地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)DesignofUndergroundWaterLevel’sRemoteMonitor地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[摘要]地下水是一種重要的水資源，對(duì)其水位的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是對(duì)地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)和開發(fā)利用的基礎(chǔ)依據(jù)。目前國內(nèi)地下水位監(jiān)測(cè)儀的研究還比較落后，儀器測(cè)試精度不高、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊缺失或可靠性不高，不能滿足現(xiàn)代化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。該設(shè)計(jì)是基于AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)，并與A/D轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊、GPRS無線傳輸模塊、JTAG接口模塊、液晶顯示模塊、電源模塊和時(shí)鐘電路模塊共同組成了一種精度高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、易組網(wǎng)的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)信號(hào)采集精度高，數(shù)據(jù)傳輸可靠，可用于地下水位的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)地下水資源的有效利用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。[關(guān)鍵字]地下水；AVR單片機(jī)；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀DesignofUndergroundWaterLevel’sRemoteMonitorElectronicInformationEngineeringSpecialtyAbstract:Undergroundwaterisanimportantwaterresources,thevaluationandthedevelopmentoftheundergroundwaterbaseonit’saccuratemonitoringlevel.Atpresent,groundwatermonitorresearchisstillrelativelybackward,andthetestequipmentaccuracy,theremotetransmissionofdatatransmissionmodulemissingorthereliabilityarenothigh,whichcan’tmeettheneedsofmodernreal-timemonitoring.ThedesignisbasedonsmallestAVRMCUsystem,withtheA/Dconvertermodule,theserialcommunicationmodule,theGPRSwirelesstransmissionmodule,theJTAGinterfacemodule,theLCDmodule,thepowersupplymoduleandtheclockcircuitmoduletogethertoformahighprecision,thedatatransmissiondistance,easynetworkingundergroundwaterlevelremotemonitor.Theexperimentalresultsshowthat:Thesystem’shighprecisionsignalacquisitionandreliabledatatransmission,canbeusedforremotereal-timemonitoringoftheundergroundwaterlevelandthesystemhasimportantpracticalsignificanceinusingthegroundwaterresourcesinscience.Keywords:Undergroundwater;AVRMCU;GPRS;Remotemonitor目錄1引言…………………………11.1選題的背景及意義…………………11.2國內(nèi)外地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的研究現(xiàn)狀…………11.3主要內(nèi)容及技術(shù)要求………………22地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)…………………22.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案…………………22.1.1系統(tǒng)總體方案分析…………22.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)…………32.2控制模塊的設(shè)計(jì)……………………42.3水位數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)…………………52.3.1數(shù)據(jù)采集模塊………………52.3.2數(shù)據(jù)調(diào)理模塊………………62.4水位數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)……………………62.5水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸模塊的設(shè)計(jì)………………72.5.1數(shù)據(jù)傳輸方式………………72.5.2全球移動(dòng)通信技術(shù)…………72.5.3無線通訊模塊………………82.6電源模塊的設(shè)計(jì)……………………92.6.112V轉(zhuǎn)5V電路模塊…………102.6.25V轉(zhuǎn)3.8V電路模塊………102.7LCD顯示電路……………………102.8JTAG接口電路……………………112.9鍵盤電路…………112.10串口通信電路…………………122.11時(shí)鐘電路………………………123地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)………133.1軟件的主程序……………………133.2數(shù)據(jù)采集子程序…………………153.3LCD顯示子程序…………………153.4通訊模塊子程序…………………164總結(jié)與展望………………184.1總結(jié)………………184.2展望………………18結(jié)束語………………………19參考文獻(xiàn)……………………20英文資料……………………21致謝…………………………231引言1.1選題的背景及意義地下水是一種重要的水資源，地下水位觀測(cè)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的水利工作。地下水位動(dòng)態(tài)變化信息為地下水的開采工作、地方生態(tài)維護(hù)以及工程建設(shè)等方面提供了重要參考依據(jù)[1]。但是目前絕大多數(shù)的地下水位監(jiān)測(cè)儀通常采用單片機(jī)及傳統(tǒng)的有線傳輸模塊，其特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、成本低，只能用在簡(jiǎn)單場(chǎng)合，不能滿足目前對(duì)地下水資源實(shí)時(shí)、現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)的需要。為了實(shí)現(xiàn)“十五”期間的戰(zhàn)略目標(biāo)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)正確的決策至關(guān)重要。因此，地下水監(jiān)測(cè)應(yīng)采取多種監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合，充分發(fā)揮不同方法的優(yōu)勢(shì)，使地下水監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確，項(xiàng)目齊全，覆蓋面廣。