基于GPRS 的水资源远程监测系统研究

张广驰

摘要：针对安徽省凤台县大型煤矿和电厂对地表水需求量的不断增加，水资源浪费的加剧，提出了水资源监测系统的设计方案。系统介绍了以流量计和嵌入式系统作为数据采集终端的硬件结构，设计了GPRS传输协议利用GPRS APN专网传输数据，最后监测中心通过中心WEB软件将数据库服务器处理的信息以友好的界面显示出来。实际证明，该系统具有可靠性高，传输速度快，费用低等特点，能够对水资源进行科学有效的管理。

关键词：监测终端； GPRS；中心WEB软件

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）11-2543-05

Abstract： According to the water resource management requirements of Fengtai area， Anhui province，the waste of water resources intensifies， puts forward the design scheme of water resources monitoring system. The system introduced in the meter and the embedded system as the hardware structure of the data acquisition terminal， designed GPRS protocol to transfer the data network， the monitoring center through the WEB software center database server processes the information displayed through friendly interface. In practice， the system has high reliability， quick transmission speed， low cost， to carry out scientific and effective management of water resources.

Key words： monitoring terminal；GPRS； center WEB software

随着凤台县境内煤炭企业和火力发电厂的不断建设，地表水资源的需求量正在不断增加，水资源管理不足的问题日益突出。如何尽可能的节约、利用水资源，提高水资源的信息化管理水平，已经成为迫切解决的问题。针对这一实际，凤台县水利局以现代水资源科学管理手段，大力推行计量取水工作，打造节水型社会，着力建设科学的水资源管理系统。

1 系统总体设计

本系统为典型的工程应用型远程监测系统，在水资源远程计量监测中，每个监测点可安装GPRS模块作为远端通讯设备，数据采集模块可以连接多台流量计或单台流量计，通过RS232/485串行口与GPRS模块连接，然后利用GPRS网络与在连接中心的主GPRS模块对数据进行传输通信，主GPRS模块再通过串口将接收到的数据发送到中心计算机。

系统总体结构如图1，可分为三大部分，监测终端的数据采集，GPRS无线通信网络以及监测中心的软件设计。具体内容如下：

1） 监测终端的数据采集：监测终端主要是利用超声波传感器对水资源流量等数据进行采集，存储，并响应监测中心的指令，通过设定的协议将数据打包发送。这要求对监测点软件、硬件都要进行设计。

2） GPRS无线通信网络：作为监测终端和软件中心的通信的桥梁，它能实时接收或发送数据，为系统中数据传输提供支持。通信网络的设计关乎到系统数据的安全性，可靠性，数据容量以及传输的速度。因此这就要求必须选择并组建良好的通信网络及通信协议。

3） 监测中心：通过对监测数据进行判断系统运行的实时动态，通过对数据的存储，分类，分析对信息进行管理，为管理者提供决策参考。要求设计中心软件，构建数据库进行数据的存储，备份和处理实现一定的功能[1]。

系统监测终端的硬件设计主要有三部分组成：

1）传感器 ：作为监测设备的最前端，流量计是采集数据的基础，它将采集的水量数据及时输入到控制器中。系统采用超声波流量传感器，根据超声波传输的物理特性，可以穿透一般的物体，利用传输时间差来计算采集量[2]。

2）通信模块：将数据通过GPRS网络传输到指定设备上，它是连接监测中心与监测终端的桥梁，是实现远程传输的重要部分。系统采用SIEMENS公司MC39i模块，作为无线传输模块。该模块特点主要有：提供中心专线方式、GPRS专网方式以及短信等多种组网方式；模块可设置成主站和监测中心服务器PC机连接或设置成从站点和监测终端设备通信；模块支持两种协议PAP和CHAP，能够进行短信，传真等通信传输方式；导轨式安装，有良好的扩展性。监测点可直接连接现场设备，使用上位机对协议处理，简单方便；工业级设计，不受环境条件的限制，适用各种场合；能够保持永久在线，掉线重连，自动检测等功能；能够在线对远程设备进行参数设置和功能维护，大大简化了设备维护步骤，降低了成本。通过MC39i模块能够实现无线通信的传输[3]。

