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1、第1章 绪论1.1课题背景与研究意义本课题来自远端水情数据自动采集系统。远程数据采集系统是采用现代科技对远程信息进行实时遥测、传送和处理的专门技术，是有效解决江河流域及水库洪水预报、防洪调度及水资源合理使用的先进手段。它综合地理、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果。改变了以往仅靠人工测量数据的落后状况，扩大了预报范围，对江河流域、水库安全度和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发将重大作用1。 水情数据采集系统的通信方式主要有短波通信、超短波通信和集群通信等专用通信系统。这些系统的缺点是用户需要自己组网，建网费用昂贵，同时需要大量的维护人员和维护费用。而且，这些系统对用户的数
2、量、服务区的覆盖范围也有限制。系统的可靠性得不到很好的保证，从而严重地制约了水情数据采集系统的推广使用。GSM（Global System for Mobile Communication）系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已经建成覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，用户已达3亿之多，可以提供话音业务、短信业务、数据业务以及彩信业务。随着使用GSM通讯协议的专用模块的推出，使得GSM的各项业务的应用范围已不仅仅应用于手机通信领域，也应用于其他领域的通信需求。而且这些模块都有益于开发通讯接口和协议，这为短消息业务应用于远程数据采集系统的开发工作
3、创造了很好的条件。虽然短消息业务一次最多只能传输140个字符信息，但用于水情数据的传输已经完全可以满足要求。对于水情数据自动采集系统来说，GSM系统是最值得利用的。GSM系统克服了传统的专用通信系统投资成本大、维护费用高、网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷，具有投资小、建设周期短、组网灵活方便、系统稳定可靠等特点，再加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，使得利用GSM系统进行远程数据采集与传输，特别是在水情数据自动采集系统中的应用成为一个新兴的研究领域4。水情数据自动采集系统是灌区用水只能化管理的基础，亦是数字化灌区建设的重要组成部分。它对于即使准确掌握灌区水情、调度配置灌溉水量、提高
4、灌区用水管理决策水平都有重要意义。在水资源越来越短缺的今天，如何提高水资源的有效利用率成一个迫在眉睫的问题。该项目利用GSM通信模块、单片机、水位传感器技术以及现有的GSM网络来实现对远端水情的检测。1.2本课题在国内的发展在自动水情数据测报系统的应用中，除超短波通信以外，基于各种通信网络的测报系统各项费用都是比较高的，而且各种设施的设计和安装都会花大量的人力物力，甚至有的技术的可靠性更是不高。在国内一般经济条件不太好的地区很难实现。基于超短波通信的测报系统实施起来虽然更加实际一些，各项费用相对比较低，但是由于它是一种自建的通信网络的特点和其本身的局限性，使得它不能大面积的应用于任何地区，而且
5、它的可靠性不是很高2。 针对上述通信方式的缺点，本课题开发了利用第二代移动通信技术GSM通信网络作为水情自动测报系统的通信媒介，以收发GSM短信息的通信方式进行远程分布式数据采集软件产品(控制中心软件。 GSM通信网络的特点是技术最为成熟及先进、通信方式多、手机接续速度快、通信质量好、安全保密性能强、抗干扰能力强、网络覆盖面特别广、可以实现国际自动漫游等诸多优点，全世界目前已有近百个国家和地区建立了GSM数字移动电话通信网络。 在水情数据采集现场，通过卫星虽然可以快捷、可靠地传输水情信息，但投资高，短时间内难以大面积推广，通过公用电话网络可以大范围改善信息传输方式，但其数据传输速度低、受频带宽
