水文測報系統是利用傳感器、微控制系統、計算機網絡及通信等技術手段將水位、雨量、流速、流量、水溫等數據參數進行采集、存儲、傳輸和處理的信息系統。由于水文測報系統是一項高科技、技術復雜的系統工程，加上野外自然條件惡劣、缺乏運行管理經驗等因素，其中也存在很多不定性問題。本文結合水文測報系統的特點，以及GPRS無線網絡技術提出了系統總體設計方案，并利用具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點的組態王開發了監控系統，有效地解決了功耗問題和傳輸安全穩定、實時性強等問題。
1 水文測報系統的總體設計
水文測報系統的基本功能主要是解決水庫洪水調度系統的水文信息自動采集、編碼、發送、中心站接收、解碼處理、存貯、應用等技術問題，使水情信息能及時有效地用于水庫洪水的預報、調度、決策，為防洪興利服務。
設計方案采用模塊化傳輸平臺，實現水情系統數據傳輸。水文測報系統總體結構主要由三部分構成：水文監控中心、水文數據采集站及無線網絡模塊。框圖如圖1所示。
水文采集站：主要包括太陽能或其他供電系統、傳感器(水位、雨量等)、人機接口、通訊接口等設備。其功能是自動采集數據，包括水位、雨量等水文數據，并自動應答監控中心，向監控中心發送數據。
水文監控中心：主要包括通訊設備、計算機、打印機等多媒體設備。其功能是實時接收遙測站采集發送的水文數據，存儲、顯示、打印遙測站水位、雨量數據，并向采集站發送相關指令，與其進行通信。
無線網絡模塊：主要是指采集站和監控中心通過GPRS無線網絡進行相關通信。無線模塊將采集站采集到的數據通過GPRS無線網絡上傳到監控中心，監控中心也可以同時以無線的方式通過無線網絡向采集站發送相關指令等。
2 水文測報系統的硬件設計
根據水文測報系統設計方案，系統硬件電路包括：電源、MCU(微處理器)以及外圍接口電路、GPRS模塊接口電路、鍵盤和顯示接口、數模轉換模塊等部分組成，完成數據的采集、存儲、顯示以及與中心站通信等功能。
2．1 系統終端設計
系統終端包括MCU微處理器、信號傳感、數據調理及A／D轉換、數據存儲、鍵盤及顯示、時鐘、無線通信等電路。具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環境參數，并通過數據調理以及A／D轉換后送MCU微處理器。接收到數據后，微處理器對采集到的數據進行處理，并存儲。數據可以通過顯示模塊進行顯示并可以通過鍵盤查看系統的工作狀態，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進行遠程通信，將采集數據傳輸到監控中心，整個硬件結構圖如圖2所示。
結合以上要求，本系統終端以低功耗單片機MSP430F149為核心，包括信號傳感、數據調理及A／D轉換、數據存儲、鍵盤及顯示、時鐘、無線通信等電路。其中，MSP430F149單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，具體功能如下：多路采集電路接受水位、雨量等傳感器各種環境參數，并通過數據調理以及A／D轉換后送MSP430微處理器。接收到數據后，微處理器對采集到的數據進行處理，并存儲。數據可以通過顯示模塊進行顯示并可以通過鍵盤查看系統的工作狀態，另外，微處理器通過控制無線MODEM和中心站進行遠程通信，將采集數據傳輸到監控中心翻。該系統低功耗，性價比高，集成性強，適合所有標準輸出的變送器以及橋式傳感器差分mV級電壓信號，標準串行RS232／RS485數字接口，完全隔離型電流、電壓輸出。
2．2 GPRS通信模塊設計
GPRS系統數據傳輸速率快，而且覆蓋范圍廣，能方便和Internet連接。GPRS網絡一般使用GPRS外置Modem或是使用GPRS無線模塊。前者一般由GPRS模塊、SIM卡、RS232接口、電源等組成，由于該系統安裝在野外，電源供電，系統穩定等因素制約，所以選擇后者。GPRS模塊與控制器之間的通信主要通過串口發送AT指令。