在網(wǎng)絡(luò)信息迅速發(fā)展的今天，建立地下水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是我國地下水環(huán)境監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)今時(shí)代，GSM通訊網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)的迅速發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的日益完善，突破了傳統(tǒng)的通訊方式的時(shí)空限制和地域障礙，使更大范圍內(nèi)的通訊變得十分容易。未來的地下水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將由野外無人值守站(點(diǎn))和中心控制站組成，野外無人值守站由傳感器(水位、水質(zhì))、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、太陽能電池板、蓄電池等組成，將分布在全國各省市的國家級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，主要完成對(duì)水位、水質(zhì)等參數(shù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)，并按設(shè)定的時(shí)間及時(shí)間間隔通過通訊系統(tǒng)向中心站傳送數(shù)據(jù)；中心控制站則是由計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和操作軟件等組成，用來接收各無人值守站上報(bào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、負(fù)責(zé)向所有或某個(gè)無人值守站發(fā)送控制命令，包括每天發(fā)送次數(shù)、校時(shí)等以及對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示和分析。1.2國內(nèi)外地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的研究現(xiàn)狀國外在地下水監(jiān)測(cè)儀的開發(fā)與應(yīng)用方面比較先進(jìn)，產(chǎn)品具有集成化、便攜性等優(yōu)點(diǎn)，但發(fā)達(dá)國家在地下水監(jiān)測(cè)方面的監(jiān)測(cè)設(shè)備水平也存在較大的差異。其中美國與荷蘭的產(chǎn)品在技術(shù)性能上代表著當(dāng)今世界的先進(jìn)水平。近年來，水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試技術(shù)在國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始發(fā)展，如美國、日本等國家已相繼研制出水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，并已經(jīng)走進(jìn)國內(nèi)市場(chǎng)[2]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，我國的地下水位監(jiān)測(cè)儀也有了一定的發(fā)展，具備了初步的研究與生產(chǎn)的能力，但是水位檢測(cè)和傳輸方式落后，造成數(shù)據(jù)的精確性和時(shí)效性不高，遠(yuǎn)不能滿足對(duì)地下水現(xiàn)代科學(xué)監(jiān)測(cè)的需求。國產(chǎn)水位監(jiān)測(cè)儀器主要有浮筒式水位儀、壓力傳感器式水位儀、超聲波式水位儀等，國內(nèi)監(jiān)測(cè)儀性能比較如表1所示。在功能齊全、性能穩(wěn)定等方面，雖與國際上先進(jìn)的同類產(chǎn)品存在一定差距，卻能基本滿足地下水監(jiān)測(cè)的需要[3]。表1國內(nèi)監(jiān)測(cè)儀性能對(duì)比表技術(shù)指標(biāo)浮筒式超聲波式壓力式工作方式記錄筆自己錄水位曲線或光盤碼自動(dòng)計(jì)數(shù)人工操作自動(dòng)顯示多為數(shù)字顯示人工記錄，少有自動(dòng)采集、自動(dòng)打印認(rèn)為誤差大較大較小分辨率1cm1cm1cm(mm)測(cè)量精度較低較低較高自動(dòng)化程度半自動(dòng)自動(dòng)全自動(dòng)或半自動(dòng)電源無需/需要需要需要環(huán)境條件受孔斜和水位埋深限制受溫度和濕度影響受氣壓影響總體技術(shù)水準(zhǔn)較低高較高1.3主要內(nèi)容及技術(shù)要求本論文主要完成的工作是以ATmega128為主控芯片的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。硬件部分主要包括：ATmega128最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、串口通信電路設(shè)計(jì)、GPRS無線傳輸模塊設(shè)計(jì)、JTAG接口模塊設(shè)計(jì)、液晶顯示模塊設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、鍵盤模塊設(shè)計(jì)和時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)以及它們的實(shí)現(xiàn)。其中主要介紹了控制模塊、水位數(shù)據(jù)采集及信號(hào)調(diào)理模塊和水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸模塊[4]。在軟件部分，圍繞著地下水位數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程傳輸模塊進(jìn)行了詳細(xì)介紹，編寫了穩(wěn)定性強(qiáng)、性能全面實(shí)用的軟件程序。本文涉及的主要工作內(nèi)容包括：(1)設(shè)備功能分析及硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的總體規(guī)劃。(2)依據(jù)系統(tǒng)各功能模塊的要求和數(shù)字電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原則，選取適當(dāng)?shù)膶Ｓ眯酒?，設(shè)計(jì)硬件電路(包括微處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片等)。(3)硬件電路的設(shè)計(jì)及其各功能模塊具體電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。(4)硬件電路板整體設(shè)計(jì)及合理性的分析。(5)地下水位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件主程序設(shè)計(jì)和GPRS遠(yuǎn)程通訊程序設(shè)計(jì)。2地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)是本論文的主要內(nèi)容，本章主要分析地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的主要功能，高精度的采集地下水位數(shù)據(jù)并穩(wěn)定地實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)至上位控制中心，接著從性能的角度提出地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的總體設(shè)計(jì)方案及各功能模塊硬件電路的具體設(shè)計(jì)。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1.1系統(tǒng)總體方案分析地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀作為一款新型的無人值守水位信息監(jiān)測(cè)設(shè)備，是地下水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸終端，工作在戶外苛刻的環(huán)境中，應(yīng)該具有良好的性能。首先要體態(tài)小以便于攜帶安裝，接口豐富、實(shí)時(shí)顯示以便于野外調(diào)試。其次要功能健全、穩(wěn)定以便能滿足地下水水位現(xiàn)代化管理的要求。通過對(duì)地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的功能分析，其應(yīng)具備采集功能、控制功能、安裝調(diào)試功能、顯示功能、設(shè)置功能、存儲(chǔ)功能、組網(wǎng)功能等[5]。地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的各模塊功能分析：采集功能：采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)水井的水位數(shù)據(jù)?？