GPRS技术在农村自来水远程遥测遥控系统中的应用

张　祥　朱　琳　刘立轩　邢　彪

(内蒙古电力(集团)有限责任公司乌兰察布电业局1，内蒙古 乌兰察布　012000；内蒙古科技大学材料与冶金学院2，内蒙古 包头　014010)

GPRS技术在农村自来水远程遥测遥控系统中的应用

张祥1朱琳2刘立轩1邢彪1

(内蒙古电力(集团)有限责任公司乌兰察布电业局1，内蒙古 乌兰察布012000；内蒙古科技大学材料与冶金学院2，内蒙古 包头014010)

摘要：鉴于传统的人工抄表模式存在漏抄、估抄、自来水自动控制工作量较大且效率较低等问题，为提高新农村供用水自动化管理水平，提出一种供用水远程监控方案。控制系统的监控主机通过G200型GPRS通信模块实现与终端供水站的远传水表以及测控模块ADAM4060之间的通信，进而完成对用户用水情况的实时遥测与遥控。实际运行证明，系统运行稳定可靠、准确无误，在我国地理位置比较分散的农村地区具有一定的实践应用和推广价值。

关键词：GPRS远程抄表远程遥测远程遥控无线通信远传水表干簧管控制系统

0引言

农村地区长期以来用水一直采用包月制方式，这种模式不但不利于供水部门对用水情况的监控，更不利于环保节水。农村地区自来水用水量的采集一直是靠人工来完成的，为提高农村供水自动化管理水平，在农村地区对自来水用水量实施远程遥测采集系统。由于农村地区地理位置较分散，考虑目前移动网络覆盖范围之广，采用GPRS网络构建远程无线遥测遥控系统。

1系统工作原理

本系统采用PC机作为上位机，负责接收各监控站点采集回来的用水量信息，并可根据需要对各监控站点发布启、闭阀命令；由单片机、传感器和执行器组成下位机终端系统，负责响应上位机的命令[1-2]。系统总框图如图1所示。

图1　系统总框图

2供水站终端系统硬件的设计

供水站终端系统主要包括GPRS模块、远传水表和阀控装置的设计。GPRS模块选用北京捷麦生产的G200，以实现接入GPRS网络的功能；远传水表由普通旋翼水表加装采集传感器改装而成，采集传感器设计时采用干簧管来实现脉冲发信，选用高速微处理器AT89C52作为中央处理单元；阀控装置选用研华ADAM4060网络模块，以实现远程遥控功能。下位机系统构成示意如图2所示。

图2　下位机系统构成示意图

2.1远传水表的设计

在普通旋翼水表相应位置上，加装磁钢和干簧管便构成了一个远传水表。当水流推动叶轮旋转时，每旋转一圈便通过干簧管发出一个脉冲信号，单片机系统通过对脉冲数量的累计便可计算出流量[3]。最终只有4根线从水表中引出，分别是2根电源线和2根数据线。供电电源采用12 VDC开关电源，经稳压模块LM7805稳压成5 V后给单片机系统供电。采用MAX485E芯片，实现远传水表以RS-485总线的形式和外界通信。

2.2采集器的设计

为了克服单干簧管易受水锤现象影响而误计各种临界颤动信号的现象，一般的解决办法是安装双干簧管，或安装一个加装偏置磁钢的单干簧管，又称自保持开关。采用双干簧管计数虽然也能避免单干簧管在临界状态反复吸合的现象，但在软件程序上由于要处理两个干簧管的信号而变得复杂。而带有自保持功能的单干簧管在软件设计上只需要处理一个干簧管的信号,简化了程序，并大大提高了通用性。本设计决定采用具有自保持功能的单干簧管传感器。具有自保持功能的干簧管传感器构成示意如图3所示。

图3　自保持开关示意图

将干簧管和一个永磁体用环氧树脂密封在一起，便构成了一个具有自保持功能的传感器。将其安装在水表观察窗玻璃上，在水表的转盘指针上设置一对具有不同极性的两块磁铁，其优点是利用偏置磁钢的磁力可以保持干簧管导通或断开的状态。如图3所示，右边的偏置磁钢始终将右边簧片感应为N极。指针转动时，当磁针的S极一端转到干簧管的感应部位时，把左边的簧片磁感应为N极，同名磁极相互排斥两簧片分开。当S极转走以后，此时干簧管具有自保持的作用(即两簧片一直保持断开的状态)，直到磁针的N极端来临，将右边的簧片磁感应为S极，异名磁极相互吸引两簧片吸合，并一直保持吸合状态直到磁针的S极再次来临。依此周而复始，干簧管只有在指针转动达到半周及以上才能实现一通一断，产生一个有效脉冲，从而有效地消除了因指针小范围的往复摆动造成的感应误差。在干簧管传感器的外边设置一个屏蔽罩，可以防止外来磁场的干扰，这样只用了一个传感器便可以完成以往两个传感器的工作，而且可靠有效[4]。采集电路如图4所示。

