。進(jìn)行過(guò)50次設(shè)置，設(shè)置失敗率為8%，但是后期延長(zhǎng)超時(shí)時(shí)間后，測(cè)試100次，設(shè)置失敗率降為2%。

4.2 能耗測(cè)試

（1）靜態(tài)等候：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作在32.768 kHz時(shí)鐘下電流消耗小于20μA，測(cè)量電路和GPRS模塊處于斷電狀態(tài)，供電推挽輸出為低電平時(shí)MOS管的漏電流小于10μA，時(shí)鐘日歷芯片獨(dú)立供電基本可以連續(xù)工作8年以上，將不計(jì)入功耗分析。每天24h運(yùn)行，一天的能耗共計(jì)720 μAh。

（2）測(cè)量： LT1613消耗1 mA的自身工作電流，傳感器工作時(shí)消耗的電流為10 mA（12V），實(shí)測(cè)5 V供電時(shí)從電池組吸取25 mA的電流，電壓基準(zhǔn)源消耗1 mA，A/D轉(zhuǎn)換器工作時(shí)消耗3 mA。測(cè)量的整個(gè)過(guò)程小于300 ms，每次測(cè)量共計(jì)消耗2.4 μAh的電能。

（3）數(shù)據(jù)上傳：GSM模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)電流為500 mA，接收數(shù)據(jù)時(shí)為20 mA，靜態(tài)時(shí)為2.5 mA， GSM模塊獨(dú)立測(cè)試過(guò)程中，一次數(shù)據(jù)上傳過(guò)程小于20 s，大約需要消耗200 μAh的電能。

綜上所述，一天測(cè)量2次上傳1次的工作過(guò)程共消耗0.925 mAh的電能。如果用電量為800 mAh的堿性電池可連續(xù)工作800天以上。但是由于電池保質(zhì)期和電池本身的自放電，再加上電量低水平時(shí)的內(nèi)阻，可以保證至少一年正常工作。

此采集終端靜全天正常工作的耗電量為0.925 μAh，采用4節(jié)AA型堿性電池可維持一年以上連續(xù)正常工作，測(cè)量誤差小于0.16%，與上位機(jī)系統(tǒng)通信協(xié)議接口簡(jiǎn)單、可靠性高。能夠較好地滿足地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)的需要。