刂乒δ埽簩?shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的控制，以保證系統(tǒng)能正常穩(wěn)定工作。安裝調(diào)試功能：包括鍵盤接口和JTAG接口，以便野外調(diào)試。顯示功能：顯示模塊的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)等。設(shè)置功能：對(duì)設(shè)備內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，如量程、水位標(biāo)高、通訊參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。存儲(chǔ)功能：大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄歷史數(shù)據(jù)。組網(wǎng)功能：包括GPRS和串行通信，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸。2.1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要包括控制模塊設(shè)計(jì)、水位數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)、水位數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)、水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊的設(shè)計(jì)、LCD顯示模塊的設(shè)計(jì)等?？刂颇K采用基于AVR單片機(jī)的最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理；地下水位數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊功能采用液位傳感器，能高精度、低誤差的采集水位信息，把水位信息轉(zhuǎn)化成4～20mA的電流信號(hào)；地下水位數(shù)據(jù)控制和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊功能為使用高性能嵌入式處理器把采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程傳輸功能；遠(yuǎn)程無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)將地下水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸至上位控制中心；電源模塊功能為設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定的直流+12V電壓。通過功能分析后提出設(shè)備系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。55V3V12V直流電源輸入電壓變換電壓變換ATmega128時(shí)鐘RS232串口4ⅹ4鍵盤JTAG接口LCD顯示GPRS模塊電流信號(hào)I/U轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換采樣保持圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案圖2.2控制模塊的設(shè)計(jì)單片嵌入式系統(tǒng)是以單片機(jī)作為控制核心的嵌入式系統(tǒng)，具有低功耗、低電壓、大容量、集成化、多樣化、CMOS化和網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器儀表和網(wǎng)絡(luò)信息等領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，各種型號(hào)的單片機(jī)層出不窮，控制模塊是硬件設(shè)計(jì)的最重要的模塊，在選擇時(shí)一定要軟硬兼顧，注意以下幾點(diǎn)：處理速度、RAM空間、程序空間、I/O端口、芯片功耗、自報(bào)警功能、軟件調(diào)試便利等。從以上幾點(diǎn)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用ATMEL公司AVR系列的基于RISC指令集的8位高速單片機(jī)Mega128[6]。ATmega128具有豐富的片內(nèi)資源、很低的功耗和很高的數(shù)據(jù)處理速度，是一款高靈活性和低成本的嵌入式微控制器。本設(shè)計(jì)以ATmega128作為中央處理器，主要的任務(wù)是讀取經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的傳感器采集到的地下水位信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、處理得出準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)井地下水位值，并將其送到液晶屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，與此同時(shí)啟動(dòng)GPRS通信模塊，將處理后的水位信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)缴衔豢刂浦行墓┥衔豢刂栖浖治鍪褂肹7]。ATmega128最小系統(tǒng)電路主要包括了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和溫度采集電路。電路原理圖如圖2所示。圖2ATmega128最小系統(tǒng)原理圖其中溫度采集電路選用溫度傳感器DS18B20，只需要一個(gè)接口完成與ATmega128雙向通訊，外圍電路簡(jiǎn)單，既節(jié)省了片上資源，又大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。2.3水位數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)2.3.1數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)地下水位進(jìn)行精確的測(cè)量，傳感器的選擇至關(guān)重要，由于本設(shè)計(jì)是對(duì)地下水位進(jìn)行采集，所以選用液位傳感器，它是一種測(cè)量液體的壓力傳感器，是基于所測(cè)液體壓力與該液體的高度成正比的原理。液位傳感器分為接觸式和非接觸式兩種，本設(shè)計(jì)是應(yīng)用在地下水監(jiān)測(cè)井中，由于實(shí)際監(jiān)測(cè)井并不垂直，選用非接觸式的超聲波液位傳感器或雷達(dá)傳感器誤差比較大，而且作為工程類項(xiàng)目成本較高，因此選用投入式液位傳感器，成本既低誤差又小[8]。投入式傳感器采用特殊的中間帶有通氣導(dǎo)管的電纜及專門的密封技術(shù)，既保證了傳感器的水密性，又使得參考?jí)毫η慌c環(huán)境壓力相通，從而保證了測(cè)量的高精度和高穩(wěn)定性。綜上所述，本設(shè)計(jì)的水位數(shù)據(jù)采集部分采用電流型硅壓阻式液位傳感器，采用國外先進(jìn)的隔離型擴(kuò)散硅敏感元件，將水壓轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。電流型硅壓阻式液位傳感器如圖3所示。圖3電流型硅壓阻式液位傳感器實(shí)物2.3.2數(shù)據(jù)調(diào)理模塊傳感器的輸出信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)，電流信號(hào)對(duì)輻射噪聲和引線電阻上的壓降不敏感，不容易引入各種干擾適合于信號(hào)的長距離傳輸，滿足地下水井埋深高信號(hào)傳輸距離長的特點(diǎn)，但是電流信號(hào)不能被單片機(jī)及A/D轉(zhuǎn)換芯片直接進(jìn)行處理，處理之前要先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[9]。將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，本設(shè)計(jì)主要分析了串聯(lián)電阻法、設(shè)計(jì)模擬電路法和選擇專用轉(zhuǎn)換芯片法三種方案。這三種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，經(jīng)過分析選擇專用轉(zhuǎn)換芯片法。RCV420是精密IU轉(zhuǎn)換芯片，能將4～20mA環(huán)路電流轉(zhuǎn)換為O～5V的輸出電壓。其主要特點(diǎn)有：4～20mA電流輸入，0～5V電壓輸出；具有精密10V電壓基準(zhǔn)，溫漂小于5X10-6℃；具有±40V共模電壓輸入范圍；總的變換誤差小于0.1%；具有86dB的噪聲抗干擾能力。