1 引言
供水管線是城市基礎設施，供水管網管理與維護的成功與否,直接關系到城市居民生活、工業生產和社會發展。隨著給水管網的擴展規模迅速擴大，管網信息數據以指數級增加，傳統的人工管理系統存在著費人力、速度慢、統計數據準確性差、實時性差等不足，已無法滿足管網數據量大、動態更新等要求。充分考慮到數據采集點多且分散野外的特點，系統借助先進成熟的GPRS傳輸技術，將傳感器采集來的水量通過GPRS發送給數據服務中心，并由WEB發布。利用計算機管理減輕工程技術人員的勞動強度，提高工作效率。雖然采用M23G GPRS模塊進行研發的廠商很多，但資料很少，這里提供詳細的解決方案。由于供水管網終端均在野外，該設計主要解決低功耗問題。同時還解決數據服務中心的安全性和可靠性問題。
供水管線是城市基礎設施，供水管網管理與維護的成功與否,直接關系到城市居民生活、工業生產和社會發展。隨著給水管網的擴展規模迅速擴大，管網信息數據以指數級增加，傳統的人工管理系統存在著費人力、速度慢、統計數據準確性差、實時性差等不足，已無法滿足管網數據量大、動態更新等要求。充分考慮到數據采集點多且分散野外的特點，系統借助先進成熟的GPRS傳輸技術，將傳感器采集來的水量通過GPRS發送給數據服務中心，并由WEB發布。利用計算機管理減輕工程技術人員的勞動強度，提高工作效率。雖然采用M23G GPRS模塊進行研發的廠商很多，但資料很少，這里提供詳細的解決方案。由于供水管網終端均在野外，該設計主要解決低功耗問題。同時還解決數據服務中心的安全性和可靠性問題。
2 系統總概
該設計提出遠程抄水表系統是一個小型的分布式智能測控系統，終端是由BenQ公司的M23G GPRS模塊，Micmchip公司的PICl6F873A和濰微公司WS02型水量計數器構成。由于采用蓄電池供電，所以節能和功耗是比較重要的問題。系統采用定時開啟GPRS模塊收發數據，其他時間只有PICl6F873A在低功耗模式下采集水量。當M23G模塊及外圍電路正常啟動后，由PICl6F873A和M23G GPRS模塊進行USART通信，將啟動GPRS功能的AT命令寫入到模塊中，直到與數據服務中心連接成功，再將定時所計水量傳送給數據中心，傳送完畢后，關閉模塊，實現節能。數據服務中心通過WEB站點發布實時和歷史信息。圖1為系統總體框架圖。
3 M23G GPRS模塊
BenO公司的無線通信模塊M23G GPRS是原M23的升級無鉛版．其內部集成PPP和TCP／IP協議棧；支持網絡類型GPRS CLASS 8，GPRS Class B；支持EGSM 900 MHz，DCS1 800 MHz，PCS 1 900 MHz無鉛三頻模塊。重量輕，體積小，功耗低，工作穩定可靠，性價比高，使用范圍廣泛。
3．1 M23G模塊啟動電路
由于模塊PWON引腳拉低至少保持120 ms才能使該模塊啟動，所以將此引腳直接接地，實現啟動模塊。在正常上電后，M23G模塊如果已檢測到正確的SIM卡和網絡，LED引腳就保持500 ms的低高電平變換，此時發光二極管GPRS也隨之亮或滅。
SIM卡作為特殊型智能卡，采用標準的接觸式IC卡。該模塊遵循ISO7816(接觸式集成電路IC卡的規定)和ETSI(歐洲電信標準委員會)的GSMll．11等標準規范，與SIM卡座相連接。SIM_CLK為SIM時鐘，SIM_RST為SIM復位，SIM_I0為SIM卡數據輸入輸出，VRSLM產生SIM卡3 V供電電壓。圖2為：M23G模塊啟動電路及SIM卡電路。
BenO公司的無線通信模塊M23G GPRS是原M23的升級無鉛版．其內部集成PPP和TCP／IP協議棧；支持網絡類型GPRS CLASS 8，GPRS Class B；支持EGSM 900 MHz，DCS1 800 MHz，PCS 1 900 MHz無鉛三頻模塊。重量輕，體積小，功耗低，工作穩定可靠，性價比高，使用范圍廣泛。
