0 引言
監測收集江河水位漲落情況，并送到相關水文管理部門是水文工作中的一項重要任務，特別是雨季，監測工作尤為重要，由于觀測點多、分散性大、距離遠且往往地處偏僻，因此在數據采集尤其是要求頻繁采集時存在困難。目前，移動通信網已十分發達，信號基本覆蓋了城鄉各地，同時移動通信業務種類也在不斷推出，包括單向收費、免月租計費、包月包短信等各種套餐。在此形式下，遠程數據監測系統中利用短信平臺來傳輸非頻繁短數據成為一種省投資、省運行成本、免維護的很實用的方案。監測系統采用嵌入式GSM模塊，集成數據采集等電路完成基于短信服務平臺和話務平臺的無線監測傳輸網絡的設計。它有2種方式：短信方式傳送數據和雙音多頻(DTMF)方式，兩者可互補，試驗表明該設計成本低、可靠性高、實用性強。
1 監測系統組成概述
如圖1所示，系統由一個監測主機和若干個監測點子機構成，它們通過移動通信網的短信平臺和話務平臺構成信息通道，所依托的移動通信運營商及模式沒有限制。在通常情況下，各測點用短信方式定時向監測中心傳送水位實時監測數據，定時間隔可智能判斷、自動調整，遇汛期水位波動大，單片機根據水位的變化速率給出定時間隔，這在洪水季節水位波動大時十分必要。監測中心也可以用短信方式向某子機發出指令，對子機的數據傳送間隔或其他功能要求進行設置。如遇短信通道擁擠、堵塞，或有特別需求，監測中心還可用通話方式通過“撥號呼叫”接通監測點話路，然后監測點用DTMF信號來傳送數據以作為互補。
2 水位測量方案
采用“浮球法”將水位增量轉為電壓值：基本結構如圖2所示，浮球1跟隨水位漲落而上下移動，通過鋼絲索3以及傳動機構帶動精密多圈電位器轉動，球體2是平衡球。多圈電位器將+5 V電壓轉換成與水位相對應的電壓值ui，再經A／D轉換成數字量，由單片機檢測、計算。為消除風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。
3 測點監測子機構成原理
如圖3所示，主要由嵌入式GSM模塊MC35、DTMF信號發生器UM91210、單片機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、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或PC機的AT指令而實現；多圈電位器、4位半雙積分模／數轉換器ICL7135通過圖2裝置將水位變化量轉換成數字量送給單片機89S 51的中斷口P3．3，經單片機計算處理后，一方送LED串行顯示模塊；若需要上傳數據另一方面按照規定的格式組成AT指令數據包，由單片機的串口TXD送出，GSM模塊MC35的串口RXD接收后即以短信方式發往主機。
一般情況下，水位數據以智能定時方式主動上傳，但主機也可以向子機發短信指令要求上傳或設定定時間隔等，MC35收到來自主機的短信，從串口TXD輸出．單片機的RXD接收后即執行相應功能。
如遇短信信道堵塞，主機還可以向子機“撥號”呼叫，這時子機RINGO端會輸出振鈴信號，該信號周期為低1S高4S，單片機的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進入“通話”狀態，同時把水位數據轉換為控制碼從P1口輸出給DTMF發生器UM91210，UM91210隨即根據控制碼從TONE端輸出相對應的雙音多頻信號，GSM模塊MC35的MIC+(話筒輸入)端接收該信號并通過移動通信網絡發往主機。水位數據由5位10進制數組成，P1口每送一次控制碼，只完成1位(10進制數)的上傳，P1口連續多次給出控制碼，即可完成整組數據的上傳。
4 監測中心監測主機構成原理
如圖4所示，主要由GSM模塊MC35、DTMF信號解碼器MT8870、單片機AT89S51、顯示模塊、PC機等部分組成。
當MC35收到子機發來的短信(水位數據)時，從其串行口TXD輸出至帶RS 232接口的PC機，PC機完成數據處理、存儲、顯示、報表等功能。
當主機需要向子機發送指令時，使用鼠標點擊PC屏幕軟按鈕，PC機則按照規定的格式組成包含指令內容的AT指令數據包，通過RS 232接口向MC35串口RXD端送出，MC35接收后即向子機發送指令短信，完成了指令下傳的工作。
