基于GPRS技术的矿用水文遥测系统的设计
徐乐年+张森+王鑫
摘 要： 针对煤矿井下地理环境复杂和水害事故多发等因素，将现代GPRS无线通信技术应用于煤矿水文监测系统中，设计了一种新型的智能遥测系统。通过高精度水温、水压传感器采集井下的水位、水温信息，结合低功耗芯片P89LPC936对数据进一步处理，并通过GPRS无线通信的方式传输到上位机中，上位机实时显示水位、水温等信息，实现对矿井水文信息的无线监测。实验表明，此系统具有良好的精确性和稳定性，能够有效地对矿井水文信息进行实时监测。
关键词： 水文监测； GPRS； 传感器； 智能遥测仪
中图分类号： TN975?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0166?04
Design of mine hydrological telemetry system based on GPRS technology
XU Lenian， ZHANG Sen， WANG Xin
（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266510， China）
Abstract： Aiming at the factors of the complex geographical environment and multiple water disasters of the underground coal mine， a modern GPRS wireless communication technology is applied to the coal mine hydrology monitoring system. A new intelligent telemetry system was designed. The underground water level and temperature information are collected by means of the high?precision water temperature and water pressure sensors， processed with the low?power consumption chip P89LPC936 further， and transmitted to the upper computer by mean of the mode of GPRS wireless communication. The upper computer can display the water level， water temperature and other information in real time to realize the wireless monitoring of the mine hydrology information. The experimental results show that the system has high accuracy and stability， and can effectively monitor the mine hydrology information in real time.
Keywords： hydrology monitoring； GPRS； sensor； intelligent telemeter
0 引 言
在煤炭生产的过程中，煤矿安全一直是一项不容忽视的课题。矿井地下水可造成水渗透、管涌等严重水害，而煤矿水文监测系统是预测并监测矿井水害发生的重要手段[1]。在实际的矿用水文监测系统中，如何克服煤矿井下的地理地势环境复杂等因素，实时地对煤矿井下水文信息进行监测显得尤为重要。
近些年来，国内很多煤矿都建立了矿井地下水文监测网络。但是，现有的监测系统传输方式相对落后，监测精度无法满足要求，并且井下地形、地势等条件相对复杂，这给井下布线和监测人员对仪器进行维护带来极大的困难。本文设计了一种高精度无线传输的遥测系统，传感器测量水文信息并通过RS 485总线通信网络传输到单片机中，信息经过处理以后通过GPRS模块MC55无线传输到上位机中，计算机将信息进一步处理并进行存储。本系统具有传输速度快、功耗低、精度高等特点，克服了传统现场总线方式布线困难、精度差、稳定性低等缺点[2]，能够有效地实现对矿井水文信息的实时监测。
1 系统总体功能和架构