此方案的特點(diǎn)是外圍電路連接十分簡(jiǎn)單方便，不需要其它的元器件就可實(shí)現(xiàn)所需的功能，抗干擾能力很強(qiáng)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理精度高，RCV420的溫度使用范圍很廣泛，適用于嚴(yán)苛的環(huán)境中，而且性價(jià)比很高，集成化的設(shè)計(jì)省去了外圍電路的成本，高可靠性省去了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的費(fèi)用，RCV42O的主要缺點(diǎn)經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)其對(duì)供電電源的要求非常高。但是經(jīng)過綜合分析本設(shè)計(jì)的電路調(diào)理模塊采用專用轉(zhuǎn)換芯片方案。RCV42O的轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示。圖4RVC42O的轉(zhuǎn)換電路原理圖2.4水位數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換功能是地下水位監(jiān)測(cè)儀的關(guān)鍵功能之一，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度高，誤差小、穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)就越有價(jià)值，它是儀器的總體性能重要指標(biāo)之一。單片機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，傳感器采集到的電流信號(hào)需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能被單片機(jī)進(jìn)一步的計(jì)算處理。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個(gè)過程，模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)變技術(shù)指標(biāo)主要由轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間來衡量[10]。A/D轉(zhuǎn)換器一般可分為直接比較型和間接比較型。直接比較型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度快但抗干擾能力弱，間接比較型則相反。結(jié)合嵌入式處理器高處理能力的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用的是TI公司出產(chǎn)的TLC2543，12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，能使監(jiān)測(cè)到的水位數(shù)據(jù)精確到毫米，與傳統(tǒng)的水位儀監(jiān)測(cè)儀相比提高了數(shù)據(jù)采集精度與穩(wěn)定性，可更加科學(xué)的、廣泛的對(duì)地下水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集到的水位數(shù)據(jù)的價(jià)值更加珍貴。TLC2543芯片具有8個(gè)通道串行輸入接口，可方便以后設(shè)備的升級(jí)，本設(shè)計(jì)中僅用一根信號(hào)線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省了ATmega128的I/O資源，采樣速率最高可到66次/S，貼片封裝體積小、功耗低適合用于應(yīng)用于便攜式儀器儀表及嚴(yán)苛的戶外環(huán)境。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖2.5水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸模塊的設(shè)計(jì)2.5.1數(shù)據(jù)傳輸方式水位數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸是設(shè)計(jì)的主要模塊，在現(xiàn)代的通信系統(tǒng)中主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有有線數(shù)據(jù)傳輸與無線數(shù)據(jù)傳輸，其性能對(duì)比如表2所示。地下水位監(jiān)測(cè)井分布較散，很多在野外惡劣的地理環(huán)境中，有線傳輸方式可靠性高、速度快但成本高，且不利于實(shí)際工程實(shí)施，缺少靈活性，而無線傳輸組網(wǎng)費(fèi)用低廉、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好、傳輸速度快，所以本設(shè)計(jì)選用GSM無線數(shù)據(jù)傳輸方式[11]。表2有線無線傳輸方式對(duì)比表技術(shù)指標(biāo)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)費(fèi)用設(shè)備投入大，組網(wǎng)費(fèi)用高依托GPRS網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)費(fèi)用低廉組網(wǎng)靈活性容易受地形條件制約，布線工程大，安裝周期長，不靈活組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好、不需要為新添加設(shè)備增補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)，即插即用，安裝周期短傳輸速度很快快傳輸穩(wěn)定性穩(wěn)定隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，穩(wěn)定性很大提高維護(hù)費(fèi)用傳輸線容易老化，維修昂貴免維護(hù)系統(tǒng)2.5.2全球移動(dòng)通信技術(shù)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制訂的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于蜂窩系統(tǒng)，是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，屬于第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，模擬蜂窩技術(shù)被稱為一代移動(dòng)通信技術(shù)，寬帶CDMA技術(shù)被稱為三代移動(dòng)通信技術(shù)，即3G。GSM它是基于時(shí)分多址技術(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)，主要包括以下四個(gè)部分：(1)無線基站系統(tǒng)，包括基站和相關(guān)控制器，主要完成無線的發(fā)送、接收和管理。(2)網(wǎng)絡(luò)和交換系統(tǒng)，也可簡(jiǎn)稱為核心網(wǎng)。主要完成交換功能和用戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫[12]。(3)移動(dòng)臺(tái)，即通信終端設(shè)備由移動(dòng)終端和用戶識(shí)別模塊，即SIM卡組成。SIM卡是一個(gè)保存用戶數(shù)據(jù)和電話本的可拆卸智能卡。(4)操作維護(hù)中心，主要對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控。GSM系統(tǒng)在全球迅速的發(fā)展，國內(nèi)的移動(dòng)通信也快速的發(fā)展，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，由最初的單純的話音業(yè)務(wù)，逐步發(fā)展成包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、預(yù)付費(fèi)和VPN等智能業(yè)務(wù)等綜合的通信業(yè)務(wù)，多年的發(fā)展與完善，GSM技術(shù)逐漸成熟，并有了廣泛的應(yīng)用，成為了主流的通信系統(tǒng)。其中的短消息業(yè)務(wù)具有服務(wù)費(fèi)用低、只利用信令信道傳輸，不用撥號(hào)建立連接等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域[13]。GSM系統(tǒng)具有下列主要特點(diǎn)：(1)頻譜效率高，由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術(shù)，使系統(tǒng)具有高頻譜效率。