6、度限制，每个设备需要架设专用线路，实现一对一的传递模式，无法满足大数据量实时传输的要求，都不是解决水情数据理想的手段。目前，随着我国移动通讯技术的迅速发展，特别是近几年手机短信息技术（GSM技术）在数据传输、控制领域的大量应用，为解决大范围标准化水情信息传输问题提供了一个可行的途径。1.3本课题的主要工作与内容本课题的设计主要以单片机为核心，将由水位传感器采集的模拟信号，进行A/D转换，经单片机处理，若数据超出水位的上下限则产生警报。水情数据经单片机处理，使用GSM模块，以短信的形式，通过GSM网络向数据采集控制管理中心（上位机）发送。图1.1给出了系统的整体框图，基于以上原理，此次设计的主要
7、工作内容如下：1、设计制作以单片机为核心的数据采集、处理、报警、发送电路。2、熟悉GSM网络的协议和GSM网络的短信形式的通信过程。3、远端水情数据采集终端（下位机）的硬件编程。图 1.1 系统总体框图第2章 GSM概述2.1 GSM技术简介及其技术特点计算机技术、网络通信技术的发展给水文检测技术提供了更加快捷、可靠、方便的数据采集、处理和远程传输的手段。GSM技术即是近几年受到人们普遍关注的新技术之一3。GSM(Global System for Mobile communications)系统是欧洲邮电管理委员会(CEPT)下属的移动通信特别小组，从1992年起开始制定，并在1998年颁布
8、实施的新的数字式蜂窝移动通信标准，也即我们目前所说的第二代移动通讯技术。它是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统。目前已建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众通信网的主要方式。GSM 系统除了具有一般数字系统所有的容量大、业务类型多、设备小型化、成本低、服务质量好、安全性能好等优点外，还有本身的一些特点。其一，该标准允许移动用户进行全球漫游及非严格的小区交接。其二，GSM的协议使得呼叫控制过程类似ISDN(Integrated Services Digital Network)以便与ISDN 兼容，并且又包括了与蜂窝通信有关的特别功能，如本地登
9、记和小区交接。GSM 标准提供的数字化端到端的连接等。这一系统主要提供话音、短信息、数据等多种业务。目前水情数据的传输主要靠有线拨号通信、无线超短波通信以及卫星通信等通信方式进行传递。有线通信是利用电信公司的有线电话网络进行传递，传递过程中，若遇暴雨洪水等恶劣天气特殊情况会出现通信线路的中断等现象，水情数据将无法进行传递，另外通信费用比较高。无线通信主要用在丘陵和高原地区，依靠短波电台进行传递。这种传递方式靠电离层或地面的反射，也受天气情况、地理环境等因素影响，通信效果不够理想。在平原地区，主要靠超短波电台进行传递，是目前较为理想的传递方式，但其投资费用较大、维护费用较高，若在丘陵和高原地区采
10、用此种通信方式，须架设中继站，将增加投资费用。卫星通信是通信效果最为理想的传递方式，但其投资费用昂贵，需要国家统一考虑。那么就需要寻求一种通信方法既能降低水情数据传输的费用，又能克服各种不利因素的影响，于是我们采用了移动通信运营商提供的“短消息服务”，利用GSM网络的特点来完成水情数据的采集。在GSM网络内，两个GSM通信设备之间在全国乃至全球范围内可以通过短消息服务中心直接发送中、英文字符和数据。利用移动通信运营商提供的服务，建立水情数据传输网络。近年来，GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，拥护无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维
11、护费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。因此，短信息服务（SMS）作为GSM网络的一种基本业务已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视4。市场上提供的GSM通信模块是经过多种实际应用而改进的通用产品，它具有成本低、功能强大、配置灵活、开发方便快捷和货源充足等优点，所以以GSM网络作为数据无线传输网络，以短消息作为数据传输方式，可以开发出前景极其乐观的各类应用。2.2 SMS技术