3．1 M23G模塊啟動電路
由于模塊PWON引腳拉低至少保持120 ms才能使該模塊啟動，所以將此引腳直接接地，實現啟動模塊。在正常上電后，M23G模塊如果已檢測到正確的SIM卡和網絡，LED引腳就保持500 ms的低高電平變換，此時發光二極管GPRS也隨之亮或滅。
SIM卡作為特殊型智能卡，采用標準的接觸式IC卡。該模塊遵循ISO7816(接觸式集成電路IC卡的規定)和ETSI(歐洲電信標準委員會)的GSMll．11等標準規范，與SIM卡座相連接。SIM_CLK為SIM時鐘，SIM_RST為SIM復位，SIM_I0為SIM卡數據輸入輸出，VRSLM產生SIM卡3 V供電電壓。圖2為：M23G模塊啟動電路及SIM卡電路。
3．2 M23G模塊電源設計
M23G的電壓工作范圍為3．3～4．5 V，此系統采用3.3 V供電。在GPRS模式下，最大電流消耗不大于280 mA。模塊的電流消耗為脈沖形式，消耗峰值電流最多可達1．7 A,所以在模塊電源部分需要加較大耦合電容，且走線寬度大于50 mil。若是電源從一層走到另外一層時，必然采用均勻的多個過孔來降低干擾。因此要特別注意電源的布線問題，抑制干擾和防止出現紋波燒壞模塊。
3．3 配置M23G模塊軟件設計
PICl6F873A通過引腳電平變化中斷檢測到LED引腳的變化，說明模塊硬件初始化完畢。PIC16F873A發送初始化AT指令：設置MS功能：AT+CFUN=1；自動運營商選：AT+COPS=O；設置DTE波特率：AT+IPR=0(自動檢測)；設置MS的類別：AT+CGCLASS="B”；GPRS鏈接設置：AT+CGATT=1：激活：PDP上下文(激活GPRS服務)：AT+CGACT=1；ME錯誤報告設置：AT+CMEE=2；GPRS網絡注冊狀態：AT+CGREG=2；不允許進入深度睡眠：AT$NOSLEEP=1。初始化結束后進入GPRS數據傳輸的設置：定義PDP上下文(設置接入網關)：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；用于PDP上下文激活的PCO字符串：AT％CGPCO=1，“PAP..”，l；設置目的地址：AT＄DESTINFO=“目的IP”，l(1：TCP，2：UDP)，端口，0(0：禁用DNS，1：啟用DNS)撥號連接：ATD*97#。該過程結束后，就可以發送數據。在對模塊配置AT指令時，如果所發送的指令正確，模塊返回0K，反之則返回ERROR。需要注意的是，先將模塊的硬件啟動全部結束后再配置AT指令．且配置按照上述順序進行即可實現數據通信。
4 PICl6F873A與抄表數據處理
4．1 PICl6F873A簡介
PICl6F873A是Microchip公司推出的基于8位的高性能RISC指令系統、哈佛總線和兩級指令流結構單片機。該器件具有20個輸入／輸出可編程端口，13個中斷源。I2C和SPI串口總線端口，通用同異步收發器USART等。
水量計數器采用WS02型自保持開關傳感器。此專利產品檢測電路簡單，只需在信號線上接入30 kΩ電阻，此電阻連接電源，輸出高低電平。檢測電路如圖3所示。比如：要求裝配好的遠傳水表每10千克水發送一個脈沖信號．則應將指針安裝在xO．001位置。每當到達10千克水時．產生一個高電平，利用PIC16F873A的RB4引腳電平變化中斷功能．記錄數據。并且在定時開啟GPRS前，將當日的所記錄水量存入PIC16F873A的E2PROM中，防止丟失數據或由其他意外情況引起的誤處理。