為了保證數據傳輸的穩定和安全，GPRS網絡通信協議起到非常關鍵的作用。GPRS系統采用IP網絡結構，支持TCP／IP協議一分為應用層、傳輸層、網絡層、物理層等，本系統的協議主要在傳輸層的TCP協議和UDP協議中。TCP協議數據包格式相比UDP要復雜，而且在建立連接時需要進行3次握手，但它可以提供保證傳輸數據的可靠性，而UDP協議數據包的格式比較簡單，但是它的數據傳輸可能存在誤碼現象，所以選擇TCP協議作為系統的傳輸層協議。
TCP通過進程間的連接提供端到端的可靠數據傳輸，它提供錯誤檢測和故障恢復機制。TCP所傳送的數據單元稱為TCP數據包。TCP數據包用于建立連接、傳送數據、發送確認提供窗口大小信息和關閉連接等。TCP對所接收到的信息會及時予以確認，TCP數據包可分為TCP包頭和來自應用層的數據二部分。
TCP采用三步握手的方式來建立連接。發送側首先發送一個SYN標志位的TCP數據包請求連接，接收側通過包含SYN標志位的ACK數據包予以確認，發送側在接到ACK數據包后，回送包含SYN標志位的ACK數據包到接收側，連接建立完成。
本模塊采用了華榮公司的GW1000KC-3無線通信模塊，該模塊體積小，使用方便，具體特點如下：ISM頻段，16個頻道可選；發射功率16～33 dBm可調；多種設置模式：可以指令設置模塊工作頻道、發射功率、接口波特率，校驗模式等；透明數據傳輸，所收即所發傳輸模式；多種接口方式：TH／RS232／RS485；天線保護處理：支持天線未接情況下發射60 s以上數據(發送間隔100 ms)；可以軟件控制待機狀態，即用節電模式。
2．3 系統組成
結合以上分析結果，本系統分別由傳感器、系統終端、GW1000KC-3無線模塊以及PC機組成，系統硬件連接圖如圖3所示。具體如下：傳感器通過兩線制接法，傳感器輸出4～20 mA DC輸出，將信號傳輸給系統終端，系統終端接收到信號后顯示出來，PC機利用串口通訊發送對應指令，采集到的數據通過RS232傳給無線模塊GW1000KC-3，后經天線發送出去，通過GPRS無線網絡另一端接收到數據后經RS232將數據上傳給PC機。期間，可通過PC機發出對應指令對系統終端以及GW1000KC-3無線模塊進行參數等設置，方便可靠。
3 組態王監控系統設計
組態王開發監控系統軟件，是新型的工業自動控制系統正以標準的工業計算機軟、硬件平臺構成的集成系統取代傳統的封閉式系統。它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層3個層次結構。其中監控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，采用組態王對監控系統進行設計。組態軟件也為試驗者提供可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能，方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。
利用組態王的特點開發的水庫水文測報系統的監控系統，從監控中心窗口可以實時觀測水庫的主水位、庫容量、流量、系統監控狀態、水位實時趨勢曲線以及查看歷史水情報表等。通過與實際硬件連接調試，系統采集顯示準確、穩定。
4 調試結果
本系統采用了MSP430設計的系統終端和GPRS無線網絡技術組建了水文測報系統，并且利用組態王開發了水文測報系統的監控系統系統，組建成功以后，經過實際連接、調試，實驗結果證明該系統數據采集正常、工作穩定、通信良好，實現了水文測報系統的實時監測。圖4是利用組態王開發的監控系統的實時數據及水位曲線圖。
5 結束語
針對目前水文測報系統的高可靠性、低功耗性和較好的實時性的要求，在介紹了水文測報系統的基本原理的基礎上，借鑒和分析了目前國內外水文測報系統的技術，設計出了基于GPRS無線傳輸的水文測報系統，通過對系統終端以及GPRS通信協議的分析和設計，該系統保證了數據的安全、可靠、穩定傳輸，為用戶提供了低成本、高效率、可靠的方式連入GPRS網絡，實現了雙向、實時的數據傳輸系統，并通過組態王開發了水文測報系統的實時監測系統，本系統組建以后，通過調試，該系統數據采集正常、工作穩定、通信良好，實時性強，與傳統的解決方案相比，本系統有較大的優勢。