图4　采集电路图

为了延长传感器的寿命，脉冲常数设置为10 P/m3，表示每立方米发送10个脉冲(也即每0.1m3发一个脉冲)，磁性指针安装在×0.01指针上面。图4中,K是具有自保持功能的感应开关。当K闭合时,输出高电平，当K断开时,输出低电平。设置特殊功能寄存器TMOD为26 h，使单片机内部的定时/计数器T0按8位自动重装计数模式(方式2)对P3.4(T0)引脚发讯的脉冲进行计数，使T1工作在方式二定时器模式，用作串口通信波特率发生器。设置T1的时间常数为FDH，确保在SMOD=0晶振频率为11.059 2 MHz时的串口波特率为9 600 bit/s。T0方式2工作时设置初值为56,计数器宽度仅有8位,最多只能计数到256,因此要用软件对计数器进行扩展。当一次计数溢出时，向CPU请求中断,计数器清零,然后将用水量新累加的20 m3进行存储。

2.3阀控装置的设计

本设计用电动蝶阀来实现供停水功能。电动蝶阀由电动执行器和蝶阀组成，蝶阀结构简单、质量轻，特别适合制作较大管径的阀。电动执行器选用上海上普工控设备生产POE系列阀门电动执行器，控制方式采用开关型带无源触点反馈。装置具备手动操作功能，在断电时可通过手动操作来开关蝶阀。开阀与关阀不可同时工作，在设计上采用电气互锁方案。开关型带无源触点反馈的电动执行器的接线图如图5所示。

图5　开关型带无源触点反馈示意图

供水站的GPRS模块收到监控中心的阀控命令后，通过数据采集测控模块ADAM4060控制电动执行器完成。ADAM4060是一个4路继电器输出模块，其可受一系列指令进行远程控制。ADAM4060模块接线如图6所示。

图6　ADAM4060模块接线图

阀门启闭工作流程如下：监控中心发布的远程关阀命令通过主站G200模块发射至供水站终端的分站G200模块，经由485总线传给ADAM4060模块控制中间继电器KV1的线圈得电，使其常开触点KV1接通电动执行器关阀操作控制回路进行关阀操作。当阀门关到位时，电动执行器4、6端子经内部开关自动接通输出无源触点全关指示信号，只要在外部端子4、6之间接上电源和中间继电器KCS的线圈，用其常闭触点便可作为电动执行器停止工作的反馈信号；同理，中间继电器KV2的线圈受监控中心发布的开阀命令控制而得电，使其常开触点KV2接通电动执行器开阀操作控制回路进行开阀操作。当阀门开到位时，电动执行器4、5端子经内部开关自动接通输出无源触点全开指示信号，只要外部端子4、5之间接上电源和中间继电器KOS，用其常闭触点便可作为电动执行器停止工作的反馈信号。

3模块参数设置与协议设计

3.1ADAM4060 模块参数设置

ADAM4060是一个具有网络数据采集4通道输入和4路继电器输出控制功能的模块，用于实现远程启闭阀门的控制。ADAM4060模块的默认设置如下:地址为01，波特率为9 600 bit/s，DIO模块采用方式为40且禁止校验。ADAM4060模块实施远程遥控的相关命令说明如表1所示。

表1　ADAM4060模块相关命令

由于每个监控从站都有各自的ADAM4060模块,故从站G200下的4060模块地址均设置为02,波特率均设置为9 600 bit/s，对各供水站阀门的控制是靠各从站G200地址的不同来区分的。监控中心发布阀控命令时，只要指定从站G200的目标地址，便可实现对该供水站的停供水功能。

3.2GPRS模块参数设置

根据GPRS模块所处位置的不同，将GPRS模块分为主站与分站，皆起“数据实时中转”的作用。G200模块在使用前应根据不同的应用要求进行参数设置，主要包括模块身份地址、目标地址、工作方式、串口数据格式、波特率等相关参数的设置。本设计以对4个供水站的监控为例说明问题，具体参数设置如表2所示。

参数设置说明如下：模块地址由工程号和站点号两部分组成，同一个系统中主站和从站具有相同的工程号(本系统工程号为4)，主站站点号为000，从站站点号则从001开始依次递增编址。主从站应有相同的心跳时间(300 s)与波特率(9 600 bit/s)。主从站均采用主动工作方式是为了对上、下位机随时发布的数据进行“转发入网”的功能。主站采用格式传输，便于指定当前与之通信的目标从站，传输时以D701H为字头，再加上目标地址与数据内容。从站的任务是响应主站访问，因此所有从站均设置为透明传输也即智能回传。

