1 引言
供水管線是城市基礎(chǔ)設(shè)施，供水管網(wǎng)管理與維護的成功與否,直接關(guān)系到城市居民生活、工業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展。隨著給水管網(wǎng)的擴展規(guī)模迅速擴大，管網(wǎng)信息數(shù)據(jù)以指數(shù)級增加，傳統(tǒng)的人工管理系統(tǒng)存在著費人力、速度慢、統(tǒng)計數(shù)據(jù)準確性差、實時性差等不足，已無法滿足管網(wǎng)數(shù)據(jù)量大、動態(tài)更新等要求。充分考慮到數(shù)據(jù)采集點多且分散野外的特點，系統(tǒng)借助先進成熟的GPRS傳輸技術(shù)，將傳感器采集來的水量通過GPRS發(fā)送給數(shù)據(jù)服務(wù)中心，并由WEB發(fā)布。利用計算機管理減輕工程技術(shù)人員的勞動強度，提高工作效率。雖然采用M23G GPRS模塊進行研發(fā)的廠商很多，但資料很少，這里提供詳細的解決方案。由于供水管網(wǎng)終端均在野外，該設(shè)計主要解決低功耗問題。同時還解決數(shù)據(jù)服務(wù)中心的安全性和可靠性問題。
2 系統(tǒng)總概
該設(shè)計提出遠程抄水表系統(tǒng)是一個小型的分布式智能測控系統(tǒng)，終端是由BenQ公司的M23G GPRS模塊，Micmchip公司的PICl6F873A和濰微公司W(wǎng)S02型水量計數(shù)器構(gòu)成。由于采用蓄電池供電，所以節(jié)能和功耗是比較重要的問題。系統(tǒng)采用定時開啟GPRS模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，其他時間只有PICl6F873A在低功耗模式下采集水量。當M23G模塊及外圍電路正常啟動后，由PICl6F873A和M23G GPRS模塊進行USART通信，將啟動GPRS功能的AT命令寫入到模塊中，直到與數(shù)據(jù)服務(wù)中心連接成功，再將定時所計水量傳送給數(shù)據(jù)中心，傳送完畢后，關(guān)閉模塊，實現(xiàn)節(jié)能。數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過WEB站點發(fā)布實時和歷史信息。圖1為系統(tǒng)總體框架圖。
3 M23G GPRS模塊
BenO公司的無線通信模塊M23G GPRS是原M23的升級無鉛版．其內(nèi)部集成PPP和TCP／IP協(xié)議棧；支持網(wǎng)絡(luò)類型GPRS CLASS 8，GPRS Class B；支持EGSM 900 MHz，DCS1 800 MHz，PCS 1 900 MHz無鉛三頻模塊。重量輕，體積小，功耗低，工作穩(wěn)定可靠，性價比高，使用范圍廣泛。
3．1 M23G模塊啟動電路
由于模塊PWON引腳拉低至少保持120 ms才能使該模塊啟動，所以將此引腳直接接地，實現(xiàn)啟動模塊。在正常上電后，M23G模塊如果已檢測到正確的SIM卡和網(wǎng)絡(luò)，LED引腳就保持500 ms的低高電平變換，此時發(fā)光二極管GPRS也隨之亮或滅。
SIM卡作為特殊型智能卡，采用標準的接觸式IC卡。該模塊遵循ISO7816(接觸式集成電路IC卡的規(guī)定)和ETSI(歐洲電信標準委員會)的GSMll．11等標準規(guī)范，與SIM卡座相連接。SIM_CLK為SIM時鐘，SIM_RST為SIM復(fù)位，SIM_I0為SIM卡數(shù)據(jù)輸入輸出，VRSLM產(chǎn)生SIM卡3 V供電電壓。圖2為：M23G模塊啟動電路及SIM卡電路。
3．2 M23G模塊電源設(shè)計
M23G的電壓工作范圍為3．3～4．5 V，此系統(tǒng)采用3.3 V供電。在GPRS模式下，最大電流消耗不大于280 mA。模塊的電流消耗為脈沖形式，消耗峰值電流最多可達1．7 A,所以在模塊電源部分需要加較大耦合電容，且走線寬度大于50 mil。若是電源從一層走到另外一層時，必然采用均勻的多個過孔來降低干擾。因此要特別注意電源的布線問題，抑制干擾和防止出現(xiàn)紋波燒壞模塊。
