引言

監(jiān)測收集江河水位漲落情況，并送到相關(guān)水文管理部門是水文工作中的一項重要任務(wù)，特別是雨季，監(jiān)測工作尤為重要，由于觀測點(diǎn)多、分散性大、距離遠(yuǎn)且往往地處偏僻，因此在數(shù)據(jù)采集尤其是要求頻繁采集時存在困難。目前，移動通信網(wǎng)已十分發(fā)達(dá)，信號基本覆蓋了城鄉(xiāng)各地，同時移動通信業(yè)務(wù)種類也在不斷推出，包括單向收費(fèi)、免月租計費(fèi)、包月包短信等各種套餐。在此形式下，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中利用短信平臺來傳輸非頻繁短數(shù)據(jù)成為一種省投資、省運(yùn)行成本、免維護(hù)的很實(shí)用的方案。監(jiān)測系統(tǒng)采用嵌入式GSM模塊，集成數(shù)據(jù)采集等電路完成基于短信服務(wù)平臺和話務(wù)平臺的無線監(jiān)測傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。它有2種方式：短信方式傳送數(shù)據(jù)和雙音多頻（DTMF）方式，兩者可互補(bǔ)，試驗(yàn)表明該設(shè)計成本低、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)組成概述

如圖1所示，系統(tǒng)由一個監(jiān)測主機(jī)和若干個監(jiān)測點(diǎn)子機(jī)構(gòu)成，它們通過移動通信網(wǎng)的短信平臺和話務(wù)平臺構(gòu)成信息通道，所依托的移動通信運(yùn)營商及模式?jīng)]有限制。在通常情況下，各測點(diǎn)用短信方式定時向監(jiān)測中心傳送水位實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，定時間隔可智能判斷、自動調(diào)整，遇汛期水位波動大，單片機(jī)根據(jù)水位的變化速率給出定時間隔，這在洪水季節(jié)水位波動大時十分必要。監(jiān)測中心也可以用短信方式向某子機(jī)發(fā)出指令，對子機(jī)的數(shù)據(jù)傳送間隔或其他功能要求進(jìn)行設(shè)置。如遇短信通道擁擠、堵塞，或有特別需求，監(jiān)測中心還可用通話方式通過“撥號呼叫”接通監(jiān)測點(diǎn)話路，然后監(jiān)測點(diǎn)用DTMF信號來傳送數(shù)據(jù)以作為互補(bǔ)。

2 水位測量方案

采用“浮球法”將水位增量轉(zhuǎn)為電壓值：基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，浮球1跟隨水位漲落而上下移動，通過鋼絲索3以及傳動機(jī)構(gòu)帶動精密多圈電位器轉(zhuǎn)動，球體2是平衡球。多圈電位器將+5 V電壓轉(zhuǎn)換成與水位相對應(yīng)的電壓值ui，再經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由單片機(jī)檢測、計算。為消除風(fēng)浪所造成的水面波動，“浮球法”必須建造豎井，將浮球置于井中以使水面平穩(wěn)。

3 測點(diǎn)監(jiān)測子機(jī)構(gòu)成原理

如圖3所示，主要由嵌入式GSM模塊MC35、DTMF信號發(fā)生器UM91210、單片機(jī)AT89S51、水位變換測量模塊、顯示模塊等部分組成。

MC-35是西門子公司出品的移動通信模塊，具有短信收發(fā)、撥號呼出、全雙工語音通信等功能，各項功能均由一個異步串行通信接口接收來自單片機(jī)或PC機(jī)的AT指令而實(shí)現(xiàn)；多圈電位器、4位半雙積分模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135通過圖2裝置將水位變化量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)89S 51的中斷口P3．3，經(jīng)單片機(jī)計算處理后，一方送LED串行顯示模塊；若需要上傳數(shù)據(jù)另一方面按照規(guī)定的格式組成AT指令數(shù)據(jù)包，由單片機(jī)的串口TXD送出，GSM模塊MC35的串口RXD接收后即以短信方式發(fā)往主機(jī)。