PICl6F873A通過引腳電平變化中斷檢測到LED引腳的變化，說明模塊硬件初始化完畢。PIC16F873A發送初始化AT指令：設置MS功能：AT+CFUN=1；自動運營商選：AT+COPS=O；設置DTE波特率：AT+IPR=0(自動檢測)；設置MS的類別：AT+CGCLASS="B”；GPRS鏈接設置：AT+CGATT=1：激活：PDP上下文(激活GPRS服務)：AT+CGACT=1；ME錯誤報告設置：AT+CMEE=2；GPRS網絡注冊狀態：AT+CGREG=2；不允許進入深度睡眠：AT$NOSLEEP=1。初始化結束后進入GPRS數據傳輸的設置：定義PDP上下文(設置接入網關)：AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”；用于PDP上下文激活的PCO字符串：AT％CGPCO=1，“PAP..”，l；設置目的地址：AT＄DESTINFO=“目的IP”，l(1：TCP，2：UDP)，端口，0(0：禁用DNS，1：啟用DNS)撥號連接：ATD*97#。該過程結束后，就可以發送數據。在對模塊配置AT指令時，如果所發送的指令正確，模塊返回0K，反之則返回ERROR。需要注意的是，先將模塊的硬件啟動全部結束后再配置AT指令．且配置按照上述順序進行即可實現數據通信。
4 PICl6F873A與抄表數據處理
4．1 PICl6F873A簡介
PICl6F873A是Microchip公司推出的基于8位的高性能RISC指令系統、哈佛總線和兩級指令流結構單片機。該器件具有20個輸入／輸出可編程端口，13個中斷源。I2C和SPI串口總線端口，通用同異步收發器USART等。
水量計數器采用WS02型自保持開關傳感器。此專利產品檢測電路簡單，只需在信號線上接入30 kΩ電阻，此電阻連接電源，輸出高低電平。檢測電路如圖3所示。比如：要求裝配好的遠傳水表每10千克水發送一個脈沖信號．則應將指針安裝在xO．001位置。每當到達10千克水時．產生一個高電平，利用PIC16F873A的RB4引腳電平變化中斷功能．記錄數據。并且在定時開啟GPRS前，將當日的所記錄水量存入PIC16F873A的E2PROM中，防止丟失數據或由其他意外情況引起的誤處理。
利用PIC16F873A定時器／計數器TMRl工作于異步計數器模式，即使PIC16F873A進入睡眠狀態，TMRl仍可持續運行，溢出時產生中斷請求。在TMRl自帶振蕩器的兩個外部引腳上跨接一只廉價的32．168 kHz微型石英晶體振蕩器．作為TMRl工作的時間基準。此設計具有實時時鐘，即定時開啟GPRS模塊，定時發送數據，從而實現節能，并可通過數據服務中心修改定時發送時間。
4．2 數據服務中心的構建
數據服務中心負責整個系統數據的采集處理和發布．協調系統的正常運作，是整個系統的重要組成部分。其主要功能包括：向各數據采集終端發送配置指令，接收采集終端發送的各項數據，對數據處理分析并保存至數據庫，以及發布數據等。
系統中，安裝的水量采集終端數量比較多，要將水量數據長期保存和隨時查看，同時對數據的安全性也有極高要求，為了更好均衡系統性能．使數據服務中心能長期穩定運行，因此數據服務中心由多臺服務器分別承擔數據存儲，數據采集，數據對外發布，提供網絡各項服務多項任務。