12、简介及其技术规范短消息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(MSC)用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控9。短消
13、息业务是GSM/DCS1800系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(SDCCH)，信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道 (SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)， 无论话音或数据通信是否正在进行。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游
14、，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于包括水文检测在内的远程监控、定位导航等。 按照短消息10的技术规范可分为小区广播短消息(CBS)和点到点短消息，通常提到的短消息业务主要是指点到点短消息。本文所提到的短消息业务就是指点对点短消息业务。点对点短消息（SMS）业务是在GSM Phasel标准中引入的，由于短消息业务采用的是存储转发模式，短消息被发送出去后先存储在短消息业务中心，再由短消息业务中心根据寻找的目标移动终端的路由信息发送非目标移动终端。因此GSM短消息的传递是有保证的。即使
15、一个目的移动终端不可达（比如关机），网络也会保留发给它的消息并当该移动终端又出现在网络中后传递信息。短消息的发送方式取决于网络中短信中心（SMSC）能支持的借口。欧洲电信标准化协会（ETSI）制定的短消息发送协议定义了三个接口协议：块模式、PDU模式和文本模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接口传递短信息数据。块模式（BLOCK Mode）：块模式是一个二进制协议，用于移动台和SMSC之间的短消息传输的PDU封装。包括了差错检测，适用应用于移动台之间链路容易出错的情况。应用部分的二进制串应包含报头和短消息PDU。PDU模式（PDU Mode）：PDU模式和文本模式很相似，区别只是它将组装短消
16、息TP 以的任务留给应用系统完成。该模式使AT指令集能方便地组构更多复杂的PDU，例如既可以传递二进制数据又可以传送字符数据。这种模式给AT指令集带来了方便。文本模式（TEXT Mode）：文本模式是在为GSM修改的AT指令集的基础上定义的基于字符的协议。适合非智能终端或终端仿真器。应用软件把纯文本消息传给通信设备，由通信设备来构造TPDU。文本模式提供的功能比块模式和PDU模式少。在文本模式下，短消息对扩展字符的能力有限。Text模式只能发送普通的ASCII字符，而要发送图片、铃声、其他编码的字符（如中文）就必须采用PDU模式，对SMS的各种操作通过AT指令进行，AT指令是由Etsi为GSM
17、通讯研制的通讯协议。2.4 AT 指令单片机与GSM模块之间采用GSM07.05指令实现互相间的通信，因此表1中列出了相关的GSM AT指令6。表2.1 GSM07.05常用AT指令AT 指令功能ATE0RESETAT+CSCA设置短消息中心AT+CSMS选择短消息服务AT+CMGC发出一条短消息命令AT+CMGS发送短消息AT+CMGW向SIM内存中写入待发消息AT+CMGD删除SIM卡内存的短消息ATZ；E回车AT+CMGF选择短信息格式AT+CRC蜂窝结果代码功能AT+CBST传输类型选择功能ATS0自动应答功能AT+CNMI新信息指示功能AT+CSNS单个电话号码表功能ATH挂机命令功