3．3 配置M23G模塊軟件設(shè)計
PICl6F873A通過引腳電平變化中斷檢測到LED引腳的變化，說明模塊硬件初始化完畢。PIC16F873A發(fā)送初始化AT指令：設(shè)置MS功能：AT+CFUN=1；自動運營商選：AT+COPS=O；設(shè)置DTE波特率：AT+IPR=0(自動檢測)；設(shè)置MS的類別：AT+CGCLASS="B”；GPRS鏈接設(shè)置：AT+CGATT=1：激活：PDP上下文(激活GPRS服務(wù))：AT+CGACT=1；ME錯誤報告設(shè)置：AT+CMEE=2；GPRS網(wǎng)絡(luò)注冊狀態(tài)：AT+CGREG=2；不允許進入深度睡眠：AT$NOSLEEP=1。初始化結(jié)束后進入GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)置：定義PDP上下文(設(shè)置接入網(wǎng)關(guān))：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；用于PDP上下文激活的PCO字符串：AT％CGPCO=1，“PAP..”，l；設(shè)置目的地址：AT＄DESTINFO=“目的IP”，l(1：TCP，2：UDP)，端口，0(0：禁用DNS，1：啟用DNS)撥號連接：ATD*97#。該過程結(jié)束后，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)。在對模塊配置AT指令時，如果所發(fā)送的指令正確，模塊返回0K，反之則返回ERROR。需要注意的是，先將模塊的硬件啟動全部結(jié)束后再配置AT指令．且配置按照上述順序進行即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
4 PICl6F873A與抄表數(shù)據(jù)處理
4．1 PICl6F873A簡介
PICl6F873A是Microchip公司推出的基于8位的高性能RISC指令系統(tǒng)、哈佛總線和兩級指令流結(jié)構(gòu)單片機。該器件具有20個輸入／輸出可編程端口，13個中斷源。I2C和SPI串口總線端口，通用同異步收發(fā)器USART等。
水量計數(shù)器采用WS02型自保持開關(guān)傳感器。此專利產(chǎn)品檢測電路簡單，只需在信號線上接入30 kΩ電阻，此電阻連接電源，輸出高低電平。檢測電路如圖3所示。比如：要求裝配好的遠傳水表每10千克水發(fā)送一個脈沖信號．則應(yīng)將指針安裝在xO．001位置。每當?shù)竭_10千克水時．產(chǎn)生一個高電平，利用PIC16F873A的RB4引腳電平變化中斷功能．記錄數(shù)據(jù)。并且在定時開啟GPRS前，將當日的所記錄水量存入PIC16F873A的E2PROM中，防止丟失數(shù)據(jù)或由其他意外情況引起的誤處理。
利用PIC16F873A定時器／計數(shù)器TMRl工作于異步計數(shù)器模式，即使PIC16F873A進入睡眠狀態(tài)，TMRl仍可持續(xù)運行，溢出時產(chǎn)生中斷請求。在TMRl自帶振蕩器的兩個外部引腳上跨接一只廉價的32．168 kHz微型石英晶體振蕩器．作為TMRl工作的時間基準。此設(shè)計具有實時時鐘，即定時開啟GPRS模塊，定時發(fā)送數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)節(jié)能，并可通過數(shù)據(jù)服務(wù)中心修改定時發(fā)送時間。
4．2 數(shù)據(jù)服務(wù)中心的構(gòu)建
數(shù)據(jù)服務(wù)中心負責整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集處理和發(fā)布．協(xié)調(diào)系統(tǒng)的正常運作，是整個系統(tǒng)的重要組成部分。其主要功能包括：向各數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送配置指令，接收采集終端發(fā)送的各項數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)處理分析并保存至數(shù)據(jù)庫，以及發(fā)布數(shù)據(jù)等。