基于GPRS技术的矿用水文监测系统主要是针对矿井中的水位、水温信息量的采集，实时地记录矿井水位、水温信息，确保矿井水位、水温信息保持在安全范围内。如图1所示，系统设计包括传感器、智能遥测仪、公用GPRS网络、基站、监测上位机等[3]。该系统主要通过时钟设定测量时间间隔和发送时间间隔，将现场测量系统测量的水位、水温等物理量，通过公用GPRS网络将信息无线传输到监测上位机中，上位机将数据信息进行统计分析处理并进行记录显示，以达到即时监测的目的。
2 遥测系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括：智能传感器模块、GPRS通信模块、P89LPC936单片机控制器模块、数/模转换模块等其他辅助性功能电路模块。智能遥测系统硬件的构成框图如图2所示。
2.1 智能传感器模块
系统设计的传感器主要完成水位、水温数据信息的测量以及传输工作，系统采用了LM334作为恒流源，由于水位传感器的工作原理就是将水压转换为电信号输出，因此对于传感器精度和抗干扰能力要求较高，所以在传统基本恒流源的基础上，通过改进得到零温度漂移的恒流源。系统水位传感器就采用了这种改进后的零温度漂移恒流源，极大地提高了测量数据的可靠性[4]。而水温传感器则采用具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点的DS18B20，其单线接口的特点大大提高了系统的抗干扰性，并且可以通过RS 485总线直接供电，大大降低了单片机的功耗，并且其测温范围广、精度高，非常适合于煤矿这种恶劣环境的现场温度测量[5]。
2.2 数/模转换模块
智能水位传感器工作原理是将水压物理信号转化为电信号。其中，A/D转换器的选择决定了仪器的精确性和稳定性。AD7705作为美国AD公司推出的16位数/模转换器，包括缓冲器和增益可编程放大器组成的模拟调节电路，能够同时进行多路电压信号的A/D转换。AD7705在低频信号测量的应用较为普遍，它能够直接从传感器接收低电平信号并输出串行数字。但是，由于恒流源、基准电压、零点漂移等因素仍会导致误差的产生，而全差分输入通道（AIN1+与AIN1-）和（AIN2+与AIN2-）的输入阻抗大，吸收的电流可以忽略不计。因此，水压传感器和精密电阻的电流均等于恒流源的输出电流值[6?7]，这样就提高了系统的精确性和稳定性。其中，水壓传感器和AD7705接线方式如图3所示。
图3 水压传感器和AD7705接线电路图
2.3 GPRS通信模块
GPRS通信模块采用了SIEMENS公司生产的MC55无线通信模块。MC55模块具有性能稳定、功耗低、性价比高等优点，其提供的两个全双工串口，可以实现两个TCP通道同事传输，可以在GPRS或者短信状态自动切换，可以及时地为用户提供有效的水位、水温数据信息。由于GPRS模块是基于TCP/IP协议进行通信的，而MC55内置了TCP/IP协议，其拓展命令可以方便地让用户运用TCP/IP协议，使用户能实现对数据传输方面的合理运用。MC55模块通过AT指令进行控制，来实现数据的无线传输。其中，本系统运用的GPRS网络连接函数为MC55_connect（），其模块初始化指令AT介绍如下：
AT+CGATT GPRS 附着/分离：
此命令用来使MT附着（分离）GPRS服务，当由附着状态转换为分离状态时被激活的PDP上下文自动转为去激活状态。
AT+CGATT=1 //GPRS服务附着
AT+CGATT？ //GPRS 服务附着状态
AT+CGATT=0 //GPRS 服务分离
AT+CGDCONT定义GPRS上下文环境：
指令格式：
AT+CGDCONT=[[，[，[，]]]]
AT+CGDCONT？ //查询已定义的PDP上下文
AT+CGDCONT=1，IP，CMNET //cid为1， PDP类型是IP，
APN是CMNET，表示中国移动网应用接口
AT+CGACT 激活/去激活PDP上下文：
指令格式：
AT+CGACT=[[， [， ]]]
AT+CGACT？ //查询激活的PDP 上下文
AT+CGACT=1 //激活所有的PDP上下文
AT+CGACT=1，1 //激活cid=1的PDP上下文
AT+CGACT=0 //去激活所有的PDP上下文
AT+CGDATA 进入GPRS数据模式
指令格式：
AT+CGDATA =[[， [， ]]]
AT+CGDATA="PPP"，1 //使用cid=1的PDP上下文环境进
入GPRS数据模式
+++ //离开数据模式
ATD建立GPRS数据模式：
指令格式：
ATD*99[*[][* [][*[]]]]#
此命令用于移动终端（MT）执行在终端设备（TE）和外部PDN建立GPRS数据连接的所有行为，即可以省略AT+CGATT与AT+CGACT指令，代替AT+CGDATA建立GPRS网络。