(2)容量大，組網(wǎng)方便。(3)語音質(zhì)量高，鑒于數(shù)字傳輸技術(shù)的特點(diǎn)以及GSM規(guī)范中有關(guān)空中接口和話音編碼的定義，在門限值以上時(shí)，話音質(zhì)量總是達(dá)到相同的水平而與無線傳輸質(zhì)量無關(guān)。(4)開放的接口，GSM標(biāo)準(zhǔn)所提供的開放性接口，不僅限于空中接口，而且包括網(wǎng)絡(luò)之間以及網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)體之間的接口。(5)安全性高，通過鑒權(quán)、加密和TMSI號(hào)碼的使用，達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)用來驗(yàn)證用戶的入網(wǎng)權(quán)利。加密用于空中接口，由SIM卡和網(wǎng)絡(luò)AUC的密鑰決定。TMSI是一個(gè)由業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)給用戶指定的臨時(shí)識(shí)別號(hào)，以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置[14]。(6)與ISDN，PSTN互連，在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游。漫游是移動(dòng)通信的重要特征，它標(biāo)志著用戶可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。(7)抗干擾能力強(qiáng)，通信質(zhì)量高。綜上所述，在實(shí)際工程項(xiàng)目中合理有效的利用GSM網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢(shì)，就可以不用組建專用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，避免了成本費(fèi)用高，通訊距離不長，通訊效果不好等專用通信網(wǎng)絡(luò)的難題。2.5.3無線通訊模塊本系統(tǒng)的無線通訊模塊選用SIM300C。SIM300C是SIMCOM公司生產(chǎn)的一款具有強(qiáng)大功能的多頻GSM/GPRS設(shè)備，支持高速無線數(shù)據(jù)傳輸、語音傳輸；提供兩種串行接口；具有SIMCard接口和通用輸入輸出口；并且設(shè)計(jì)有內(nèi)部時(shí)鐘、備用電源、充電電路、A/D轉(zhuǎn)換等，以滿足工業(yè)的各種需要[15]。GPRS遠(yuǎn)程通信的電路原理圖如圖6所示。圖6GPRS通信電路原理圖2.6電源模塊的設(shè)計(jì)電源電路的設(shè)計(jì)是硬件電路設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，電源電路的穩(wěn)定性與可靠性對(duì)電子產(chǎn)品的可靠性有很重要的影響。地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀使用在農(nóng)村野外惡劣的環(huán)境中，因此對(duì)電源的要求十分嚴(yán)格。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢，我國農(nóng)村基礎(chǔ)電網(wǎng)的建設(shè)情況也不容樂觀，主要存在的問題有線路陳舊、設(shè)備老化及電壓不穩(wěn)等。進(jìn)過分析，決定采用蓄電池提供設(shè)備外部供電，在停電時(shí)蓄電池可以維持設(shè)備正常工作。本設(shè)計(jì)選用鉛酸蓄電池提供+12V電壓，主要為液位傳感器供電。用穩(wěn)壓器SPX29302A產(chǎn)生+3.8V供給GPRS模塊，選用LM2940-5.0產(chǎn)生+5V電壓給大部分?jǐn)?shù)字電路供電。2.6.112V轉(zhuǎn)5V電路模塊12V轉(zhuǎn)5V電路本系統(tǒng)選用LM2940-5.0穩(wěn)壓器為主要模塊，LM2940-5.0是LM2940的子型號(hào)，選用T0-263型封裝，是一款降壓穩(wěn)壓器，完成由輸入電壓12V到輸出電壓5V的轉(zhuǎn)換。LM2940開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，具有3A的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，有非常小的電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率，有自我保護(hù)電路并且外圍電路比較簡(jiǎn)單。由于LM2940-5.0內(nèi)部調(diào)節(jié)器，大大簡(jiǎn)化了芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，使得只需要采用特定值的肖特基二極管、電感、電容就可完成需要的電壓輸出[16]。電路原理圖如圖7所示。圖712V轉(zhuǎn)5V電路原理圖2.6.25V轉(zhuǎn)3.8V電路模塊5V轉(zhuǎn)3.8V電路本系統(tǒng)中選用SPX29302A穩(wěn)壓器為主要模塊，SPX293O2A是一款低壓差穩(wěn)壓器，具有電池反向保護(hù)、極大的瞬態(tài)響應(yīng)和1%的輸出精度等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于監(jiān)控設(shè)備、手持設(shè)備中，本設(shè)計(jì)選用TO-220封裝。電路原理圖如圖8所示。圖85V轉(zhuǎn)3.8V電路原理圖2.7LCD顯示電路本設(shè)計(jì)選用的液晶顯示模塊屬于T6963系列，可選用直接控制方式和間接控制方式與ATmega128相連接。本設(shè)計(jì)選用間接控制方式，其中I/O接口PD4～PD7實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示模塊的控制，I/O接口PA0～PA7與液晶屏的數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，PF0～PF3與外圍電路線連接控制液晶屏亮度。LCD顯示電路液晶模塊選用YLF12864F，通過液晶屏接口電路實(shí)現(xiàn)設(shè)備登錄界面顯示；水位、測(cè)量值、日期、時(shí)間界面顯示；量程、高度、放線、卡號(hào)、地址、時(shí)間等參數(shù)設(shè)置界面顯示，方便的供用戶安裝、調(diào)試設(shè)備和觀察、記錄數(shù)據(jù)。LCD顯示電路原理圖如圖9所示。圖9LCD顯示電路原理圖2.8JTAG接口電路AVRJTAG接口是與配套的AVRJTAG仿真器一起使用，可以通過JTAG邊界掃描功能測(cè)試PCB，對(duì)非易失性存儲(chǔ)器Flash和EEPROM、熔絲位和鎖定位進(jìn)行編程，可以使用AVRStudio環(huán)境進(jìn)行片上調(diào)試[17]。JTAG接口電路的電路原理圖如圖10所示。圖10JTAG接口電路原理圖2.9鍵盤電路采用ATmegal28的PC0～PC7，8個(gè)I/O口,方便實(shí)現(xiàn)4ⅹ4行列式鍵盤電路的控制，可通過編程實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)液晶屏功能、顯示界面切換、參數(shù)輸入、埋深、海拔、SIM卡號(hào)和時(shí)間的輸入等功能。4ⅹ4行列式鍵盤電路如圖11所示。圖11鍵盤功能電路圖2.10串口通信電路ATmega128具有RXD0和TXD0，RXD1和TXD1兩個(gè)USART串行接口，本設(shè)計(jì)使用RXD1和TXD1完成ATmega128與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。串口通信電路使用MAX232，其供電簡(jiǎn)單，只需要單一的5V電源供電、功耗低；內(nèi)部集成兩個(gè)RS-232驅(qū)動(dòng)器，符合所有RS-232技術(shù)指標(biāo)，電路原理圖如圖12所示。圖12串口通信電路原理圖2.11時(shí)鐘電路采用DALLAS公司涓流充電時(shí)鐘芯片DS1302，實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)能計(jì)秒、分、小時(shí)，閏年補(bǔ)償有效至2100年；而且具有電池備份功能，使時(shí)鐘不受系統(tǒng)斷電的影響，電路原理圖如圖13所示。圖13時(shí)鐘電路原理圖3地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)本章的主要內(nèi)容是介紹地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)，軟件的設(shè)計(jì)是由主程序和子程序組成。