18、能2.5短信的接收与发送根据GSM 07.05的定义，SMS短信息的发送和接受模式共有三种：BLOCK模式、基于AT命令的TEXE模式和基于AT命令的PDU模式。使用BLOCK模式需要模块生产厂家提供驱动支持；而用语中英文短信息传送应使用PDU模式，只传送英文短信息（纯文本格式）使用TEXT模式。TEXT模式的短信息发送和接收比较简单17。根据GSM 07.05的定义，只要控制器通过UART接口向GSM模块下发AT 命令，就可以直接收发短信息，以下给出了收发的案例：（1）设置短信息中心 AT+CSCA=“+8613800411500”； 其中+613800411500为大连地区短信息中心号码，
19、每个地区都不同。（2）设置短信息发送格式 AT+CMGF=0/1；0代表PDU模式，1代表TEXT模式。（3）接收短信息，假设索引序号INDEX=3 AT+CMGR=3；返回如下信息： “REC UNREAD”，“+8613947132237”，“07/06/20，9：20”，Water level；(4) 发送短消息AT+CMGS=“+8613947132237”crwater level；其中+8613947132237为中心站地址，water level为短信息内容。本设计将根据具体的情况采用GSM的相关命令。第3章 系统的硬件电路设计3.1系统的总体描述本设计的内容是基于GSM的水情采
20、集系统的一个采集终端，系统的功能框图如图1.1所示。功能结构上主要包括现场水情数据采集，12位的A/D转换，单片机，GSM通信模块，外部时钟等单元。水情数据经A/D转换送到单片机处理，并以短信的形式发送给控制管理中心，系统的电路原理图在附录1中给出。3.2单片机的选择由于系统的核心控制是由单片机来完成的，包括启动A/D转换，数据处理，同时将水情数据以短信的形式发送给控制管理中心，因此单片机相当于应用层3。这里采用ATMEL公司生产的低电压、高性能8位CMOS单片机AT89C52。该单片机片内兼容标准MCS-51指令系统；含有8K BYTES的可反复擦写1000次的FLASH程序存储器；有256
21、 BYTES的随机存取数据存储器（RAM）；正常工作频率024MHz；8个中断源，3个16位可编程定时计数器；2个外中断口，2个全双工串行通信口，2个读写口线。单片机的外围电路包括A/D转换电路、时钟电路、串口电路。在本系统中，全部程序写到内部FLASH中，不需要外扩展程序存储器，从而减小了系统硬件的体积。3.3 A/D转换电路的设计电路中使用A/D转换来实现现场数据的采集，由于被监控的水域范围很大，同时对水位等数据测量精度要求不太高，但水情有季节性的突发情况，MAX1247的高速采样速率可以为出现突发情况采集处理留有余地15。由于远端数据采集终端处于恶劣的环境中，对工作温度的范围和功耗提出了
22、特殊的要求，MAX1247的低功耗和工作温度范围可以满足要求。MAX1247是美国MAXIM公司生产的一种新型12位A/D转换器，他带有一个四通道的复用器，一个高带宽的采样/保持器，可采用SPI总线结构与单片机相连，其供电电压在+2.7+5.25V之间,可实现4路或2路的数据转换,并可通过软件实现多种转换模式。其主要特点如下：（1） 单一电源供电（+2.7+5.25V）；（2） 逐次逼近式模数转换芯片；（3） 4线串行接口；（4） 内部自带与微处理器的串行借口SPI；（5） 可以在连续转换模式下对外部4通道模拟输入信号进行顺序转换，或者构成2路差动模拟信号输入；（6） 内部结构紧凑，集成度高，
23、工作性能好；（7） 低功耗，处于掉电模式耗电仅1uA,工作在1KPS时工作电流60uA；（8） A/D转换时间：7.5uS；采样保持时间：1.5uS；（9） 工作温度的范围：-60+150。MAX1247有4种工作模式，具体说明如下:（1） UNI/BIP(单极性/双极性):在UNI模式下,模拟输入的信号量可在0VVREF之间，而在BIP模式下,模拟输入的信号量在-VREF/2+VREF/2之间；（2） FULL POWER-DOWN/FAST POWER-DOWN：掉电模式；（3） Internal clock mode/External clock mode(内部时钟/外部时钟)：在外部时