3 系统通信软件设计
该系统软件主要包括数据信息采集处理、测量数据的存储、GPRS与监测上位机通信以及其他辅助性功能软件的设计。传感器和遥测仪之间采用了RS 485总线通信方式，遥测仪和上位机则通过GPRS网络进行数据交互。
3.1 系统信号采集软件设计
在本系统中，单片机P89LPC936作为主控制器，负责数据信息采集、存储和发送等功能，每个传感器上都有相应的地址，单片机可以通过这些地址定时地访问不同的传感器，并将采集得到的数据信息进行分析处理。信息采集是系统启动以后，首先对系统进行初始化并对定时器进行设置，设置好数据发送和接收时间，检测是否已开启GPRS模块，当检测到GPRS模块开启后则系统可以进入相应的子程序，使得遥测仪可以与上位机监测系统进行信息交互。遥测仪采用了定时上电的工作方式，即由时钟控制定时上电，每当定时时间到时，智能遥测仪上电工作，测量水位、水温等信息。单片机将信息进行处理后暂存于单片机的存储器中，判断是否出现报警信息，如果系统报警，则进行置位报警指令，进行报警；如果没有报警信息，则将信息进行存储。当存储达到一定限度以后，则开始相应数据传输的命令，进行相应的信息传输指令。该系统的信号采集软件流程图如图4所示。
3.2 系统无线通信软件设计
系统的无线通信方式是通过PDU模式的AT指令来控制的，系统是将两个MC55模块之间用GPRS信息收发的过程来进行通信的，MC55模块与计算机之间通过串口方式进行连接。这样，MC55模块就可以通过GPRS网络实现与监测上位机之间的通信[8?10]。具体方案是首先发送“AT+CGATT=数据PDU的字节数”来获取发送短信中心的地址，地址收到以后判断获取短信号码的类型，将其中SIM卡的具体信息通过“AT+CGACT”指令进行读取，去除头文件就得到了短信的内容。然后将相对应的被叫号码地址、被叫号码类型、中国国际区号等信息进行标示，通过协议标示和编码方案等信息处理过程，使两者之间能够通过GPRS网络进行通信。其中，具体的短消息收发流程图如图5所示。
4 系统测试结果
将本系统应用于当地某水井中，安装调试以后进行实时的测量并监测水井中水位和水温信息，并用GPRS形式进行数据的传输，观测上位机中水井水位、水温信息的实时数据。首先，定义水井的名称和初始水位、水温等信息后并存盘，每隔1 h测出一组数据，并且每隔8 h发送一次数据信息，得到的水位曲线如图6所示。然后，每隔一段时间用测绳和投入式温度测量仪人工测量实际水位、水温信息，将实地测量的水位数据与本系统遥测所得数据进行比较，如表1所示，对比系统的稳定性和精确性。对比这些数据可知，本系统能够较好地反应当地水位、水温信息的变化，而且系统信息传输的速度快、稳定性较高，达到了矿用水文监测的基本要求，符合设计预期的效果。
5 结 语
本文设计的基于GPRS无线通信技术的矿用水文遥测系统，将高精度智能传感器、P89LPC936单片机和MC55无线通讯模块相结合，实现了一种低功耗、高精度、高稳定性的矿用水文监测系统。本系统能够实时地将矿井水文数据通过无线传输的方式传送到地面监测中心，对监测人员实时监测矿井水温、水位的变化带来极大便利，尤其是在煤矿这种地势、地形复杂的环境下，水文信息的实时监测显得尤为重要，系统测试结果表明，本系统能够有效地实时对水温、水位信息进行监测，对于矿井水文安全监测具有非常重要的意义。
參考文献
[1] 刘中宽，周欢.矿井水文监测系统在煤矿生产中的应用[J].煤炭技术，2013（9）：163?165.
[2] 陈永禄，张莉.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（2）：73?76.
[3] 任肖丽，陈佳喜，王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：60?62.
[4] 浦汉军，谢小鹏，周受钦，等.基于GPRS的天然气压缩机物联网监控系统[J].现代电子技术，2015，38（2）：92?95.
[5] 黄存真.基于GPRS的矿井水文监测系统[D].青岛：山东科技大学，2012.
[6] 徐乐年，陈西广，甄雁翔，等.基于GPRS的钻孔水文无线遥测系统[J].煤矿安全，2007，38（8）：47?50.
[7] 张浩.基于GPRS的远程水文水资源信息监测系统研制[D].兰州：兰州理工大学，2010.
[8] 殷峰松. GPRS在水文监测系统中的应用[D].北京：北京邮电大学，2010.
[9] 周琦.矿井水文监测系统的研究与设计[D].淮南：安徽理工大学，2014.
[10] 范烨.基于GPRS网络的水文信息采集系统开发[D].杭州：浙江工业大学，2014.