3）微控制器：系统的核心模块，主要对采集数据的处理，存储并将数据通过无线传输模块发送到监测中心。STM32系列是实现高性能、多功能、低功耗而专门设计的ARM Cortex-M3嵌入式应用内核。它采用32位的RISC处理器，并行总线结构，嵌套中断向量控制单元，为用户提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。STM32F103xx为增强型系列，内置ARM内核包含所有的ARM工具和兼容软件。STM32F103xx芯片的还包括通用串行总线（USB），独立的看门狗，RTC（实时时钟）和后备寄存器，嵌套的向量式中断控制器（NVIC）等功能单元，能够满足系统的要求[4]。endprint

3 GPRS 网络及传输协议设计

GPRS作为远程无线传输方式，它的组网方式大致可分为两种：接入INTERNET的公网传输方式和使用专网接入的传输方式。本系统根据数据传输的要求，保证通信的实时性，安全性，稳定性，且费用不能太高，所以决定使用VPN专网的数据传输接入方式。利用VPN专网划分的指定用户使用的范围和SIM卡的独特性，能够有效的降低安全风险，避免黑客入侵。通过移动公司提供的指定APN接入到无线网络中，对APN和SIM卡进行绑定，唯有划定的专门行业的卡号才能接入到专用VPN。一般的SIM卡手机号不能够对指定的VPN进行呼叫连接 。这样就可以实现数据安全可靠的传输[5]。

系统的通信设备GPRS DTU能够支持PPP、TCP/IP协议、UDP协议能够提供透明，双向的数据传输。在系统中，监测中心与其连接的主GPRS模块，以及主从GPRS模块要进行数据通信需要定义一定的通信格式。数据接收方数据传输器的地址码。源地址与目的地址相同时，认为是本地操作；只有当源地址与目的地址不相同时，才认为是远程操作，操作对象是目的地址的内容。

4 监测中心软件设计

本系统软件的设计主要分三大部分，中心WEB软件，前置机和数据库设计，系统结构如图3：前置机处于各现场终端和监测中心的之间，它能够和终端及监测中心建立连接，并进行数据的交换，可以起到对数据向上传输向下发送的作用。它接受监测终端向上发送的数据，并传输到数据库服务器上，同时，中心可以通过前置机向下发送请求指令。当数据库接收到数据后，对数据进行存储、分析、处理，然后就可以通过中心WEB软件来对数据库中的数据进行实时显示和数据查询。

4.1中心WEB软件的设计

监测中心作为整个系统的核心，其软件功能的需求分析是进行软件设计的首要步骤。根据实际需要，监测中心WEB软件主要实现的功能如图4所示。

软件的主要功能包括：数据自动采集，各个监测点装置运行状态监测以及对系统数据存储，分析，处理等。其主要通过以下功能模块来具体实现：

1）实时监测模块：作为监测系统的核心模块。它能够远程监测各个监测终端设备运行状况，判断流量计，GPRS通信模块是否处于正常的工作状态。同时还可以通过主GPRS设备向下发送操作指令，实时接收各监测点传输的监测数据。

2）数据查询模块：用户或管理人员可以利用数据库存储的数据信息，通过关键词如时间，监测点的名称来查询用水量或其他信息。

3）数据分析模块：根据数据库中的历史数据绘制相关的变化曲线图或直方图，通过对这些历史数据的分析，为地下水的管理和决策提供帮助。

4）监测点管理模块：主要是监测点信息的维护，对监测点的相关信息进行增加、删除和修改。

5）水资费的征收：用户可以通过查询用水量情况，快速及时的获取用水的费用，以便更好的控制和利用水资源。

6）报表打印模块：对数据库中历史保存的信心进行分析，处理，汇总、统计，生成符合国家水量监测规范要求的各种数据报表并进行打印输出，如年报表、月报表等。

监测中心WEB软件采用三层B/S架构进行设计。B/S即浏览器/服务器，这种结构下，用户可以使用WWW浏览器来访问工作界面，此外主要事件通过服务器端来实现，只有很少的事务出现在前端，这样就很大程度上简化了客户端计算机的负载，降低了系统维护与升级的成本和工作量，同时能有效地对数据平台进行保护，管理用户访问权限，数据库服务器也具有较高的安全性[6]。