24、钟模式下，外部时钟不仅要控制数据的移入和移出，而且要驱动模数转换，并要求模数转换必须在一定的时间内结束，否则将使转换结果降低；在内部时钟模式下，芯片将自动生成转换用时钟，这使得单片机不用主动生成转换用时钟，便可将转换结果读入（读入读出时钟可在02MHZ范围之内）；（4） SINGLE-EDN/DIFFERENTIAL：在SINGLE-ENDED模式下，输入信号电压量和COM口构成相对电压，在DIFFERENTIAL模式下，CH0/CH1间也将构成差分输入，CH2/CH3间也将构成差分输入，因而在SINGLE模式下，最大可构成四路模拟量输入，而在DIFFERENTIAL模式下，最大可构成四路模拟
25、量输入。模数转换的开始和结束：当为低时，通过将一个控制字节由CLK端送入DIN脚，可以将第一个到达的逻辑“1”位定义为控制字开始（MSB），控制字的格式如下：表3.1 控制字的格式位7MSB位6位5位4位3位2位1位0LSBSTARTSEL2SEL1SEL0UNI/BIPSGL/DIFPD1PD0对控制字的解释见表3.2所列。当芯片接受到该控制字后，器件开始进行模数转换，在经过一段时间的延时后，再接收ROUT上的数据，该数据为所转换的数字量，把拉高，将结束本次转换过程。以下将对控制字的各位作出详细的解释：位7（START）：当选通后，该位为1表示一个控制字的开始。位6（SEL2）、位5（SEL
26、1）、位4（SEL0）：这三位赋以不同的值对四个通道（CH0，CH1，CH2，CH3）进行选择，决定哪一个通道在本次转换中使用，具体参照表3.2。位3（UNI/BIP）：1=UNI（单极性转换）；0=BIP（双极性转换）。位2（SGL/DIF）：1=SNGLE-ENDED（单极性输入模式）；0=DIFFERENTIAL（双极性输入模式）。位1（PD1）、位0（PD0）：这两位决定掉电模式和时钟模式，具体情况参见表3.3。表3.2 通道选择 单通道模式SEL2SEL1SEL0CH0CH1CH2CH3COM001+-101+-010+-110+-差分输入模式SEL2SEL1SEL0CH0CH1CH
27、2CH3001+-101+-010-+110-+表3.3 时钟模式和掉电模式 PD1PD0模式00完全掉电模式01快速掉电模式10内部时钟模式11外部时钟模式MAX1247与单片机的连接8详见图3.1。其中P1-1为片选端，P1-0为时钟输入端，P1-2为数据输入端，P1-3为数据输出端。图3.1 MAX1247与单片机的硬件连接图模拟量与数字量的关系是:对于BIP模式，其输入模拟量的电压范围为一VREF+Vcom+VREF+Vcom，将该电压范围分成4096等份，则1LSB=VREF/4096，相应的数字电压范围为000FFF，例如:000代表Vcom，FFF代表十VREF+Vcom。对于U
28、NI模式，其输入模拟量的电压范围为Vcom-VREF+Vcom，将该电压范围分为4096等份，则I LSB=VREF/4096，相应的数字电压范围为000FFF，例如:000代表Vcom，FFF代表+VREF+Vcom。数字量的输出:MAX 1247一共输出两个字节，每个字节都是高位在先，其结构如下：B11B10B9B8B7B6B5B4B3B2B1B0其余添03.4 时钟电路的设计单片机和GSM的基准时钟采用美国MAXIM公司的DS12887。其主要特性如下： 1. 直接替换IBM AT计算机的时钟/日历，与MC146818B和DS12887管脚兼容，在掉电方式下持续工作十年以上；2. 内部包
29、含锂电池，时钟和辅助电路系统，记量秒、分、小时、星期、日期、月、年和润年直到2100年；3. 用二进制或BCD码表示时间，日历和闹钟，12或24小时方式，有上下午的12小时方式，夏时制方式；4. 可选择使用Motorola或Intel总线时序，地址、数据管脚复用，128字节RAM空间，15字节用于时间和控制寄存器，113字节用于普通用途；5. 可编程方波输出信号，总线兼容的中断信号(IRQ)，可分别通过软件屏蔽的三个中断：(1)闹钟、每秒或每天，（2） 122ms500ms周期性中断， (3)时钟更新周期结束；6. 具有存储世纪数据的寄存器。本系统之所以采用DS1288711是由于在本系统中，
