刘 图,冯能操,朱儒石

(1.长江上游水文水资源勘测局,重庆 400014;2.长江水利委会 水文局,武汉 430010)

1 概 述

随着水情自动化的发展,气压式水位传感器的使用越来越广泛。气压式的水位计主要有使用气瓶供气与气泵打气两种,而通常情况下气压水位计都使用了SDI-12通信协议。随着生活的进步,手机的使用也越来越普遍,短消息更是在人们日常生活中广泛使用。本文基于使用SDI-12通信协议的水位计,结合GSM短信MODEM,构建一种方便快捷的短消息水位查询系统。

2 系统构成

2.1 硬件结构

硬件结构见图1。

图1 硬件联接Fig.1 Hardware connection

系统硬件主要由GSM MODEM、单片机处理系统、SDI-12水位计3部分构成。水位计测量水位的变化,单片机通过相应的SDI-12命令,从水位计获取水位值,并进行处理。GSM MODEM收到短信后,将信息送单片机,单片机完成短信的解码。在发送水位时,由单片机将水位信息编码后,通过GSM MODEM发送给查询水位信息的手机。

2.1.1 GSM MODEM

GSM MODEM 在 此 选 择 了 SIEMENS TC35IT。TC35IT是西门子公司的1个便捷的即插即用解决方案。做为1个终端产品它内置了TC35IT无线模块,集成了标准的 RS232接口以及SIM卡,可以在PC机上用AT命令通过串口对它进行设置。这使它成为在声音和数据通讯上通用的1个GSM双频终端产品。支持电压范围:8～30 V。

2.1.2 SDI-12接口水位计

由于气压式水位计无需建井,安装方便,同时因为铺设的是气管,避免了在水下安装压力探头,出现故障后,维护也相对简便。5600-0131系列气泵式水位计,美国SUT RON公司生产的一种气压式水位计。因为使用气泵,相对于使用气瓶供气的水位计,避免了更换气瓶的麻烦。在3～15 m的量程内为0.1%的误差,在-25℃～60℃,具有温度补偿功能,同时可将输出数据的单位设置为:帕斯卡、英尺、千帕、cm或自定义的单位。支持电压范围:8～16 V。

2.1.3 单片机

单片机可选择STC11F48XE,此单片机48 K程序存储空间,13 K大小的EEPROM,同时还具有一个独立的通用全双工异步串行口(UART),可控制串口通信在[RxD/P3.0,TxD/P3.1]和[RxD/ P1.6,TxD/P1.7]之间切换。通过将串口在P3和P1之间来回切换,将1个串口作为2个主串口分时复用,可低成本实现2个串口,这样可以将一组串口引脚和水位计通信,另一组串口引脚用于和GSM MODEM通信。

2.2 软件结构

程序的处理可以分为两个部分:①与水位计之间的SDI-12通信处理;②短消息的编、解码处理。系统在收到查询水位的短消息后,首先可判断是否是具有查询水位权限手机发来的消息,如果具有查询权限,发送读取水位命令到水位计,获取当前的水位信息,将其编码后发送到查询手机。运行流程图见图2。

图2 运行流程图Fig.2 Operation flow chart

2.2.1 水位计通信

2.2.1.1 SDI-12简述

SDI-12是一个1 200波特率的串行数据接口定义,SDI-12正是其英文缩写的头一个字母。主要用于环境监测中数据记录器和传感器之间的数据通信。SDI-12总线可以连接多个SDI-12设备。这个总线包含了3个部分:1条串行数据线、1条地线、1条12 V的电源线。

图3是SDI数据记录器与1个SDI数据传感器的连接示意图。

2.2.1.2 SDI-12命令的单片机处理

SDI-12的波特率是1 200,每个字符的数据构成:1位起始位,7位数据位,1位奇偶校验位,1位停止位。在单片机的串口通信中,异步通信的起始位用“0”表示的字符开始。而在SDI-12的通信中,在发送每个命令之前,需有一个电平跳变。因此在单片机通信的程序中,可以通过定时器,在发送引脚先保持12 ms的高电平,然后保持＞8.33 ms的低电平,随后才是命令字符。与水位计通信的流程图见图4。