一般情況下，水位數(shù)據(jù)以智能定時方式主動上傳，但主機(jī)也可以向子機(jī)發(fā)短信指令要求上傳或設(shè)定定時間隔等，MC35收到來自主機(jī)的短信，從串口TXD輸出．單片機(jī)的RXD接收后即執(zhí)行相應(yīng)功能。

如遇短信信道堵塞，主機(jī)還可以向子機(jī)“撥號”呼叫，這時子機(jī)RINGO端會輸出振鈴信號，該信號周期為低1S高4S，單片機(jī)的INT0（P3.2）端檢測到這一信號即通過串口向MC35寫入一條“接收電話”的AT指令，使MC35進(jìn)入“通話”狀態(tài)，同時把水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為控制碼從P1口輸出給DTMF發(fā)生器UM91210，UM91210隨即根據(jù)控制碼從TONE端輸出相對應(yīng)的雙音多頻信號，GSM模塊MC35的MIC+（話筒輸入）端接收該信號并通過移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)往主機(jī)。水位數(shù)據(jù)由5位10進(jìn)制數(shù)組成，P1口每送一次控制碼，只完成1位（10進(jìn)制數(shù)）的上傳，P1口連續(xù)多次給出控制碼，即可完成整組數(shù)據(jù)的上傳。

4 監(jiān)測中心監(jiān)測主機(jī)構(gòu)成原理

如圖4所示，主要由GSM模塊MC35、DTMF信號解碼器MT8870、單片機(jī)AT89S51、顯示模塊、PC機(jī)等部分組成。

當(dāng)MC35收到子機(jī)發(fā)來的短信（水位數(shù)據(jù)）時，從其串行口TXD輸出至帶RS 232接口的PC機(jī)，PC機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示、報表等功能。

當(dāng)主機(jī)需要向子機(jī)發(fā)送指令時，使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊PC屏幕軟按鈕，PC機(jī)則按照規(guī)定的格式組成包含指令內(nèi)容的AT指令數(shù)據(jù)包，通過RS 232接口向MC35串口RXD端送出，MC35接收后即向子機(jī)發(fā)送指令短信，完成了指令下傳的工作。

當(dāng)主機(jī)需要以“撥號”方式呼叫子機(jī)時，可由PC機(jī)鍵盤輸入子機(jī)的“電話號碼”，然后點(diǎn)擊“撥號”按鈕（電話號碼也可以事先設(shè)定），則PC機(jī)由USB口經(jīng)“USB轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)換器”向MC35的串口RXD端寫入一條相應(yīng)的AT指令，實(shí)現(xiàn)了對子機(jī)的撥號呼叫；稍后，MC35就會收到從子機(jī)送來的DTMF信號，該信號從喇叭接口SP+端輸出，送入DTMF信號解碼器MT8870的IN-端，MT8870正確解碼后，在Q0，Q1，Q2，Q3端輸出4 b相應(yīng)的二進(jìn)制碼，同時STD端會輸出一個正脈沖，單片機(jī)P1．4端檢測到該脈沖，P1．0～P1．3即讀取二進(jìn)制碼。水位數(shù)據(jù)（包括結(jié)束符*）由若干位組成，因此MT8870的解碼、單片機(jī)的讀取須經(jīng)幾次，直到讀到“*”號才完成一組完整數(shù)據(jù)的讀取，然后單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理后送LED顯示器，同時由串口TXD端經(jīng)USB-232轉(zhuǎn)換器送PC機(jī)。