表2　监控中心及监控终端从站GPRS模块基本参数设置

3.3远传水表通信协议设计

按照CJ/T 188-2004 标准字节格式和要求，设计远传水表通信协议。传输次序为所有多字节数据域均先传送低位字节，后传送高位字节[5]。由于模块正常工作时大部分时间处在睡眠状态，当上位机与其通信时，须先发送若干个前导码FEh来唤醒，前导码的具体个数应随着波特率大小而增减。

由于整个系统的波特率是9 600 bit/s,因此本模块在发读累计流量命令之前应先发16个前导码。读对地址为00000140802509的水表累计流量的数据帧格式如图7所示，水表回复当前流量为000010.88 m3的响应数据帧格式如图8所示。

字节012-891011-12131415说明68hTAddr01hL901Fh01CS16h发送6810092580400100000103901F011B16

图7　读水表累计流量的传输数据帧格式

图8水表响应返回的数据帧格式

Fig.8Frame format of response feedback data of water meter

4系统软件设计

4.1上位机监控系统程序的设计

上位机监控中心主要负责向各监控终端发布命令，并对各监控终端的响应数据进行实时接收、处理、显示及存储；根据接受到的数据自动甄别，以便针对不同的数据作出相应的处理。上位机主要实现如下功能：对系统设备的在线状态进行自动检测；对抄收的数据进行自动分析；发送抄表命令并可以手、自动切换发送，自动发送时可按需求更改抄表周期。上位机工作程序如图9所示。

4.2系统监控软件的设计

监控中心是系统完成数据处理的中心环节，用以建立人机交互平台、实现监控中心和监控终端的通信、数据传输及设备监控等功能[6-7]。系统监控中心软件及数据库系统是用Visual Basic语言和SQL Server 2008数据库开发的[8]，可实现如下功能。①系统监控。接收各监控终端采集的数据并进行相应的处理和存储。②数据库管理。系统定期进行数据备份和清除无效信息，确保查询和存储数据的速度。③报警提示。自动判别各地区用水情况，并对欠缴水费的用户给予报警提示。④设备管理。实时监测系统各在线设备的运行状态，当遭到恶意破坏出现断线故障时，根据需要可停止供水。⑤用户管理。管理用户信息并设置不同用户的使用权限，且可供用户实现历史数据查询、统计、打印等功能。

图9　上位机工作程序图

5结束语

本设计以实际的工程项目为依据，利用当今比较成熟的GPRS无线通信技术，针对我国农村地区的用水监管问题，自行开发具有通用性的远程监控系统。该系统具有如下特点：经过简单的改造便可将普通机械水表制成远传水表，经济成本得以大大降低；上位机监控软件具有自动抄表、计量计价、缴费结算以及统计分析等功能。应用GPRS无线通信技术实现对用户用水的远程监控，具有显著的社会效益和经济效益，其先进性、实用性以及可靠性必将使其在整个供水行业得到广泛应用。

参考文献

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[2] 郑丹丹,刘明兰,何超.基于 GPRS/GSM的电梯远程监控系统设计[J].自动化仪表,2007,28(12):49-54.

[3] 佀金玲.无线远传大口径水表的数据采集与管理系统[D].石家庄:河北科技大学,2013.

[4] 胡宸源.基于干簧管远传水表终端可靠性研究[J].工业控制计算机,2012,25(12):88-89.

[5] 罗俊生.远传智能水表集抄系统的设计[D].武汉:武汉理工大学,2007.

[6] 郭荣祥,魏仕虎.GPRS技术在井水灌溉无线遥控系统中的应用[J].制造业自动化,2014,36(7):131-133.

[7] 王成,王志新.基于无线局域网的大型海上风电场远程监控系统设计[J].机电一体化,2007(5):38-42.

[8] 郭锐,徐玉斌.一种基于GPRS的远程监控系统[J].太原科技大学学报,2006,27(5):1-6.

Application of the GPRS Technology in Tap Water Telemetry and Telecontrol System of Rural Area

Abstract：In traditional manual meter reading mode,inevitably there are some problems such as miss reading and estimated reading,at the same time,the automatic control of the tap water is in larger workload and low efficiency.In order to improve the automation management level of water supply and usage in new rural areas,the remote monitoring scheme is put forward.In this system,the communication among host computer and remote water meters and measuring and control module ADAM4060 in water supply station is implemented through G200 GPRS communication module; and the real time telemetry and telecontrol of the use of water are completed.The practical operation proves that the system runs stably,reliably,and precisely; it has certain practical application value in our geographically dispersed rural areas.

Keywords:GPRSRemote meter readingRemote telemetryRemote telecontrolWireless communicationRemote water meterDry reed switchControl system

中图分类号：TH86;TP29

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605015

修改稿收到日期：2015-10-27。

第一作者张祥(1989-),男，2015年毕业于内蒙古科技大学控制工程专业，获硕士学位，助理工程师；主要从事电气自动控制及无线通信方向的研究。