摘 要： 针对煤矿井下地理环境复杂和水害事故多发等因素，将现代GPRS无线通信技术应用于煤矿水文监测系统中，设计了一种新型的智能遥测系统。通过高精度水温、水压传感器采集井下的水位、水温信息，结合低功耗芯片P89LPC936对数据进一步处理，并通过GPRS无线通信的方式传输到上位机中，上位机实时显示水位、水温等信息，实现对矿井水文信息的无线监测。实验表明，此系统具有良好的精确性和稳定性，能够有效地对矿井水文信息进行实时监测。
关键词： 水文监测； GPRS； 传感器； 智能遥测仪
中图分类号： TN975?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0166?04
Design of mine hydrological telemetry system based on GPRS technology
XU Lenian， ZHANG Sen， WANG Xin
（College of Electrical Engineering and Automation， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266510， China）
Abstract： Aiming at the factors of the complex geographical environment and multiple water disasters of the underground coal mine， a modern GPRS wireless communication technology is applied to the coal mine hydrology monitoring system. A new intelligent telemetry system was designed. The underground water level and temperature information are collected by means of the high?precision water temperature and water pressure sensors， processed with the low?power consumption chip P89LPC936 further， and transmitted to the upper computer by mean of the mode of GPRS wireless communication. The upper computer can display the water level， water temperature and other information in real time to realize the wireless monitoring of the mine hydrology information. The experimental results show that the system has high accuracy and stability， and can effectively monitor the mine hydrology information in real time.
Keywords： hydrology monitoring； GPRS； sensor； intelligent telemeter
0 引 言
在煤炭生产的过程中，煤矿安全一直是一项不容忽视的课题。矿井地下水可造成水渗透、管涌等严重水害，而煤矿水文监测系统是预测并监测矿井水害发生的重要手段[1]。在实际的矿用水文监测系统中，如何克服煤矿井下的地理地势环境复杂等因素，实时地对煤矿井下水文信息进行监测显得尤为重要。
近些年来，国内很多煤矿都建立了矿井地下水文监测网络。但是，现有的监测系统传输方式相对落后，监测精度无法满足要求，并且井下地形、地势等条件相对复杂，这给井下布线和监测人员对仪器进行维护带来极大的困难。本文设计了一种高精度无线传输的遥测系统，传感器测量水文信息并通过RS 485总线通信网络传输到单片机中，信息经过处理以后通过GPRS模块MC55无线传输到上位机中，计算机将信息进一步处理并进行存储。本系统具有传输速度快、功耗低、精度高等特点，克服了传统现场总线方式布线困难、精度差、稳定性低等缺点[2]，能够有效地实现对矿井水文信息的实时监测。
1 系统总体功能和架构