30、数据采集终端长时间无人值守，需要进行长达几小时的定时操作。若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源。而在系统中采用DS12887则能很好地解决这个问题。该芯片有128字节RAM空间中，113字节用于普通用途；可以将采集到一定时段的数据存放在113字节的空间中，下一时段的数据覆盖上一时段的数据。节省了单片机的存储空间，也不需外加存储器。同时，该芯片在掉电情况下连续工作十年以上，为终端的时钟可靠性提供了保障，而且DS12887记录时间信息详细，可持续到2100年，为系统的时间记录提供保证。DS12887的AD0AD7分别与AT89C5
31、2的P00P07相连，RD、WR、ALE、分别与AT89C52的对应引脚相连，与AT89C52的P27脚相连。3.5 GSM模块GSM无线通信控制终端的通信接口采用目前在市场上提供的可供二次开发的标准的GSM模块，在我们设计的GSM无线通信控制终端中，采用的GSM通信模块为WISM02C12双频GSM/GPRS模块，WISM02C是WAVECOM推出的符E-GSM900/GSM 1800标准的第二代无线双频无线模块。其中尺寸而紧凑(58.3mmX32.2mmX60mm )，使用3.6V标准电源，具备EGSM/2W、DCS/1W发射功率，对模块本身采取了完全的电磁屏蔽措施，并提供标准UART串行
32、接口，数字基带处理部分采用0.35um混合VLSI COMS工艺。WISMO-W2C双频模块的性能如下：（1） EGSM900/EGSM 1800或EGSM900/1900MHz，语音编解码三为一体，体积小及耗电量低；（2） 话音，传真，短信息及数据功能，为特写应用设计的AT命令遥控系统；（3） 己通过 GSM Phase2+技术标准的所有认真，全屏蔽及即装即用。WISMO-W2C双频模块的主要功能有：话音功能、GSM电路数据传真功能、GPRS数据传输功能、短信息服务功能(GSM或GPRS状态)。模块的接口协议为：单一900及1800/ 1900MHz天线接口，单一板对板60接脚连接器包括：电
33、源接口、SIM检查器应用于3V SIM介面、通用串连介面、RS-232串连口支持、用AT命令作遥控(GSM07.07及07.05)、串连比特率由300至115200 bits、自动比特率(300至38400bibs)。3.6 水位传感器水位测量主要依靠水位传感器实现。目前采用的水位传感器主要有浮子式传感器、压力式水位传感器和超声波水位传感器。压力式水位传感器采用扩散型硅压阻传感器作为敏感元件，内含温度补偿功能，因此测量精度高，但对泥沙含量大的水流，测量精度会受到影响；超声波水位传感器为非接触式水位测量装置，不怕淤积、腐蚀，但价格高，精度受气候、波浪等外界因素的影响，且存在一定的测量盲区。浮子式
34、水位传感器结构简单，使用及维修方便，但稳定性较差。根据系统实际需求，考虑测量精度要求、价格承受能力、安装维护方便、运行可靠安全等多方面因素，本系统选用上海布朗电子科技有限公司设计的ABM400-25U超声波液位传感器13。ABM400-25U超声波液位传感器是针对水位遥测站、水电站及各类水库上下游水位的监测而设计的。测量原理为利用回波波形的提取技术来测量在气体中传播的超声波脉冲的回波时间，超声波发射和反射的行程所需要的时间和测量距离成正比。此水位传感器的技术指标为：(1)检测量程：0.4-27.4m；(2)超声波频率：25KHz；(3)分辨率：10mm；(4)空载电流：50mA；(5)工作电压