當主機需要以“撥號”方式呼叫子機時，可由PC機鍵盤輸入子機的“電話號碼”，然后點擊“撥號”按鈕(電話號碼也可以事先設定)，則PC機由USB口經“USB轉232轉換器”向MC35的串口RXD端寫入一條相應的AT指令，實現了對子機的撥號呼叫；稍后，MC35就會收到從子機送來的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相應的二進制碼，同時STD端會輸出一個正脈沖，單片機P1．4端檢測到該脈沖，P1．0～P1．3即讀取二進制碼。水位數據(包括結束符*)由若干位組成，因此MT8870的解碼、單片機的讀取須經幾次，直到讀到“*”號才完成一組完整數據的讀取，然后單片機對數據處理后送LED顯示器，同時由串口TXD端經USB-232轉換器送PC機。
5 AT指令及DTMF信號傳送數據原理
5．1 AT指令
對于MC35，只要按規定從其串口輸入AT指令，就能執行相應的功能。本文中涉及到的有關AT指令如表1所示。
以上指令中0D是回車符的ASCII碼，1A是替補的ASCII碼，其余所有字符、數字均需轉換為ASCII碼后輸入MC35串口。
5．2 DTMF信號傳送數據原理
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，其標準如表2所示。由于其頻率落在音頻的主頻帶內，因此可以通過電信網絡的話務通道傳輸，穩定性、可靠性極高，抗干擾能力極強，且配套電路簡單，因而得到廣泛應用。
本文使用UM91210來產生DTMF信號，該芯片是用于電話機的一種撥號芯片，價格十分便宜而性能非常穩定，其設有“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(電話機鍵盤)，可輸入表2中規定的16個字符，當有字符鍵按下時，若使HK端為低電平，則在TONE端會輸出相應的雙音頻。圖3中，使用單片機的P1口線來控制UM91210產生DTMF信號，P1口的控制碼與UM91210所發送的DTMF信號以及所代表的字符的對應關系如表3示。
在接收端(見圖4)，MT8870是專用于DTMF信號解碼的芯片，當MC35收到子機發來的DTMF信號并送入MT8870的IN-端時，MT8870將DTMF信號還原成二進制碼，從Q0，Q1，Q2，Q3端輸出，輸出的二進制碼與數字或符號的對應關系如表4所示。
6 模／數轉換原理
本文使用4位半雙積分A／D轉換器ICL7135，精度高、價廉，轉換速度較低(2～4次／s)。本應用中，該器件的使用方法與常規不同，如圖3所示，單片機的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，單片機的P3．3(INT1)對該clock計數，根據該計數值即可計算被測電壓ui。原理如下：
根據雙積分型A／D轉換器的工作原理，第一階段對被測電壓ui進行定時積分，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部計數器的計數值，本器件已知為20 000；n2是第2階段積分期間內部計數器的計數值。設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，單片機在BUSY=1期間對clock計數，因此該計數值為n1+n2，而已知“n1=20 000”，所以“n2=單片機計數值-20 000”，于是根據式(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 結語
水文數據監測與采集的內容涉及江河水位、水庫水位、雨量甚至氣溫、風力風向等方面，監測點分散性大、數量多、地理環境差，若自建微波等無線通信網絡實現數據傳送，致使設備復雜、工程投入大，運行維護費用高。近年移動通信業務以及微電腦技術的迅速發展，可以很好彌補傳統上的不足，本文是基于移動通信平臺的一種設計實例，實驗表明費用低、可靠性高，具有較實用意義，可推廣應用于相類似的其他領域。