基于GPRS技术的矿用水文监测系统主要是针对矿井中的水位、水温信息量的采集，实时地记录矿井水位、水温信息，确保矿井水位、水温信息保持在安全范围内。如图1所示，系统设计包括传感器、智能遥测仪、公用GPRS网络、基站、监测上位机等[3]。该系统主要通过时钟设定测量时间间隔和发送时间间隔，将现场测量系统测量的水位、水温等物理量，通过公用GPRS网络将信息无线传输到监测上位机中，上位机将数据信息进行统计分析处理并进行记录显示，以达到即时监测的目的。
2 遥测系统硬件设计
系统硬件的设计主要包括：智能传感器模块、GPRS通信模块、P89LPC936单片机控制器模块、数/模转换模块等其他辅助性功能电路模块。智能遥测系统硬件的构成框图如图2所示。
2.1 智能传感器模块
系统设计的传感器主要完成水位、水温数据信息的测量以及传输工作，系统采用了LM334作为恒流源，由于水位传感器的工作原理就是将水压转换为电信号输出，因此对于传感器精度和抗干扰能力要求较高，所以在传统基本恒流源的基础上，通过改进得到零温度漂移的恒流源。系统水位传感器就采用了这种改进后的零温度漂移恒流源，极大地提高了测量数据的可靠性[4]。而水温传感器则采用具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点的DS18B20，其单线接口的特点大大提高了系统的抗干扰性，并且可以通过RS 485总线直接供电，大大降低了单片机的功耗，并且其测温范围广、精度高，非常适合于煤矿这种恶劣环境的现场温度测量[5]。
2.2 数/模转换模块
智能水位传感器工作原理是将水压物理信号转化为电信号。其中，A/D转换器的选择决定了仪器的精确性和稳定性。AD7705作为美国AD公司推出的16位数/模转换器，包括缓冲器和增益可编程放大器组成的模拟调节电路，能够同时进行多路电压信号的A/D转换。AD7705在低频信号测量的应用较为普遍，它能够直接从传感器接收低电平信号并输出串行数字。但是，由于恒流源、基准电压、零点漂移等因素仍会导致误差的产生，而全差分输入通道（AIN1+与AIN1-）和（AIN2+与AIN2-）的输入阻抗大，吸收的电流可以忽略不计。因此，水压传感器和精密电阻的电流均等于恒流源的输出电流值[6?7]，这样就提高了系统的精确性和稳定性。其中，水壓传感器和AD7705接线方式如图3所示。
图3 水压传感器和AD7705接线电路图
2.3 GPRS通信模块
GPRS通信模块采用了SIEMENS公司生产的MC55无线通信模块。MC55模块具有性能稳定、功耗低、性价比高等优点，其提供的两个全双工串口，可以实现两个TCP通道同事传输，可以在GPRS或者短信状态自动切换，可以及时地为用户提供有效的水位、水温数据信息。由于GPRS模块是基于TCP/IP协议进行通信的，而MC55内置了TCP/IP协议，其拓展命令可以方便地让用户运用TCP/IP协议，使用户能实现对数据传输方面的合理运用。MC55模块通过AT指令进行控制，来实现数据的无线传输。其中，本系统运用的GPRS网络连接函数为MC55_connect（），其模块初始化指令AT介绍如下：
AT+CGATT GPRS 附着/分离：
此命令用来使MT附着（分离）GPRS服务，当由附着状态转换为分离状态时被激活的PDP上下文自动转为去激活状态。
AT+CGATT=1 //GPRS服务附着
AT+CGATT？ //GPRS 服务附着状态
AT+CGATT=0 //GPRS 服务分离
AT+CGDCONT定义GPRS上下文环境：
指令格式：
AT+CGDCONT=[[，[，[，]]]]
AT+CGDCONT？ //查询已定义的PDP上下文
AT+CGDCONT=1，IP，CMNET //cid为1， PDP类型是IP，
APN是CMNET，表示中国移动网应用接口
AT+CGACT 激活/去激活PDP上下文：
指令格式：
AT+CGACT=[[， [， ]]]
AT+CGACT？ //查询激活的PDP 上下文
AT+CGACT=1 //激活所有的PDP上下文
AT+CGACT=1，1 //激活cid=1的PDP上下文
AT+CGACT=0 //去激活所有的PDP上下文
AT+CGDATA 进入GPRS数据模式
指令格式：
AT+CGDATA =[[， [， ]]]
AT+CGDATA="PPP"，1 //使用cid=1的PDP上下文环境进
入GPRS数据模式
+++ //离开数据模式
ATD建立GPRS数据模式：
指令格式：
ATD*99[*[][* [][*[]]]]#
此命令用于移动终端（MT）执行在终端设备（TE）和外部PDN建立GPRS数据连接的所有行为，即可以省略AT+CGATT与AT+CGACT指令，代替AT+CGDATA建立GPRS网络。