35、：220VAC 50Hz；(6)精度：士0.25%的满量程；(7)压力范围：1-l0bar；(8)开关频率：1HZ；(9)模拟输出：4-20mA标准模拟量信号；(10)环境温度：-40-60 。第4章 系统的软件程序设计4.1 系统主程序设计本系统软件设计思想为：系统上电复位后，先对各模块初始化，其中包括单片机、A/D转换MAX1247、时钟芯DS12887和GSM通信模块WISM02C，以确定定时参数、复位周期、主频、波特率、输出特性等。启动定时采样时序开始以一定频率采集水位数据，对采集数据进行数字平滑滤波处理，以减小随机干扰和测量误差，将其存储在时钟芯片DS12887的113字节RAM中，
36、再将其与安全限标定值比较，若超出预定安全水位上下限，立即给数据控制中心发送该数据。否则，将该数据进行处理，通过GSM通信模块WISM02C发送到控制中心14。主程序模块功能及程序的设计思想是：系统上电，对单片机、A/D转换MAX1247、时钟芯片DS12887进行复位。然后执行初始化模块，对单片机本身、A/D转换MAX1247、时钟芯片DS12887和GSM通信模块WISM02C初始化。再分别对单片机与各个器件之间的通信进行编程，设计各个通信子模块。以下给出主程序的流程图。图 4.1 主程序流程图4.2 A/D转换程序设计MAX 1247与AT89C52连接，详细见图3.1。其中P11为片选端
37、，P10为时钟输入端，P12为数据输入端，P13为数据输出端。A/D转换MAX 1247正常工作前要对其进行正确初始化，选择极性转换、掉电模式、时钟模式、输入模式。在片选为低电平时，MAX 1247通过设置控制字来进行初始化。以下是其采集一路信号的流程图。图4.2 采集一路模拟信号的流程图4.3 时钟电路程序设计转换时钟取自于内部的时钟发生器。这是一种转换时钟与串行数据移位锁定时钟相分离的模式，可以让CPU以0MHz2MHz之间的任意时钟速率自由地读取转换后的数据结果。在转换启动时SSTRB变低，转换的数据被保持在内部寄存器中。经过最大转换时间7.5us后，SSTRB上升为高。在此期间，为降低
38、噪声干扰，SCLK需保持为低。保持在内部寄存器中转换后的数据结果，可以在SSTRB变高后的12个SCKL时钟的下降沿，在DOUT逐位串行输出。在内部转换模式下，一旦转换启动，不必一定保持为低。此间可将推高以保护锁入的数据并使DOUT转为三态而不影响内部转换的进行。图4.2是采集一路模拟信号的流程图。DS12887的AD0AD7分别与AT89C52的P00 P07相连，RD、WR、ALE、分别与AT89C52的对应引脚相连，与AT89C52的P27脚相连。DS12887的时间、日历和闹钟区域可以通过读相应的存储器获得时间、日历信息。通过写相应的存储器设置时间、日历和闹钟。所有的地址包括114字节
39、的通用RAM ，10字节用于时间、日历、闹钟，以及4字节控制、状态RAM。114字节的非易失性通用RAM没有特殊功能，可以在任何时候读写。DS12887有四个控制寄存器，它们可以在任何时候读写。DS12887的C驱动程序9设计思想是：在设置系统时间和启动时钟时，先设置A寄存器=0X70，B寄存器=0Xa2；然后在设A寄存器=0X22， B寄存器=0X20016。其流程图见图4.3。图4.3 DS12887初始化流程图4.4 GSM通信模块程序设计单片机和WISMO-W2C18通过串口MAX232直接通信。单片机通过AT指令控制WISMO-W2C执行短信发送的功能。对于GSM通信模块WISMO-
40、W2C，短消息模式选择TEXT模式，自动应答数据率为9600bps。单片机和WISMO-W2C通信编程流程图如图4.4所示。图4.4 单片机和WISMO-W2C通信编程流程图4.5 定时器1中断程序设计当T1定时器每隔20ms产生计数溢出中断后，程序进入A/D采集、处理、发送模块中5。中断处理程序流程图如图4.5所示。图4.5定时器1中断流程图第5章 结论本系统可以完成数据采集和数据发送。根据实验设定的通信参数，经过进一步系统优化，可以实现远距离的数据发送和接收工作。本课题将GSM通信技术应用于数据采集监控传输系统设计，用GSM通信模块、单片机、A/D转换，水位传感技术以及现有的GSM网络，实