5 AT指令及DTMF信號傳送數(shù)據(jù)原理

5．1 AT指令

對于MC35，只要按規(guī)定從其串口輸入AT指令，就能執(zhí)行相應(yīng)的功能。本文中涉及到的有關(guān)AT指令如表1所示。

以上指令中0D是回車符的ASCII碼，1A是替補(bǔ)的ASCII碼，其余所有字符、數(shù)字均需轉(zhuǎn)換為ASCII碼后輸入MC35串口。

5．2 DTMF信號傳送數(shù)據(jù)原理

雙音多頻信號（DTMF）是一種由2個音頻混合組成的信號，所使用的音頻共有16個頻率，分別稱為高頻群和低頻群，各取其一個混合后來代表“0，1，2，…，9，A，B，C，D，*，#”等16個字符，其標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。由于其頻率落在音頻的主頻帶內(nèi)，因此可以通過電信網(wǎng)絡(luò)的話務(wù)通道傳輸，穩(wěn)定性、可靠性極高，抗干擾能力極強(qiáng)，且配套電路簡單，因而得到廣泛應(yīng)用。

本文使用UM91210來產(chǎn)生DTMF信號，該芯片是用于電話機(jī)的一種撥號芯片，價格十分便宜而性能非常穩(wěn)定，其設(shè)有“行線”R1，R2，R3，R4和“列線”C1，C2，C3，C4，使用行列線可組成4×4的矩陣鍵盤（電話機(jī)鍵盤），可輸入表2中規(guī)定的16個字符，當(dāng)有字符鍵按下時，若使HK端為低電平，則在TONE端會輸出相應(yīng)的雙音頻。圖3中，使用單片機(jī)的P1口線來控制UM91210產(chǎn)生DTMF信號，P1口的控制碼與UM91210所發(fā)送的DTMF信號以及所代表的字符的對應(yīng)關(guān)系如表3示。

在接收端（見圖4），MT8870是專用于DTMF信號解碼的芯片，當(dāng)MC35收到子機(jī)發(fā)來的DTMF信號并送入MT8870的IN-端時，MT8870將DTMF信號還原成二進(jìn)制碼，從Q0，Q1，Q2，Q3端輸出，輸出的二進(jìn)制碼與數(shù)字或符號的對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

6 模／數(shù)轉(zhuǎn)換原理

本文使用4位半雙積分A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135，精度高、價廉，轉(zhuǎn)換速度較低（2～4次／s）。本應(yīng)用中，該器件的使用方法與常規(guī)不同，如圖3所示，單片機(jī)的P3．4（T0）提供積分器所需的時鐘脈沖clock，在BUSY為高電平期間，與門開放，單片機(jī)的P3．3（INT1）對該clock計數(shù)，根據(jù)該計數(shù)值即可計算被測電壓ui。原理如下：

根據(jù)雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的工作原理，第一階段對被測電壓ui進(jìn)行定時積分，其定時時間固定為：

T1=n1×Tc （1）

第二階段對參考電壓UREF進(jìn)行定壓積分，積分時間為：

T2=n2×Tc （2）

式中：Tc是clock時鐘的周期；n1是第一階段積分期間內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值，本器件已知為20 000；n2是第2階段積分期間內(nèi)部計數(shù)器的計數(shù)值。設(shè)在積分期間被積分電壓為恒值，可以推得：

對于ICL7135，在積分（包括1，2兩個階段）期間，其“BUSY”端輸出高電平信號，圖3中，單片機(jī)在BUSY=1期間對clock計數(shù)，因此該計數(shù)值為n1+n2，而已知“n1=20 000”，所以“n2=單片機(jī)計數(shù)值-20 000”，于是根據(jù)式（4）可算得被測電壓ui。該方法電路連接簡單且編程亦較簡單。

7 結(jié)語

水文數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集的內(nèi)容涉及江河水位、水庫水位、雨量甚至氣溫、風(fēng)力風(fēng)向等方面，監(jiān)測點(diǎn)分散性大、數(shù)量多、地理環(huán)境差，若自建微波等無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，致使設(shè)備復(fù)雜、工程投入大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高。近年移動通信業(yè)務(wù)以及微電腦技術(shù)的迅速發(fā)展，可以很好彌補(bǔ)傳統(tǒng)上的不足，本文是基于移動通信平臺的一種設(shè)計實(shí)例，實(shí)驗(yàn)表明費(fèi)用低、可靠性高，具有較實(shí)用意義，可推廣應(yīng)用于相類似的其他領(lǐng)域。