主程序主要完成對(duì)系統(tǒng)硬件電路的初始化，設(shè)置堆棧指針及串口的初始化等。子程序包括數(shù)據(jù)采集子程序、LCD顯示子程序、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、液晶屏實(shí)時(shí)顯示以及遠(yuǎn)程無線通信子程序等[18]。根據(jù)系統(tǒng)軟件的開發(fā)環(huán)境，軟件設(shè)計(jì)以ATMEL公司出品的AVRStudio為輔助工具，采用C語言和匯編語言來實(shí)現(xiàn)。3.1軟件的主程序地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的軟件部分采用C語言和匯編語言編寫，用ATMEL公司出品的AVRStudio進(jìn)行編譯，AVRStudio是一個(gè)完整的開發(fā)工具，包括編輯、仿真功能，可以編譯源代碼，并在AVR單片機(jī)上運(yùn)行。AVRStudio界面圖如圖14所示。應(yīng)用軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、LCD顯示以及遠(yuǎn)程無線通信等程序。圖14AVRStudio界面圖設(shè)備上電后，經(jīng)過上電自檢和初始化，啟動(dòng)遠(yuǎn)程通訊模塊，數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換采集水位數(shù)據(jù)，ATmegal28對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主程序流程圖如圖15所示。NNY清除中斷NNY清除中斷掃描設(shè)備內(nèi)核加載DRAM加載注冊(cè)中斷程序開中斷GPRS主程序是否有中斷YYY是否有數(shù)據(jù)接收DRAM是否忙讀DRAM數(shù)據(jù)判斷動(dòng)/靜態(tài)水位程序結(jié)束開始系統(tǒng)上電自檢啟動(dòng)引到程序圖15主程序流程圖3.2數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集子程序在主程序接收到啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集過程命令字后運(yùn)行。為提高水位采樣信號(hào)的真實(shí)度，本系統(tǒng)利用程序?qū)λ恍畔⒃诿?0分鐘連續(xù)采樣5次，然后將采樣值從小到大排隊(duì)，再取中間值為真實(shí)信號(hào)，然后將采集到數(shù)據(jù)送至AVR單片機(jī)控制部分。數(shù)據(jù)采集子程序流程圖如圖16所示。YYUNUYUN開始設(shè)采樣值地址首址設(shè)計(jì)數(shù)器選擇ADC通道啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換延時(shí)采樣5次完否取中間值結(jié)果送內(nèi)存計(jì)數(shù)器為0否返回圖16數(shù)據(jù)采集子程序流程圖3.3LCD顯示子程序YF12864內(nèi)部自帶有控制字存儲(chǔ)單元，因此對(duì)字符顯示模塊的編程較簡(jiǎn)單，只要先輸入命令字，設(shè)置其工作方式，然后再將顯示數(shù)據(jù)輸入指定的存儲(chǔ)器位置即可。流程圖如圖17所示。開始開始初始化模塊顯示方式等待更新顯示內(nèi)容顯示更新否寫入顯示寄存器地址寫入顯示數(shù)據(jù)NNYY圖17LCD顯示子程序流程圖3.4通訊模塊子程序通訊模塊主要是使用GPRS進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，要使用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要進(jìn)行3個(gè)步驟的操作。(1)發(fā)送AT指令，登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)。這里以中國移動(dòng)CMNET為例：AT+CGATT=1//GPRS網(wǎng)絡(luò)附著OK//返回OK代表設(shè)置成功AT+CGDCONT=I，“IP”，“CMNET”//設(shè)置接入點(diǎn)OK//返回OK代表設(shè)置成功ATD399333l#//撥號(hào)CONNECT//代表可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)商了(2)利用PPP協(xié)議完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)商。協(xié)商過程大致如下：在撥號(hào)成功連接后的GPRS網(wǎng)關(guān)，首先會(huì)返回1個(gè)PAPREQ幀，然后發(fā)1個(gè)空的LCPREQ幀，以強(qiáng)迫進(jìn)行協(xié)議協(xié)商；隨后，GPRS網(wǎng)關(guān)發(fā)送LCP設(shè)置幀請(qǐng)求，我們拒絕所有的設(shè)置并請(qǐng)求驗(yàn)證模式，GPRS網(wǎng)關(guān)選擇CHAP或PAP方式驗(yàn)證，我們只接受PAP方式，然后進(jìn)行PAP驗(yàn)證用戶名或密碼過程，如果成功，GPRS網(wǎng)關(guān)就會(huì)返回IPCP報(bào)文分配動(dòng)態(tài)IP地址。此時(shí)就完成了GPRS網(wǎng)關(guān)的協(xié)商過程。(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。網(wǎng)絡(luò)協(xié)商之后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。GPRS網(wǎng)絡(luò)通過收發(fā)IP數(shù)據(jù)包來傳送數(shù)據(jù)，完成本終端系統(tǒng)向遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心透過Internet傳輸數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)登錄到GPRS網(wǎng)絡(luò)后。如果一段時(shí)間內(nèi)沒有產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量，移動(dòng)運(yùn)營商就會(huì)把網(wǎng)絡(luò)鏈路斷開。所以，需要通過定時(shí)發(fā)送1個(gè)任意的數(shù)據(jù)包給任意目標(biāo)地址和端口來產(chǎn)生流量，以證明鏈路還在傳輸數(shù)據(jù)，從而保持一直在線，該數(shù)據(jù)包俗稱心跳包。各個(gè)地區(qū)實(shí)際的間隔時(shí)間不相同，需要根據(jù)實(shí)際使用地區(qū)的情況進(jìn)行調(diào)整。地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀上電后開始嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，如果在三分鐘內(nèi)未成功登錄，則退出網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)，再循環(huán)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)；如果入網(wǎng)成功，考慮到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，優(yōu)先詢問是否有MCU有采集命令，有則先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，無則詢問是否需要上傳數(shù)據(jù)；需要上傳數(shù)據(jù)，將讀取數(shù)據(jù)到緩存區(qū)并且運(yùn)行協(xié)議棧任務(wù)，任務(wù)完成后等待下個(gè)命令；不需要上傳數(shù)據(jù)，則返回上一級(jí)命令循環(huán)[19]。其中，水位監(jiān)測(cè)儀和后臺(tái)服務(wù)器之間使用TCP協(xié)議進(jìn)行通信和傳輸；水位監(jiān)測(cè)儀可以向后臺(tái)服務(wù)器指定的TCP端口請(qǐng)求連接；連接成功后，第一個(gè)發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)是接入認(rèn)證數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括終端的類型和終端的ID標(biāo)識(shí)，后臺(tái)服務(wù)器收到終端的第一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和處理，實(shí)現(xiàn)終端的接入；終端接入處理完成以后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段。