3 系统通信软件设计
该系统软件主要包括数据信息采集处理、测量数据的存储、GPRS与监测上位机通信以及其他辅助性功能软件的设计。传感器和遥测仪之间采用了RS 485总线通信方式，遥测仪和上位机则通过GPRS网络进行数据交互。
3.1 系统信号采集软件设计
在本系统中，单片机P89LPC936作为主控制器，负责数据信息采集、存储和发送等功能，每个传感器上都有相应的地址，单片机可以通过这些地址定时地访问不同的传感器，并将采集得到的数据信息进行分析处理。信息采集是系统启动以后，首先对系统进行初始化并对定时器进行设置，设置好数据发送和接收时间，检测是否已开启GPRS模块，当检测到GPRS模块开启后则系统可以进入相应的子程序，使得遥测仪可以与上位机监测系统进行信息交互。遥测仪采用了定时上电的工作方式，即由时钟控制定时上电，每当定时时间到时，智能遥测仪上电工作，测量水位、水温等信息。单片机将信息进行处理后暂存于单片机的存储器中，判断是否出现报警信息，如果系统报警，则进行置位报警指令，进行报警；如果没有报警信息，则将信息进行存储。当存储达到一定限度以后，则开始相应数据传输的命令，进行相应的信息传输指令。该系统的信号采集软件流程图如图4所示。
3.2 系统无线通信软件设计
系统的无线通信方式是通过PDU模式的AT指令来控制的，系统是将两个MC55模块之间用GPRS信息收发的过程来进行通信的，MC55模块与计算机之间通过串口方式进行连接。这样，MC55模块就可以通过GPRS网络实现与监测上位机之间的通信[8?10]。具体方案是首先发送“AT+CGATT=数据PDU的字节数”来获取发送短信中心的地址，地址收到以后判断获取短信号码的类型，将其中SIM卡的具体信息通过“AT+CGACT”指令进行读取，去除头文件就得到了短信的内容。然后将相对应的被叫号码地址、被叫号码类型、中国国际区号等信息进行标示，通过协议标示和编码方案等信息处理过程，使两者之间能够通过GPRS网络进行通信。其中，具体的短消息收发流程图如图5所示。
4 系统测试结果
将本系统应用于当地某水井中，安装调试以后进行实时的测量并监测水井中水位和水温信息，并用GPRS形式进行数据的传输，观测上位机中水井水位、水温信息的实时数据。首先，定义水井的名称和初始水位、水温等信息后并存盘，每隔1 h测出一组数据，并且每隔8 h发送一次数据信息，得到的水位曲线如图6所示。然后，每隔一段时间用测绳和投入式温度测量仪人工测量实际水位、水温信息，将实地测量的水位数据与本系统遥测所得数据进行比较，如表1所示，对比系统的稳定性和精确性。对比这些数据可知，本系统能够较好地反应当地水位、水温信息的变化，而且系统信息传输的速度快、稳定性较高，达到了矿用水文监测的基本要求，符合设计预期的效果。
5 结 语
本文设计的基于GPRS无线通信技术的矿用水文遥测系统，将高精度智能传感器、P89LPC936单片机和MC55无线通讯模块相结合，实现了一种低功耗、高精度、高稳定性的矿用水文监测系统。本系统能够实时地将矿井水文数据通过无线传输的方式传送到地面监测中心，对监测人员实时监测矿井水温、水位的变化带来极大便利，尤其是在煤矿这种地势、地形复杂的环境下，水文信息的实时监测显得尤为重要，系统测试结果表明，本系统能够有效地实时对水温、水位信息进行监测，对于矿井水文安全监测具有非常重要的意义。
參考文献
[1] 刘中宽，周欢.矿井水文监测系统在煤矿生产中的应用[J].煤炭技术，2013（9）：163?165.
[2] 陈永禄，张莉.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（2）：73?76.
[3] 任肖丽，陈佳喜，王骥.基于GPRS技术在线环境监测系统的研究[J].现代电子技术，2015，38（4）：60?62.
[4] 浦汉军，谢小鹏，周受钦，等.基于GPRS的天然气压缩机物联网监控系统[J].现代电子技术，2015，38（2）：92?95.
[5] 黄存真.基于GPRS的矿井水文监测系统[D].青岛：山东科技大学，2012.
[6] 徐乐年，陈西广，甄雁翔，等.基于GPRS的钻孔水文无线遥测系统[J].煤矿安全，2007，38（8）：47?50.
[7] 张浩.基于GPRS的远程水文水资源信息监测系统研制[D].兰州：兰州理工大学，2010.
[8] 殷峰松. GPRS在水文监测系统中的应用[D].北京：北京邮电大学，2010.
[9] 周琦.矿井水文监测系统的研究与设计[D].淮南：安徽理工大学，2014.
[10] 范烨.基于GPRS网络的水文信息采集系统开发[D].杭州：浙江工业大学，2014.