4.2前置机的设计

本系统之所以采用前置机，主要是因为它在保证数据正常传输的情况下，能够有效的减轻服务器的工作负担，而且一定程度上可以避免了黑客或非法数据的入侵，保护监测中心主机系统的安全。同时在与主站其它部分脱离联系后（通讯部分还正常），维持系统运行的设备。最后通信前置机还能够对多种协议进行添加，数据传输功能更加灵活。5 系统实现

1）主界面

在登录成功后，进入水资源远程监测管理界面主界面如图5所示，包括了功能菜单、快捷工具栏和控制面板。主要功能多用户监控、单用户监控、水资源论证、取水许可、水资源费征收、水资源费打印、多用户取水量查询、单用户取水量查询、取水许可证查询、缴费查询、用户设置、征收费用设置、数据备份还原、告警设置、退出。下面将重点介绍关键功能。

2）多用户的取水监测

6 结束语

系统根据“监测终端—通信网络—监测中心”模式的设计的方案，已投入使用，大大提高工作效率和信息化管理水平，达到了预期的要求，同时系统也可以为工业监测或监控领域提供一定的参考。

参考文献：

[1] 朱琨.基于 GPRS 的雨量监测系统设计与实现[D].上海：复旦大学，2008.

[2] 段允.高精度低功耗超声流量计关键技术的研发[D].宁波：宁波大学， 2011.

[3] 陈杰.基于 MC39i 的智能仪器远程控制及数据采集系统的研发[D]. 淄博：山东理工大学，2011.

[4] 陈宫，王三胜，张庆荣，等.基于 STM32F103VCT6 的微位移控制系统设计[J].现代电子技术，2012， 35（3）： 144-146.

[5] 何庆泥，周怀北.GPRS 数据传输技术及实时数据采集应用[J].通讯和计算机 2005（7）.

[6] 胡胜利，万晋军.基于 GPRS 的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011，42（1）： 89-91.endprint

3 GPRS 网络及传输协议设计

GPRS作为远程无线传输方式，它的组网方式大致可分为两种：接入INTERNET的公网传输方式和使用专网接入的传输方式。本系统根据数据传输的要求，保证通信的实时性，安全性，稳定性，且费用不能太高，所以决定使用VPN专网的数据传输接入方式。利用VPN专网划分的指定用户使用的范围和SIM卡的独特性，能够有效的降低安全风险，避免黑客入侵。通过移动公司提供的指定APN接入到无线网络中，对APN和SIM卡进行绑定，唯有划定的专门行业的卡号才能接入到专用VPN。一般的SIM卡手机号不能够对指定的VPN进行呼叫连接 。这样就可以实现数据安全可靠的传输[5]。

系统的通信设备GPRS DTU能够支持PPP、TCP/IP协议、UDP协议能够提供透明，双向的数据传输。在系统中，监测中心与其连接的主GPRS模块，以及主从GPRS模块要进行数据通信需要定义一定的通信格式。数据接收方数据传输器的地址码。源地址与目的地址相同时，认为是本地操作；只有当源地址与目的地址不相同时，才认为是远程操作，操作对象是目的地址的内容。

4 监测中心软件设计

本系统软件的设计主要分三大部分，中心WEB软件，前置机和数据库设计，系统结构如图3：前置机处于各现场终端和监测中心的之间，它能够和终端及监测中心建立连接，并进行数据的交换，可以起到对数据向上传输向下发送的作用。它接受监测终端向上发送的数据，并传输到数据库服务器上，同时，中心可以通过前置机向下发送请求指令。当数据库接收到数据后，对数据进行存储、分析、处理，然后就可以通过中心WEB软件来对数据库中的数据进行实时显示和数据查询。

4.1中心WEB软件的设计

监测中心作为整个系统的核心，其软件功能的需求分析是进行软件设计的首要步骤。根据实际需要，监测中心WEB软件主要实现的功能如图4所示。

软件的主要功能包括：数据自动采集，各个监测点装置运行状态监测以及对系统数据存储，分析，处理等。其主要通过以下功能模块来具体实现：

1）实时监测模块：作为监测系统的核心模块。它能够远程监测各个监测终端设备运行状况，判断流量计，GPRS通信模块是否处于正常的工作状态。同时还可以通过主GPRS设备向下发送操作指令，实时接收各监测点传输的监测数据。