图3 SDI-12连接示意图Fig.3 SDI-12 connection chart

图4 水位数据处理流程图Fig.4 Water level data-processing flow chart

2.2.2 GSM MODEM通信

2.2.2.1 GSM MODEM的设置

单片机与GSM MODEM之间通过AT命令通信,具体介绍可以查看厂商的AT命令手册。GSM MODEM在使用前都需对其正确的设置。设置顺序如下:

1)AT+CMGF=0;使用PDU格式发送与接收短消息,关于PDU的编解码,后面有介绍。

2)AT+CNMI=2,2,2,0,1;接收短消息后的输出方式,采取直接传输给设备,避免多次写SIM卡而减少其寿命。

3)AT+CSCA=“+8613800230500”;设置短消息中心号码,例子使用的是重庆地区短消息中心号码。

4)AT&W;保存设置。

2.2.2.2 短信编、解码

前面介绍了短信MODEM的设置,将短消息的编码格式选择为 PDU模式。在此模式下,可以灵活地选择短消息的发送方式,既可以发送ASCII字符,也可以发送中文字符。PDU串表面上是一串ASCII码,由‘0”-‘9”、‘A”-‘F”这些数字和字母组成。它们是8位字节的16进制数,或者BCD码10进制数。PDU串不仅包含可显示的消息本身,还包含很多其它信息,如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。发送和接收的PDU串,结构是不完全相同的。先用两个实际的例子说明PDU串的结构和编排方式。

例1 发送:SMSC号码是+8613800230500,对方号码是 13996282651,消息内容是“坝前水位130.00 m”。从手机发出的PDU串可以是

08 91 68 31 08 20 03 05 F0 11 00 0D 91 68 31 99 26 28 56 F1 00 08 00 16 57 5D 52 4D 6C 34 4F 4D 00 31 00 33 00 30 00 2E 00 30 00 30 7C 73

分段 说明08 短信中心地址信息的长度,8个字节91 短信中心地址格式,采用国际格式号码68 31 08 20 03 05 F0 短信中心地址,13800230500 11 基本参数,TP-VP用相对格式00 消息基准值0D 目标地址数字个数,13个10进制数91 目标地址格式,采用国际格式号码68 31 99 26 28 56 F1 13996282651 00 协议标识,普通GSM类型,点到点方式08 编码方式,UCS2编码00 短消息有效期,5 min 16 16进制表示用户信息长度,22字节57 5D 52 4D 6C 34 4F 4D 00 31 00 33 00 30 00 2E 00 30 00 30 7C 73 用户信息,坝前水位130.00 m

例2 接收:SMSC号码是+8613800230500,对方号码是 13996282651,消息内容是“CHAXUN”。手机接收到的PDU串可以是

08 91 68 31 08 20 03 05 F0 24 0D 91 68 31 99 26 28 56 F1 00 00①90 70 11 80 45 22 80②06 43 64 10 5B 75 02

对照发送的例子,将接收的PUD串中不同之处加黑标示:①00表示用户信息采用7-bit编码,其解码需将7位字符编码转换为8位ASCII字符;②90 70 11 80 45 22 80表示发送时间为09-7-11 08:45:22,+8时区。

2.2.2.3 短信处理流程

在短信的内容编码选择上,对于接收部分,建议使用7-bit编码,因为广告短信都是使用UCS2编码,可以在解析短信内容前就将广告短信过滤掉,减少单片机的处理时间。发送部分采用UCS2编码,这样可以让接收方更直观地读取到水位信息。短信接收与发送流程图见图5,图6。

3 结 语

本文介绍了一种短消息水位查询系统的构建,利用短信发送模块,可以根据需要构建一个水位或者水情信息的的远程查询系统。基于GSM的水位查询系统具有传输速度快,全天候工作等特点,具有广泛的适用性,可以为水情监测部门提供实时的水位信息,可以节约大量的人力、物力。

[1] SDI-12 Support Group.SDI-12 a Serial-Digital Interface Standard for Microprocessor-Based Sensors[Z].Utah USA,SDI-12 Support Group,2009.

[2] SIEMENS mobkle.TC35i AT Command Set[Z].Munich Germany,SIEMENS,2002.

[3] 王洪瑞,权爱荣,肖金壮.GSM模块收发中文短消息的关键技术[J].单片机与嵌入式系统应用,2008,(4):73-75.

[4] 吴 刚,朱 一.短信服务PDU收发技术研究[J].装备制造技术,2008,(12):75-77.