基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统设计

江世雄，李熙，罗富财，陈垚，翁孙贤

（国网福建省电力有限公司，福建福州 350007）

近些年来，我国的水土流失情况变得越来越严重，水土流失面积占我国土地总面积的41%，给人们的生产生活和人身安全造成了严重的影响，政府对此非常关注，出台了一系列的水土保护措施。径流泥沙含量可反映水土流失程度，是一个关键的衡量指标，测量径流泥沙的含量是一项十分重要的工作，将测量得到的地表径流泥沙含量数据上传至监测系统，技术人员通过监测系统上的径流泥沙数据评估当地的水土流失状况，根据评估结果为预防水土流失采取相应的措施[1-2]。

为此，国内的研究学者们设计了大量的监测系统，其中包括利用反射率数据监测径流泥沙浓度、遥感法评估径流泥沙淤积状况、通过掌握径流泥沙与雨量的变化规律，对径流泥沙数据库进行信息管理、设计径流泥沙含沙量监测系统等几种方法，上述研究工作对径流泥沙的监测起到了一定程度的推动作用，但径流泥沙监测设备一般设置在水库、山区等无人看守的地区，需要工作人员现场采集监测数据，导致监测效率较低，以上设计的监测系统无法实现监测数据的实时上传和监测，很难满足无人实时采集的要求[3-5]。

基于以上传统监测系统出现的问题，该文设计了一种基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统，该系统采用GPRS 通信技术实现地表径流泥沙监测数据的远程传输，能够实时在线监测径流泥沙含量数据，并可以实现自动、实时数据存储，促使该系统实现网络信息化。

1 系统硬件设计

基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

根据图1 所示的硬件结构，分别设计采集器、控制器、传输器和监测器。

1.1 采集器设计

监测系统的采集器芯片选择三星公司的SM2394，该芯片集成了放大器、电压调节器和A/D 转换器等外设，该文设计的采集器主要用于采集水库、山区等地的径流泥沙含量数据，可本地存储8 MB 字节容量的数据，在监测现场就可进行数据存储。采集器内部设置了传感器，可采集地表径流泥沙的电压信号，将其进行离散化操作[6-7]。采集器结构如图2所示。

图2 采集器结构

传感器采集信号与电压信号进行对比得出相位差值信号，采集器采用线性滤波和求取均值的方式采集数据，且速度较快，可以实现30 s 采集30 个数据。采集器电路图如图3 所示。

图3 采集器电路图

1.2 控制器设计

监测系统的控制器模块主要包括数据存储模块、主控制器、状态控制模块。其中，数据存储模块可缓存并存储多路径流泥沙数据，并将数据输出至控制器后端模块，状态控制模块可以对比径流泥沙电流、电压信号之间的状态，并产生相应的状态控制指令。主控制器内设有存储器，该存储器的地址空间为256 MB，采集器采集的径流泥沙数据在由数据库输入存储器前，需要完成相应格式的数据打包操作，根据格式源包的大小将存储器的地址空间分成两部分：一部分为构成存储数据包的18-8 位地址，另一部分为构成存储数据包的7-0 位地址。由主控制器对地址指针进行控制，径流泥沙含量数据每构成一整包数据，该数据包地址加1，这样可以使存储器与地址信息进行交互，并通过主控制器对径流泥沙数据包内的数据地址进行处理，每完成一整包径流泥沙数据的读、写，整包数据就经由GPRS 通信技术远程传输至监测系统[8-12]。控制器电路图如图4所示。

图4 控制器电路图

1.3 传输器设计

监测系统的传输器选择TI 公司的TD5428，芯片选择三星公司的SD4398，传输器内部集成了单片机和处理器，具有丰富的外设和接口。传输器可利用串行通信接口和传输器芯片共同构成通信网络，在通信网络中可引入PC 机通过并行通信监测径流泥沙的浓度、含量指标，监测器的驱动器电容负载最高可达2 800 pF，通信距离不会受到电容的限制，并且在传输过程中不存在共地噪声，可以更好地抑制共模干扰，通常采用平衡式传输方式来传输径流泥沙的电流和电压信号，其输入和输出方式均采用差动方式，如果在传输过程中受到外界的干扰，驱动器的信号线会产生抗干扰电平，以保证差动输入和输出的正常运行。传输器内的单片机通过串行通信接口传输径流泥沙的状态信息，PC 机由USB 接口向监测系统发送径流泥沙的浓度数据[13-16]。

1.4 监测器设计

监测器内部150 ksps 的A/D 转化器是监测器的核心器件，具有8位分辨率，输入和输出范围为2～12 A，可以高效处理精度为2 mA 的输出电流，内置的传感器包括温度传感器和供电传感器，温度传感器可以监测径流泥沙的温度和浓度，转换器将供电传感器上的径流泥沙信息存储到存储器内，监测器的内置存储器存储容量为256 kB，可以协助监测系统的存储器完成对径流泥沙各项信息和数据的存储。监测器的通信接口包括动态再配置接口、状态监测接口和控制接口，动态再配置端口可以在任意时间读取存储在数据包中的径流泥沙信息，状态监测接口可实时监测监测系统所有器件的状态，如果有任何一个器件的状态信息出现异常，状态监测接口会将异常信息发送至后台，方便工作人员及时检测，保证尽快恢复对地表径流泥沙含量的采集、传输和分析。