2）数据查询模块：用户或管理人员可以利用数据库存储的数据信息，通过关键词如时间，监测点的名称来查询用水量或其他信息。

3）数据分析模块：根据数据库中的历史数据绘制相关的变化曲线图或直方图，通过对这些历史数据的分析，为地下水的管理和决策提供帮助。

4）监测点管理模块：主要是监测点信息的维护，对监测点的相关信息进行增加、删除和修改。

5）水资费的征收：用户可以通过查询用水量情况，快速及时的获取用水的费用，以便更好的控制和利用水资源。

6）报表打印模块：对数据库中历史保存的信心进行分析，处理，汇总、统计，生成符合国家水量监测规范要求的各种数据报表并进行打印输出，如年报表、月报表等。

监测中心WEB软件采用三层B/S架构进行设计。B/S即浏览器/服务器，这种结构下，用户可以使用WWW浏览器来访问工作界面，此外主要事件通过服务器端来实现，只有很少的事务出现在前端，这样就很大程度上简化了客户端计算机的负载，降低了系统维护与升级的成本和工作量，同时能有效地对数据平台进行保护，管理用户访问权限，数据库服务器也具有较高的安全性[6]。

4.2前置机的设计

本系统之所以采用前置机，主要是因为它在保证数据正常传输的情况下，能够有效的减轻服务器的工作负担，而且一定程度上可以避免了黑客或非法数据的入侵，保护监测中心主机系统的安全。同时在与主站其它部分脱离联系后（通讯部分还正常），维持系统运行的设备。最后通信前置机还能够对多种协议进行添加，数据传输功能更加灵活。5 系统实现

1）主界面

在登录成功后，进入水资源远程监测管理界面主界面如图5所示，包括了功能菜单、快捷工具栏和控制面板。主要功能多用户监控、单用户监控、水资源论证、取水许可、水资源费征收、水资源费打印、多用户取水量查询、单用户取水量查询、取水许可证查询、缴费查询、用户设置、征收费用设置、数据备份还原、告警设置、退出。下面将重点介绍关键功能。

2）多用户的取水监测

6 结束语

系统根据“监测终端—通信网络—监测中心”模式的设计的方案，已投入使用，大大提高工作效率和信息化管理水平，达到了预期的要求，同时系统也可以为工业监测或监控领域提供一定的参考。

参考文献：

[1] 朱琨.基于 GPRS 的雨量监测系统设计与实现[D].上海：复旦大学，2008.

[2] 段允.高精度低功耗超声流量计关键技术的研发[D].宁波：宁波大学， 2011.

[3] 陈杰.基于 MC39i 的智能仪器远程控制及数据采集系统的研发[D]. 淄博：山东理工大学，2011.

[4] 陈宫，王三胜，张庆荣，等.基于 STM32F103VCT6 的微位移控制系统设计[J].现代电子技术，2012， 35（3）： 144-146.

[5] 何庆泥，周怀北.GPRS 数据传输技术及实时数据采集应用[J].通讯和计算机 2005（7）.

[6] 胡胜利，万晋军.基于 GPRS 的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011，42（1）： 89-91.endprint

3 GPRS 网络及传输协议设计

GPRS作为远程无线传输方式，它的组网方式大致可分为两种：接入INTERNET的公网传输方式和使用专网接入的传输方式。本系统根据数据传输的要求，保证通信的实时性，安全性，稳定性，且费用不能太高，所以决定使用VPN专网的数据传输接入方式。利用VPN专网划分的指定用户使用的范围和SIM卡的独特性，能够有效的降低安全风险，避免黑客入侵。通过移动公司提供的指定APN接入到无线网络中，对APN和SIM卡进行绑定，唯有划定的专门行业的卡号才能接入到专用VPN。一般的SIM卡手机号不能够对指定的VPN进行呼叫连接 。这样就可以实现数据安全可靠的传输[5]。

系统的通信设备GPRS DTU能够支持PPP、TCP/IP协议、UDP协议能够提供透明，双向的数据传输。在系统中，监测中心与其连接的主GPRS模块，以及主从GPRS模块要进行数据通信需要定义一定的通信格式。数据接收方数据传输器的地址码。源地址与目的地址相同时，认为是本地操作；只有当源地址与目的地址不相同时，才认为是远程操作，操作对象是目的地址的内容。