41、现对远端水情数据的自动监测，排除了线路维护成本、受气候条件的制约等缺点，大大提高了系统的可靠性，数据传输的实时性比较好、数据的安全性高及易于防雷等优点，对促进经济腾飞十分必要，社会效益巨大。也为进一步开展远程数据传输控制领域的研发工作奠定了基础。远程数据采集系统是综合地理、电子、电信、传感器和计算机等多学科的有关最新成果。改变了以往仅靠人工测量数据的落后状况，扩大了预报范围，对江河流域和水库安全度汛和电厂经济运行以及水资源合理利用等方面都能发将重大作用。 这在以后的设计中会加以考虑。通过本课题的全部设计过程，学到了很多科学研究的方法，大大提高了本人的科学研究素质，为今后独立开展研究工作奠定了扎
42、实的基础。谢 辞 本文的工作是在指导老师董玉华老师的悉心指导和鼓励下完成的。导师敏锐的洞察力、严谨的治学态度和感人的敬业精神使作者受益非浅。在我做本设计期间，得到董玉华老师的悉心指导和关怀。董老师的为人深深感染着我。开朗乐观，务实治学态度，对工作的认真负责，在董老师身上如此完美地体现出来，让我们学生感动之余学习到了很多。相信这段时期的学习为我以后的事业、生活打下了坚实的基础，这都得益与董玉华老师。在此，谨向董老师表示衷心的感谢，感谢他对我关怀，理解，宽容和殷切的期望! 同时，还要衷心地感谢肖瑛老师，她为我在课题研究中给我以认真的指导，令我获益很多。在本次毕业设计过程中，实验室的老师们为我们毕业
43、生提供了充足的实验设备，在此向这些老师表示感谢！在四年的大学学习期间，始终得到机电信息工程学院的老师们，特别是通信教研室的老师们的热情帮助，在此向帮助过我的老师们表示最真诚的谢意！参考文献1罗翼，张宏. PIC单片机应用系统开发典型实例M. 北京：中国电力出版社，2005.2姜志海，黄玉清，刘连鑫，冯占英. 单片机原理及应用M. 北京：电子工业出版社，2005.3徐维祥，刘旭敏. 单片微型机原理及应用M. 大连：大连理工大学出版社，2003.4郭梯云等.移动通信M.西安:西安电子科技大学出版社，2001.5李朝青. 单片机&DSP外围数字IC技术手册M. 北京：北京航空航天大学出社，2003.
44、6 WAVECOM. AT commands interface，Version:9.0，2001.7胡伟. 单片机C程序设计及应用实例M. 北京：人民邮电出版社，2003.8清源计算机工作室.PROTEL99SE电路设计与仿真M.北京:机械工业出版社2001.9谭浩强编著.C程序设计M.北京:清华大学出版社，1999.10 曹志刚，钱亚生.现代通信原理M.北京:清华大学出版社，2000.11MAXMIM DS12887 Real-Time Clock.12WISMO Quik Q2403 series Product Specification，2002.13上海布朗电子科技有限公司ABM4
45、0。超声波液位传感器安装和使用手册.14胡伟，季晓衡.单片机C程序设计及应用实例M.人民邮电出版社，2003.15习房小翠，王金凤.单片机实用系统设计技术M.北京:国防工业出版社，1999.16李华，孙晓民.MSC-51系列单片机实用接口技术M.北京航空航天大学出版社，1993.17马潮，嵌入式.GSM短信息接口软硬件设计. 17D. L. Campbell. How customer need focused the development of a new remote terminal unit line Vol. 1Issue: 3.18H. L. Smith, T. J. Modzelewski. Enhancing energy management systems with advanced capabilities. T. J. Vo1. 2Issue: 4.附录一 部分程序清单系统的主要程序清单/主程序7main()initial(); /初始化 wait(); /延时 adc(); /A/D采集数据sendm(); /发送短信 TX_data(); /发送数据流/延时子程序void wait() /okunsigned int i; for(i=0;i6000;i+);/A/D数据采集/*MAX1247的A/D转换，其中P1_1为片选端，P1_0为时钟输