2 系统软件设计

GPRS 通信是一种无线分组数据交换和数据传输技术，该技术利用GSM 的时隙，数据传输速率正常为61.7 kB/s，最高能达到178.4 kB/s。与此同时，GPRS 的接入速度快，可以随时向用户提供清晰的地址通道。移动用户完成登录操作后，GPRS 也会一直在线或者处于与用户连线的状态，能够实时在线。该文设计的基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统会始终伴有GPRS 网络，工作人员登录监测系统后，可以实时在线发送和接收径流泥沙所有的数据信息，根据径流泥沙的数据指标，及时掌握当地的水土流失情况[17-19]。

该文设计的基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统的流程如图5 所示。

图5 基于GPRS通信的地表径流泥沙在线监测系统流程

首先，采集地表径流泥沙的含量。利用监测系统的采集模块采集地表径流泥沙的泥沙量、当地前后两天的降雨量和径流总量这3 种数据信息，在采集过程中要确保没有其他因素的干扰，以保证采集数据信息的完整性和真实性。

采集完成后通过GPRS 通信技术进行远程实时传输，并将获得的数据信息存储至监测系统的数据库中。监测系统的通信模块属于接入终端设备，支持无线分组转移模式以及GPRS 通信网络，工作人员通过使用移动设备与GPRS 进行网络直连，在GPRS通信网络内嵌入了网络TCP/IP 协议，通过GPRS 与监测系统建立连接就可以进行数据信息的传输，在传输过程中，终端设备与网络服务器指定一个传输IP 地址，通过传输通道与终端设备进行连接，在接收数据信息发送的请求后，按照阻塞式接收方法与服务器进行连接，可以实时在线发送并接收数据信息包，接收到上传的径流泥沙数据信息包后，按照TCP/IP协议格式将其解析，最后将解析完的数据信息存储至监测系统的数据库中。

最后，显示并分析径流泥沙数据信息。将储存在数据库中的径流泥沙数据信息提取出来，以列表形式显示，或者通过计算机屏幕上的导出键将径流泥沙数据信息及其他信息以Excel 形式显示，对表中的数据信息按照相关条件进行筛选，筛选结果通过可放大曲线图表示，再由工作人员对表中的径流泥沙原始数据和曲线图中体现的变化规律进行分析，帮助工作人员观测和了解监测设备的连接状态和工作状态，便于及时进行维护，通过分析径流泥沙数据信息，了解当地地表径流泥沙的状态，掌握水土流失情况，及时采取预防措施。

3 实验研究

为了验证该文设计的基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统的有效性，采用了GPRS 通信技术，通过实验与文献[5]提出的基于多源雷达遥感技术的黄河径流反演研究进行对比，验证其有效性。文献[5]的监测系统采用遥感法评估径流泥沙数据结果，需要工作人员现场采集相关数据，存在较多的不确定因素，还会受到现场采集环境的限制，导致无法实现在线监测径流泥沙数据，并且监测效率较低。该文设计的基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统，采用了GPRS 通信技术，利用其较为理想的传输速率和实时在线的特点，使工作人员通过网络服务器就可实时监测地表径流泥沙的数据以及监测设备的运行状态，一旦发现监测设备发生故障，工作人员可以接收相关的异常数据从而判断故障原因，及时派遣维修人员进行维护，同时可以实时监测并掌握径流泥沙的数据信息，如果发现数据有较大的波动，则可以判断水土流失情况，从而及时采取相关预防措施，相较于现有监测系统更具有实时性，提升了监测的效率。

除此之外，该文设计的监测系统比文献[5]监测系统监测的径流泥沙含量数据具有更高的准确性，径流泥沙含量的监测值和实际值对比结果如表1所示。

表1 监测结果准确率

由表1 可知，该文系统监测到的径流泥沙数据值与实际值仅相差0.2 kg/m3，且监测值与实际值的最小差距为0.18 kg/m3，波动较小，数据较为稳定，而文献[5]系统监测的数据值与实际值相差了1.2 kg/m3，监测值与实际值的差距在1.2～1.5 kg/m3之间波动，波动较大。因此，该文设计的监测系统准确性高于文献[5]系统，稳定性更好。综上所述，该文设计的基于GPRS通信的地表径流泥沙在线监测系统具有更高的稳定性。

4 结束语

针对地表径流泥沙含量数据监测效率低，无法实现在线准确监测的问题，该文设计了基于GPRS 通信的地表径流泥沙在线监测系统。该系统利用GPRS 较高的数据传输速率以及实时在线的特点，从采集器、控制器、传输器和检测器硬件优化，以及更新地表径流泥沙在线监测流程两部分进行研究，实现了径流泥沙在线监测。性能测试结果表明，该文系统地表径流泥沙含量数据监测准确性较高，可为水土流失预警提供数据参考。