基于GPRS与CAN总线的水情智能监测系统的设计与实现15598.doc

基于GPRS与CAN总线的水情智能监测系统的设计与实现摘要：本文研究并开发了一种现场采用CAN总线进行数据采集，而利用GPRS进行数据传输的远程水位实时监测系统，该系统借助成熟的GPRS无线数据通信技术，结合TCP/IP通信协议，实现了CAN总线报文和IP协议的相互转换并通过GPRS无线网络和互联网传输CAN总线报文信息，进而对水库、河流等水情进行自动、实时、可靠的监测。关键词：GPRS；CAN总线；水位监测系统引言：我国地域辽阔，地形复杂，气候变化无常，河流来水量变化剧烈，水、旱灾害发生频繁，大小洪水连年不断。报汛不及时，水情不明是导致灾情加重的重要原因，水情信息是防汛抗旱决策的重要依据。它的实时性和可靠性是决策实时性、科学性的前提【1】。水情信息的及时采集可以对洪涝灾害实施有效的监测和预警；建立一套经济实用的、符合我国国情的水情采集传输系统势在必行。本文所设计的系统采用CAN总线和GPRS技术，具有费用低廉、建设周期短、可靠性高、实时性强等特点，提高了测报速度、预报精度，扩大了测报范围和内容。动态实时地监测水位、雨量等水情信息，对防汛、抗旱及水资源合理利用起到重要作用。1.GPRS系统与CAN总线的简介1.1 GPRS系统概述GPRS(General Packet Radio Service)是在GSM系统上发展起来的一种无线分组数据承载业务【】，由于GPRS自身的技术特点和优势，GPRS在远程监控中具有实际应用价值。首先，作为无线系统在实现上比有线系统简单容易，尤其在水库、河流等环境比较恶劣、分布偏远的野外地区。其次，系统利用率高，可以同时监控多个被监控对象，减少了系统重复建设和人员维护，可实现野外无人值守。同时，能提供端到端广域的无线IP连接。用户可以通过全球移动通信系统，以无线连接的方式方便、快捷地接入固定IP网络，利用公网不需自建和维护通信网【】；结合水位数据传输突发性、间断性、频繁性和实时性特点，系统选用成熟的GPRS DTU(data terminal unit)作为远程数据传输模块，将水位和降雨量等信息形成IP数据后通过GPRS网络传输到中心站计算机，保证数据及时、准确传输的前提下，将系统运行费用降到最低。1.2 CAN总线传统的监测系统中,一般使用BITBUS总线和RS-485总线，它们在应用中存在以下缺陷:1)BITBUS总线和RS-485总线只能有一个主节点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性较差；2)数据通信方式是命令响应式，从节点只有收到主节点的命令后才能响应，一些重要的信息得不到及时上传,系统灵活性、实时性差；3)BITBUS总线和RS-485总线的抗干扰能力及纠错能力差。CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是一种有效支持实时控制的串行通信网络，与一般的通信总线相比，CAN总线具有先进的主网络结构，实时性好，通讯距离远，数据传输速率快，具有较好的差错控制能力，可靠性高、系统容量大、扩充容易、安装方便、维护费用低、性价比高等优点，特别适用控制节点多，分布较散的监控场所【】。因此，本设计采用CAN总线来实现对水情信息的采集，可提高系统的可靠性、实时性和灵活性。2 系统的总体结构框架该水情自动监测系统采用“分散监测，集中处理”的模式进行设计，整个系统由现场水情远程终端监测基站、GPRS通信网络和水情遥测中心站三大部分构成。系统总体结构如图1所示。现场需要采集的水位、雨量等水情数据，通过相应的传感器连接到CAN网络中，进行数据的采集。GPRS远程传输部分主要是将已采集的数据经过压缩整理，再由GPRS模块经GPRS和Internet网络发送到本地的服务器上，数据经处理后，水情信息导人数据库备份、这些数据可指导水利部门采取相应的措施而对实际水情加以利用或控制。终端电阻水情遥测中心基站-CAN总线GPRS网路图1系统总体结构框图Figue13.系统功能的实现3.1系统硬件设计3.1.1远程终端监测站远程终端测量站包括三大部分：一是采集模块，二是GPRS通信模块，三电源模块。其结构如图2所示。其中MCU模块选用MSP430F149，MSP430F149采用了最新低功耗技术，工作电流为0.1一400PA，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片超低功耗系统。该单片机具有低电压、超低功耗；具有12位的模数转换器；拥有大容量的存储空间；两通道串行通信接口；以MSP430F149单片机为核心的数据处理单元，通过的模拟/数字通道对翻斗式雨量计、压力水位计采集到的水情数据进行分析、预处理以及存储；通过串行通信接口连接到CAN网络中，完成CAN总线数据报文的收发和协议转换；并通过串行通信接口与GPRS模块进行连接，通过AT命令控制GPRS数据收发器上网进行数据收发。考虑野外现场没有市电，系统选择了太阳能电池加蓄电池的供电方案，阳光充足且太阳能电池板输出满足系统要求时，太阳能电池板为终端供电并对蓄电池充电;阳光强度不够时则由蓄电池为系统终端供电。3.1.2 数据传输网络数据传输网络包括移动交换中心MSC（Mobile Switching Center）、业务支持节点SGSN（Serving GPRS Supporting Node），网关支持节点GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）和互联网。以GPRS通信网承载的IP数据包传输时，GPRS数据收发器和SGSN之间采用无线传输，在GGSN和互联网之间则采用有线传输。结合本系统多点分散、数据量小、实时性要求高的特点，网关节点和监控中心间的通信协议选用UDP协议。3.2系统软件设计3.2.1现场遥测终端软件设计系统软件采用模块设计方式，由数据采集与处理模块、CAN通信模块、GPRS通信模块等组成。数据采集模块主要完成土壤湿度、大棚内空气温度与湿度、棚内气体浓度等数据的采集，并进行补偿和线性转换等处理，其程序流程如图7所示3.2.2遥测数据中心软件设计水情遥测中心是该系统的监控中心，从各现场采集点发回的水情数据在监控中心存储并显示，供水利相关管理部门查看，同时将水情数据整理后以Access数据库表保存，它由一台可以登陆公网的PC机和上位机软件构成。一方面水情遥测中心通过GPRS网络与现场自动采集站进行通信收发数据；另一方面进行数据库管理等服务。上位机软件为用户提供一个可视化界面，实时监测各监测点的水情数据。通过此软件，可查询历史数据库，查看各监测点水情信息的历史记录和统计曲线，从而为水利相关部门提供决策依据。4.结论本系统的设计实现了河流、大坝水位的实时测量和远程网络通讯，适用于对水位水情监控要求较高的领域。该系统的智能化、无线化、自动化的设计为水位水情提供了安全保证和精度需求。