4 监测中心软件设计

本系统软件的设计主要分三大部分，中心WEB软件，前置机和数据库设计，系统结构如图3：前置机处于各现场终端和监测中心的之间，它能够和终端及监测中心建立连接，并进行数据的交换，可以起到对数据向上传输向下发送的作用。它接受监测终端向上发送的数据，并传输到数据库服务器上，同时，中心可以通过前置机向下发送请求指令。当数据库接收到数据后，对数据进行存储、分析、处理，然后就可以通过中心WEB软件来对数据库中的数据进行实时显示和数据查询。

4.1中心WEB软件的设计

监测中心作为整个系统的核心，其软件功能的需求分析是进行软件设计的首要步骤。根据实际需要，监测中心WEB软件主要实现的功能如图4所示。

软件的主要功能包括：数据自动采集，各个监测点装置运行状态监测以及对系统数据存储，分析，处理等。其主要通过以下功能模块来具体实现：

1）实时监测模块：作为监测系统的核心模块。它能够远程监测各个监测终端设备运行状况，判断流量计，GPRS通信模块是否处于正常的工作状态。同时还可以通过主GPRS设备向下发送操作指令，实时接收各监测点传输的监测数据。

2）数据查询模块：用户或管理人员可以利用数据库存储的数据信息，通过关键词如时间，监测点的名称来查询用水量或其他信息。

3）数据分析模块：根据数据库中的历史数据绘制相关的变化曲线图或直方图，通过对这些历史数据的分析，为地下水的管理和决策提供帮助。

4）监测点管理模块：主要是监测点信息的维护，对监测点的相关信息进行增加、删除和修改。

5）水资费的征收：用户可以通过查询用水量情况，快速及时的获取用水的费用，以便更好的控制和利用水资源。

6）报表打印模块：对数据库中历史保存的信心进行分析，处理，汇总、统计，生成符合国家水量监测规范要求的各种数据报表并进行打印输出，如年报表、月报表等。

监测中心WEB软件采用三层B/S架构进行设计。B/S即浏览器/服务器，这种结构下，用户可以使用WWW浏览器来访问工作界面，此外主要事件通过服务器端来实现，只有很少的事务出现在前端，这样就很大程度上简化了客户端计算机的负载，降低了系统维护与升级的成本和工作量，同时能有效地对数据平台进行保护，管理用户访问权限，数据库服务器也具有较高的安全性[6]。

4.2前置机的设计

本系统之所以采用前置机，主要是因为它在保证数据正常传输的情况下，能够有效的减轻服务器的工作负担，而且一定程度上可以避免了黑客或非法数据的入侵，保护监测中心主机系统的安全。同时在与主站其它部分脱离联系后（通讯部分还正常），维持系统运行的设备。最后通信前置机还能够对多种协议进行添加，数据传输功能更加灵活。5 系统实现

1）主界面

在登录成功后，进入水资源远程监测管理界面主界面如图5所示，包括了功能菜单、快捷工具栏和控制面板。主要功能多用户监控、单用户监控、水资源论证、取水许可、水资源费征收、水资源费打印、多用户取水量查询、单用户取水量查询、取水许可证查询、缴费查询、用户设置、征收费用设置、数据备份还原、告警设置、退出。下面将重点介绍关键功能。

2）多用户的取水监测

6 结束语

系统根据“监测终端—通信网络—监测中心”模式的设计的方案，已投入使用，大大提高工作效率和信息化管理水平，达到了预期的要求，同时系统也可以为工业监测或监控领域提供一定的参考。

参考文献：

[1] 朱琨.基于 GPRS 的雨量监测系统设计与实现[D].上海：复旦大学，2008.

[2] 段允.高精度低功耗超声流量计关键技术的研发[D].宁波：宁波大学， 2011.

[3] 陈杰.基于 MC39i 的智能仪器远程控制及数据采集系统的研发[D]. 淄博：山东理工大学，2011.

[4] 陈宫，王三胜，张庆荣，等.基于 STM32F103VCT6 的微位移控制系统设计[J].现代电子技术，2012， 35（3）： 144-146.

[5] 何庆泥，周怀北.GPRS 数据传输技术及实时数据采集应用[J].通讯和计算机 2005（7）.

[6] 胡胜利，万晋军.基于 GPRS 的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011，42（1）： 89-91.endprint