基于GPRS的水位预警监测器设计研究

宋逢泉, 胡功达, 江海燕, 李国祥

(合肥工业大学 电子科学与应用物理学院,安徽 合肥 230601)

城市内涝是危害城市安全的气象衍生灾害之一。近年来我国一些城市在入夏以后因暴雨频发而经常出现内涝事件[1],已经引起市政、防汛、路政等政府有关部门的高度关注,并促使有关部门开始加快城市道路积水监测系统的建设[2-4]和应急管理体系的研究及应用[5]。对城市道路重要积水点进行水位监测,并及时提醒行人及车辆驾驶人员,可避免其误入可能发生内涝的积水路段。

基于目前较为成熟的通用分组无线服务(General Packet Radio Service,GPRS)技术[6],本文项目课题组开展了新型城市道路水位预警监测器的设计和研究工作。通过超声波测距的方法,实时监测道路的积水深度,并通过内置的GPRS无线通信模块,实现水深信息的实时传输与发布。当监测路段的水深达到报警限值时,即可向市政管理部门相关人员发送预警短信,及时提醒其在重点内涝路段设置道路积水警示标志,以避免行人和车辆误入。与现有的大型内涝预警系统相比,本项目系统的设计方案,具有成本低廉、安装简单、使用方便和快速准确等优点,可以实现非接触式测量、远程水位监控及报警功能,在测试实验中已经达到了设计要求,具有一定的应用价值。

1 总体结构

基于GPRS技术的水位预警监测器总体结构主要由数据采集单元、控制单元及数据显示单元等3个功能单元组成,如图1所示。

图1 监测器总体结构

数据采集单元由超声波传感器和温度传感器组成。其中,超声波传感器主要用于采集道路积水深度的实时数据,温度传感器为超声波传感器提供温度补偿,避免因外界温度变化引起声速改变而导致的测量偏差,从而提高了数据采集的稳定性。

控制单元是整个水位预警监测器的核心部件,采用STC89C516单片机[7]来实现系统的全部控制功能:① 控制超声波传感器、温度传感器及液晶屏的工作;② 控制GPRS模块,向市政管理人员手机实时发送水位预警短信。

数据显示单元包括现场显示和远程显示2种功能模式:

(1) 在监测点位置现场,系统自带液晶屏幕直接显示积水深度数据。

(2) 通过监测器的GPRS模块,向相关市政管理人员发送手机水位预警短信,远程显示积水深度数据。

2 硬件设计

2.1 控制单元

本系统选用STC公司的89C516型单片机作为控制单元的核心部件。STC89C516单片机是一种采用8051内核的在线可编程器件,具有在线系统串口编程(in-system programmable,ISP)功能,拥有64 Kibit的 Flash存储器和128字节随机存取存储器(random access memory,RAM)。它的CPU芯片设置有40个引脚,有32个I/O口可供用户使用[8],如图2所示。

图2 STC89C516芯片引脚分布

该单片机具有良好的抗干扰性能和节能性能,与传统的51系列单片机相比,其内部的时钟电路、供电系统、I/O接口及复位电路等都进行了可靠性和稳定性处理[9],其性能指标可满足本系统对于温度传感器、超声波传感器、GPRS模块及液晶显示模块等部件的控制要求。

在本系统设计方案中,分别使用单片机芯片的P0.0～P0.7引脚和P2.5～P2.7引脚与液晶显示模块连接,实现单片机向液晶显示模块发送水位深度数据和控制指令;分别使用P3.7引脚和P2.0、P2.1引脚,与温度传感器和超声波传感器连接,实现对这2个传感器的控制;使用P3.0和P3.1引脚连接GPRS模块,通过串口方式向GPRS模块传输数据,并控制GPRS模块对外发送预警短信。

2.2 数据采集单元

2.2.1 超声波测量水位的基本原理

数据采集单元由超声波传感器和温度传感器共同组成。其中,超声波传感器用于直接测量水位深度,它由超声波发射器、超声波接收器和控制电路等组成,其测量水位深度的基本原理如图3所示。

图3 超声波测量水位的原理

在待测水面上方的适当位置安装超声波传感器,由超声波发射器向水面定向发射超声波,超声波束在到达水面后被反射,反射波束被超声波接收器接收。

若上述超声波束从发射到接收的时间间隔为Δt,根据超声波在空气中的传播速度v,即可求出超声波传感器距离水面的高度L,又已知超声波传感器安装位置距离地面的高度为H,因此,水位深度D的计算公式[10]为:

(1)

超声波在空气中的传播速度,会受到空气温度、湿度和气压等因素影响,其中最主要的影响因素是空气温度。超声波在空气中的传播速度与温度的关系[11]为:

(2)

其中,γ为气体的摩尔定压热容与摩尔定体热容的比值,空气取值为1.4;R为普适气体常量,取值为8.31 J/(mol·K);M为气体分子的摩尔质量,空气取值为28.8×10-3kg/mol;T为热力学温度。

根据温度传感器实测的空气温度,使用(2)式可以获取超声波在空气中实时传播速度的大小,实现对(1)式的温度补偿,可有效降低因气温变化改变声速而导致的水位测量数据偏差。

2.2.2 超声波传感器的选用

根据本系统测量水位高度的精确度要求, 选用HC-SR04超声波模块[12]作为超声波传感器。该模块可提供2～400 cm以内的测距功能,测量精度可达到3 mm,其部分电路原理如图4所示。