數據采集服務器上的主程序為確保數據的實時性，將始終處于運行狀態。該程序用Visual C++6．0編寫．通過建立服務端，用WinSock監聽并建立來自終端的連接后，在網絡上與各終端進行通信，收發終端數據信息。為達到并發的需求，數據采集主程序采用多線程機制，為新建立的連接創建一個單獨的收發數據線程，充分保障各個采集終端的數據傳輸獨立性、及時性和安全性。為確保數據采集程序能長期穩定運行，另建一個守護進程對主程序進行實時監控。采集到的終端數據經過解析、處理后存儲至數據庫服務器的Oracle數據庫中。在數據的發布上，與傳統應用系統的C／S模式相比較，借助Internet的B／S架構因其對用戶要求低，簡潔方便，低成本及易于維護利于升級等各項優勢，更適用于新型自動水量監測系統。在該體系結構中，可以劃分為3層：瀏覽器—Web服務器—數據庫服務器。在B／S架構中，以.NET和JAVA兩大平臺最為流行，但J2EE在擴展性，移植性等方面更占優勢，并能提供較好的安全機制，加上有眾多的開源支持，因此水量查詢的Web站點采用Java編寫，利用成熟的開源框架Struts+Spring+Hibernate實現，這些優秀的開源框架使得開發周期大大縮短，同時很好地封裝底層實現細節，開發人員能專注于業務邏輯領域。站點布署在Tomcat服務器中，通過從數據庫中取得實時和歷史數據后，在站點上生成動態網頁供用戶通過Internet查詢、訪問、存儲和打印，且利用強大的開源報表工具JasperReport，可以將所需數據生成報表供外部用戶下載存檔使用。不同權限的用戶通過登錄站點可以對有關數據進行各項維護操作。
4．2 數據服務中心的構建
數據服務中心負責整個系統數據的采集處理和發布．協調系統的正常運作，是整個系統的重要組成部分。其主要功能包括：向各數據采集終端發送配置指令，接收采集終端發送的各項數據，對數據處理分析并保存至數據庫，以及發布數據等。
系統中，安裝的水量采集終端數量比較多，要將水量數據長期保存和隨時查看，同時對數據的安全性也有極高要求，為了更好均衡系統性能．使數據服務中心能長期穩定運行，因此數據服務中心由多臺服務器分別承擔數據存儲，數據采集，數據對外發布，提供網絡各項服務多項任務。
數據采集服務器上的主程序為確保數據的實時性，將始終處于運行狀態。該程序用Visual C++6．0編寫．通過建立服務端，用WinSock監聽并建立來自終端的連接后，在網絡上與各終端進行通信，收發終端數據信息。為達到并發的需求，數據采集主程序采用多線程機制，為新建立的連接創建一個單獨的收發數據線程，充分保障各個采集終端的數據傳輸獨立性、及時性和安全性。為確保數據采集程序能長期穩定運行，另建一個守護進程對主程序進行實時監控。采集到的終端數據經過解析、處理后存儲至數據庫服務器的Oracle數據庫中。在數據的發布上，與傳統應用系統的C／S模式相比較，借助Internet的B／S架構因其對用戶要求低，簡潔方便，低成本及易于維護利于升級等各項優勢，更適用于新型自動水量監測系統。在該體系結構中，可以劃分為3層：瀏覽器—Web服務器—數據庫服務器。在B／S架構中，以.NET和JAVA兩大平臺最為流行，但J2EE在擴展性，移植性等方面更占優勢，并能提供較好的安全機制，加上有眾多的開源支持，因此水量查詢的Web站點采用Java編寫，利用成熟的開源框架Struts+Spring+Hibernate實現，這些優秀的開源框架使得開發周期大大縮短，同時很好地封裝底層實現細節，開發人員能專注于業務邏輯領域。站點布署在Tomcat服務器中，通過從數據庫中取得實時和歷史數據后，在站點上生成動態網頁供用戶通過Internet查詢、訪問、存儲和打印，且利用強大的開源報表工具JasperReport，可以將所需數據生成報表供外部用戶下載存檔使用。不同權限的用戶通過登錄站點可以對有關數據進行各項維護操作。
5 結語
目前，我國城市管網更新改造的任務逐年加大，迫切需要使用管網水利檢測優化設計系統。通過對主管網的水量檢測數據，與專業理論、方法相結合，進行深度開發研究，為管網規劃設計、建設施工、各種運行狀態下的優化調度以及事故搶修等提供決策支持。該系統不只局限于供水行業，略加修改可用在排水、燃氣等行業，具有廣泛應用價值。