系統(tǒng)中，安裝的水量采集終端數(shù)量比較多，要將水量數(shù)據(jù)長期保存和隨時查看，同時對數(shù)據(jù)的安全性也有極高要求，為了更好均衡系統(tǒng)性能．使數(shù)據(jù)服務(wù)中心能長期穩(wěn)定運行，因此數(shù)據(jù)服務(wù)中心由多臺服務(wù)器分別承擔數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)對外發(fā)布，提供網(wǎng)絡(luò)各項服務(wù)多項任務(wù)。
數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上的主程序為確保數(shù)據(jù)的實時性，將始終處于運行狀態(tài)。該程序用Visual C++6．0編寫．通過建立服務(wù)端，用WinSock監(jiān)聽并建立來自終端的連接后，在網(wǎng)絡(luò)上與各終端進行通信，收發(fā)終端數(shù)據(jù)信息。為達到并發(fā)的需求，數(shù)據(jù)采集主程序采用多線程機制，為新建立的連接創(chuàng)建一個單獨的收發(fā)數(shù)據(jù)線程，充分保障各個采集終端的數(shù)據(jù)傳輸獨立性、及時性和安全性。為確保數(shù)據(jù)采集程序能長期穩(wěn)定運行，另建一個守護進程對主程序進行實時監(jiān)控。采集到的終端數(shù)據(jù)經(jīng)過解析、處理后存儲至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的Oracle數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)的發(fā)布上，與傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的C／S模式相比較，借助Internet的B／S架構(gòu)因其對用戶要求低，簡潔方便，低成本及易于維護利于升級等各項優(yōu)勢，更適用于新型自動水量監(jiān)測系統(tǒng)。在該體系結(jié)構(gòu)中，可以劃分為3層：瀏覽器—Web服務(wù)器—數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。在B／S架構(gòu)中，以.NET和JAVA兩大平臺最為流行，但J2EE在擴展性，移植性等方面更占優(yōu)勢，并能提供較好的安全機制，加上有眾多的開源支持，因此水量查詢的Web站點采用Java編寫，利用成熟的開源框架。
Struts+Spring+Hibernate實現(xiàn)，這些優(yōu)秀的開源框架使得開發(fā)周期大大縮短，同時很好地封裝底層實現(xiàn)細節(jié)，開發(fā)人員能專注于業(yè)務(wù)邏輯領(lǐng)域。站點布署在Tomcat服務(wù)器中，通過從數(shù)據(jù)庫中取得實時和歷史數(shù)據(jù)后，在站點上生成動態(tài)網(wǎng)頁供用戶通過Internet查詢、訪問、存儲和打印，且利用強大的開源報表工具JasperReport，可以將所需數(shù)據(jù)生成報表供外部用戶下載存檔使用。不同權(quán)限的用戶通過登錄站點可以對有關(guān)數(shù)據(jù)進行各項維護操作。
5 結(jié)語
目前，我國城市管網(wǎng)更新改造的任務(wù)逐年加大，迫切需要使用管網(wǎng)水利檢測優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。通過對主管網(wǎng)的水量檢測數(shù)據(jù)，與專業(yè)理論、方法相結(jié)合，進行深度開發(fā)研究，為管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)施工、各種運行狀態(tài)下的優(yōu)化調(diào)度以及事故搶修等提供決策支持。該系統(tǒng)不只局限于供水行業(yè)，略加修改可用在排水、燃氣等行業(yè)，具有廣泛應(yīng)用價值。