图4中,Trig引脚与单片机芯片的P2.1引脚连接,专门用于超声波传感器的初始化;Echo引脚与单片机芯片的P2.0引脚连接,Echo引脚为高电平时,传感器向水面发射超声波,当超声波被反射并回到传感器探头时,Echo引脚自动变为零电平。Echo保持高电平的时间,就是(1)式中的计算参数Δt,利用单片机的中断和定时计数器来采集。

图4 超声波模块部分电路原理

2.2.3 温度传感器的选用

温度传感器选用美国Dallas公司生产的DS18B20型单总线数字温度传感器,它具有体积小、精度高、抗干扰能力强等优点[13],测温分辨率可达0.062 5 ℃。DS18B20采用独特的单线接口,通过串行数据传输方式与单片机芯片的P3.7引脚相连;单片机通过该引脚向DS18B20传输单字节或多字节命令,实现温度传感器的初始化、温度测量及转换温度数据等功能,并从DS18B20中获取一定格式的温度数据信息。

2.3 数据显示单元

数据显示单元通过液晶显示模块实现水位监测数据的现场显示,并可通过GPRS模块向相关市政管理人员手机发送水位预警短信,以手机短信方式远程显示积水深度数据。

2.3.1 液晶显示屏的选用

由于本系统尚处于设计研究阶段,为便于观察测试数据及程序调试,选用常用的LCD1602型液晶显示屏作为水位高度数据的显示设备。LCD1602芯片与单片机芯片的引脚连接如图5所示。

图5 LCD1602芯片与单片机芯片的引脚连接

将LCD1602芯片的DB0～DB7引脚分别与单片机芯片的P0.0～ P0.7端口连接,可实现显示数据信息传输。另外,单片机芯片通过与LCD1602芯片的RS、RW及E引脚连接,实现对于液晶屏幕显示的时序控制。

2.3.2 GPRS模块的选用

GPRS模块选用SIMCOM公司生产的SIM900A型GPRS模块产品,其芯片引脚如图6所示。它是一款工业级双频全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications,GSM)/GPRS模块,支持手机用户识别(subscriber identity module,SIM)卡,内嵌传输控制协议(Transmission Control Protocol,TCP)/网际协议(Internet Protocol,IP),使用通用异步收发传输器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)通信技术实现数据传输,支持设备AT(Attention)指令集,可使用AT指令控制SIM900A模块接收用户指令，并发送终端数据包[14]。

图6 SIM900A芯片引脚

本系统使用单片机芯片的P3.0和P3.1引脚,分别连接GPRS模块的TXD-O和RXD-I引脚,实现两者之间的异步串行通信,通过P3.1引脚向GPRS模块发送字节型的指令和数据。其中,指令包括设置中英文字符集和设置接收短信的手机号等;数据则主要是发送短信的内容。

3 软件设计

系统的主程序流程如图7所示。系统启动以后,首先是超声波传感器、温度传感器、GPRS模块及液晶显示屏的初始化,然后开始执行大循环程序。在大循环程序中,首先是温度传感器获取实时环境温度数据,然后是调用超声波传感器的子程序采集初始水深数据,并将实时温度作为补偿参数计算出实际水位深度,在液晶屏上显示。同时,将实测水位深度数值与系统预置的警戒水位数值作比较,若实测数值超过预置警戒数值,则调用GPRS模块的控制子程序,启动GPRS模块,向系统中已经预设的市政管理人员手机发送水位深度预警短信;若实测数值小于预置警戒数值,则不调用GPRS子程序,再次执行大循环程序,通过循环程序来实现水位深度的实时监测。

图7 系统主程序流程

4 测试实验与分析

在完成水位预警监测器系统的软硬件设计后,将单片机、各传感器和液晶显示屏等硬件部件进行初步的接线焊接和组装,构成一套实验测试系统;然后开展水位深度测量和预警短信发送的测试实验,以验证系统设计方案的可行性和可靠性。

在水位深度测试实验中,分别在2个不同高度位置安装该测试系统,每个高度各测试5个水位深度数据,结果见表1所列。从表1可以看出,测量误差的最大值为7 mm,且随着水位深度或者测量距离的增加,测量的误差也会有所增加。

表1 超声波传感器的测量数据 mm

产生上述测量误差的主要原因是环境因素的综合影响。由于超声波在空气中传播时,其波动能量实际上会被空气分子吸收,超声波强度会随着传播距离的增加而发生e指数函数规律的衰减,这样就会使测距的误差有所增加。另外,超声波在空气中传播,不仅会受到空气温度的影响,而且空气的湿度、气压、密度及分子成分等多种因素也会对测量产生影响。因此,本文在计算超声波在空气中的传播速度时,仅仅考虑温度补偿是不全面的,没有考虑上述其他因素的影响,需要进一步研究后加以改进和优化。

在水位深度预警短信发送的测试实验中,GPRS模块装入中国移动的SIM卡,并在程序中预置了该SIM卡所对应的手机号码,当实测的水位深度超过程序中预置的警戒水位深度数值时,系统可以向该手机发送预警短信,达到了系统的设计要求。

5 结 论

本文介绍了一种新型城市道路水位预警监测器的设计和研究工作。在设计中,应用超声波测距的方法,进行水位深度的测量,并使用单片机控制多个传感器及功能部件的协同工作;利用比较成熟的GPRS技术,通过单片机驱动GPRS无线通信模块,实现水位深度信息的实时远程传输与发布。测试实验结果表明,系统整体运行稳定、水位深度数据采集基本准确、预警短信发送及时,基本达到了系统的设计要求,可以满足城市道路水位预警监测工作的需要,具有一定应用价值。