通訊模塊流程圖如圖18所示。YYNYYN開始嘗試加入網(wǎng)絡(luò)是否入網(wǎng)超時(shí)退出入網(wǎng)執(zhí)行系統(tǒng)任務(wù)入網(wǎng)標(biāo)志是否采集數(shù)據(jù)是否上傳數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)運(yùn)行協(xié)議棧任務(wù)等待數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集NN圖18通訊模塊流程圖4總結(jié)與展望4.1總結(jié)本文介紹了一種基于AVR單片機(jī)的便攜式高可靠性的地下水位監(jiān)測(cè)的電子設(shè)備——地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)。本文首先分析了目前國內(nèi)外地下水位測(cè)量的現(xiàn)狀，分析了地下水位計(jì)量的難點(diǎn)和關(guān)鍵問題。針對(duì)于當(dāng)前地下水位監(jiān)測(cè)設(shè)備水位數(shù)據(jù)采集的精度低、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸易丟失、戶外長時(shí)間工作易死機(jī)、組網(wǎng)監(jiān)測(cè)費(fèi)用高等瓶頸，創(chuàng)新性的提出了高精度、高可靠性、組網(wǎng)維護(hù)費(fèi)用低的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀。專為偏遠(yuǎn)地區(qū)地下水水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)而開發(fā)研制，該系統(tǒng)主要包括控制模塊、水位數(shù)據(jù)采集及調(diào)理模塊、水位數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、水位數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸模塊、電源模塊。本系統(tǒng)集水位數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)液晶屏實(shí)時(shí)顯示并遠(yuǎn)程無線傳輸、鍵盤修改參數(shù)多功能于一體。本文的主要工作：(l)查閱了國內(nèi)外地下水位監(jiān)測(cè)技術(shù)的相關(guān)資料，對(duì)地下水位監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行了全面的分析和研究。(2)采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，對(duì)地下水位監(jiān)測(cè)儀的各功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其完成水位檢測(cè)、處理、傳輸?shù)裙δ堋?3)針對(duì)野外嚴(yán)苛的環(huán)境，提出了高可靠性的電源設(shè)計(jì)方案。對(duì)目前農(nóng)村電網(wǎng)電壓大小不一，難于處理的問題，給予了統(tǒng)一的解答。(4)針對(duì)無人值守監(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性提出了待于嘗試的意見和方法。4.2展望盡管地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備有了初步的探索與研究，但在以下幾方面仍然需要進(jìn)行深入的研究。(1)集成方案對(duì)地下水的監(jiān)測(cè)是全面而廣泛的，可以依托水位監(jiān)測(cè)的平臺(tái)，增加設(shè)備的功能對(duì)地下水的PH值、水溫等參數(shù)進(jìn)行全面的集成化的監(jiān)測(cè)。(2)電源方案對(duì)于地下水位的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)井主要分布在農(nóng)村及野外無人居住地區(qū)，供電環(huán)境十分惡劣，但是設(shè)備電源環(huán)境的好壞直接影響設(shè)備的各方面功能，因此電源解決方案十分重要。在實(shí)際工程安裝過程中，部分監(jiān)測(cè)井周圍沒有供電電源，蓄電池的供電時(shí)間又十分有限，如何解決這部分監(jiān)測(cè)井的供電問題可進(jìn)一步進(jìn)行研究。(3)遠(yuǎn)程通信方案遠(yuǎn)程通信是設(shè)備的主要功能，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展遠(yuǎn)程通信模塊的設(shè)計(jì)方案有了更多的選擇，如何更加方便、低成本、穩(wěn)定的傳輸水位數(shù)據(jù)是下一步工作的難點(diǎn)。結(jié)束語經(jīng)過三個(gè)月的準(zhǔn)備，終于完成了地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀的全部工作，雖然沒有完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是一路走過來,我覺得過程還是很重要的。在本次設(shè)計(jì)的過程中，我遇見了很多的問題，很多具體的細(xì)節(jié)做起來很費(fèi)事，許多東西都需要試著去首次去探討，例如：要去設(shè)計(jì)GPRS通信模塊時(shí)就必需要熟悉單片機(jī)和一些電子器件的詳細(xì)資料和功能用途以及在具體的電路中應(yīng)該注意的問題。還有需要懂得電路制圖軟件DXP等的熟練操作。尤其是去做實(shí)物的話就必需會(huì)熟練制作PCB板等，這一切都要花時(shí)間去不斷的嘗試與練習(xí)，主要是硬件電路這塊。信號(hào)源的軟件程序的設(shè)計(jì)也讓我長了不少見識(shí)。這次設(shè)計(jì)主要是以AVR單片機(jī)ATmega128作為主控制器實(shí)現(xiàn)由數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種輸出信號(hào)，于是程序這塊就必需與ATmega128緊密相連。很顯然軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于軟件算法的設(shè)計(jì)，需要有很巧妙的程序算法，本次設(shè)計(jì)程序自己都試著去寫了，雖然有很多困難，但得到的收獲也讓人感到欣喜。實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，只有將理論與實(shí)踐做到很好的結(jié)合，我們得到的才會(huì)更多。從這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我真正的意識(shí)到，在以后的學(xué)習(xí)中，要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)用到實(shí)際當(dāng)中，學(xué)習(xí)單片機(jī)更是如此，程序只有在經(jīng)常的寫與讀的過程中才能提高，這就是我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的最大收獲。只有不斷地學(xué)習(xí)，各方面的知識(shí)都充分地接觸，才能為今后更好地發(fā)展打下基石。參考文獻(xiàn)[l]趙輝,齊學(xué)斌.地下水資源管理新技術(shù)與新方法[J].中國水利.2009(15):31-33[2]英愛文.地下水監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[J].2006(26):63-66[3]郝迎吉.遠(yuǎn)距離水位智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2004(6)809-812[4]閏靜杰,劉曉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下水位監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).傳感器與微系統(tǒng).2008,27(3):73[5]成寶芝,郭險(xiǎn)峰,陳春雨,王玉玲,崔海瑛.基于嵌入式技術(shù)的油井無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2010,37(4):73[6]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2005[7]馬潮.《AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐》(第二版).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2011[8]劉堅(jiān),陶正蘇,陳德富.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表.2009,30(2):30[9]劉文豫.帶自校準(zhǔn)功能的精密ADC芯片及其應(yīng)用[J]電子元器件應(yīng)用,2006,8(4):112-116[l0]閏靜杰,劉曉文.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的井下水位監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，傳感器與微系統(tǒng)，2008，27(3):73[11]侯大偉,何建忠.基于GSM的遠(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J]，計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，30(9):2013-2014[12]Wirelesssensornetwork:Waterdistributionmonitorringsystem[J].MaLin、YanWuWassell.I.RadioandWirelessSymposium,2008IEEE,2008,22-24Jan:775-778[l3]韓斌杰,杜新顏,張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009[14]26]張威.GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化原理與工程[M].北京:人民郵電出版社,2010[15]陳立波,鄭春,肖質(zhì)紅.中國3G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)特性與發(fā)展態(tài)勢(shì)[J].無線通信,2010,7:29[16]杜春雷編.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003[17l馬忠梅,李善平,康慨.ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004[18]Weber.W,Rabaey.J,Aarts.E.AmbientIntelligence,NewYork,NY:Springer2Verlag2005.11[19]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第4版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003英文資料TheBriefIntroductionofGPRSGeneralPacketRadioService(GPRS)isamobiledataserviceavailabletousersofGSMmobilephones.Itisoftendescribedas"2.5G",thatis,atechnologybetweenthesecond(2G)andthird(3G)generationsofmobiletelephony.Itprovidesmoderatespeeddatatransfer,byusingunusedTDMAchannelsintheGSMnetwork.OriginallytherewassomethoughttoextendGPRStocoverotherstandards,butinsteadthosenetworksarebeingconvertedtousetheGSMstandard,sothatistheonlykindofnetworkwhereGPRSisinuse.GPRSisintegratedintoGSMstandardsreleasesstartingwithRelease97andonwards.FirstitwasstandardisedbyETSIbutnowthatefforthasbeenhandedontothe3GPP.GPRSbasicsGPRSisdifferentfromtheolderCircuitSwitchedData(orCSD)connectionincludedinGSMstandardsreleasesbeforeRelease97(from1997,theyearthestandardwasfeaturefrozen).InCSD,adataconnectionestablishesacircuit,andreservesthefullbandwidthofthatcircuitduringthelifetimeoftheconnection.GPRSispacket-switchedwhichmeansthatmultipleuserssharethesametransmissionchannel,onlytransmittingwhentheyhavedatatosend.Thismeansthatthetotalavailablebandwidthcanbeimmediatelydedicatedtothoseuserswhoareactuallysendingatanygivenmoment,providinghigherutilisationwhereusersonlysendorreceivedataintermittently.Webbrowsing,receivinge-mailsastheyarriveandinstantmessagingareexamplesofusesthatrequireintermittentdatatransfers,whichbenefitfromsharingtheavailablebandwidth.Usually,GPRSdataarebilledperkilobytesofinformationtransceiverwhilecircuit-switcheddataconnectionsarebilledpersecond.Thelatteristoreflectthefactthatevenduringtimeswhennodataarebeingtransferred,thebandwidthisunavailabletootherpotentialusers.GPRSoriginallysupported(intheory)IP,PPPandX.25connections.Thelatterhasbeentypicallyusedforapplicationslikewirelesspaymentterminalsalthoughithasbeenremovedasarequirementfromthestandard.X.25canstillbesupportedoverPPP,orevenoverIP,butdoingthisrequireseitheraroutertodoencapsulationorintelligencebuiltintotheendterminal.GPRSspeedsandprofilePacket-switcheddataunderGPRSisachievedbyallocatingunusedcellbandwidthtotransmitdata.Asdedicatedvoice(ordata)channelsaresetupbyphones,thebandwidthavailableforpacketswitcheddatashrinks.Aconsequenceofthisisthatpacketswitcheddatahasapoorbitrateinbusycells.Thetheoreticallimitforpacketswitcheddataisapprox.160.0kbit/s(using8timeslotsandCS-4).Arealisticbitrateis30–80kbit/s,becauseitispossibletousemax4timeslotsfordownlink.AchangetotheradiopartofGPRScalledEDGEallowshigherbitratesofbetween160and236.8kbit/s.ThemaximumdataratesareachievedonlybyallocationofmorethanonetimeslotintheTDMAframe.Also,thehigherthedatarate,thelowertheerrorcorrectioncapability.Generally,theconnectionspeeddropslogarithmicallywithdistancefromthebasestation.Thisisnotanissueinheavilypopulatedareaswithhighcelldensity,butmaybecomeanissueinsparselypopulated/ruralareas.TheGPRSCapabilityClassesClassA:Can