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摘要：在我国，很多农村地方水利设施还是沿用着传统的人工管养方式，人力资源消耗较大。采用无线通讯技术，可以部分替代人力控制方式，节约人力成本。有些经济条件较好的地区，通过光纤实现远程控制，但随着城市路网的不断改换，经常会出现通讯线路被破坏和挖断的情况，如果附加使用无线通信技术，可以进一步提高设备的安全性和可靠性，本文将简要的讨论无线系统的组成。
关键词：单片机；TC35i；DS12887；PCF 8591
一、前言
随着国家城镇化战略的不断推进，农田及河流的不断减少，城市内涝状况越发突出，全球暖化现象引起的气候改变，造成异常突发暴雨正严重地威胁着我们的生产生活。只有不断的提高水利现代化程度，引入更多先进的控制和管理手段，才能更好的减轻和避免自然灾害造成的损失。随着计算机技术和网络技术的不断完善与发展，水利设施在当前形势下，更多的是采用光纤网络通讯技术。但是，光纤传输也存在一些缺点，如抗拉强度低，深埋地下的管线如遇地面沉降，就有可能出现光纤断裂而造成通讯异常，还有，光纤线路连接和维护费用较高，需要专门的工具。
无线通信技术最大优点就是不需要受缆线的限制，具有较好的移动性，并且施工难度低，使用成本較低。当前，移动通讯网络经过多年发展，现在已经非常成熟，信号覆盖区域宽广，通讯质量稳定可靠。其中，GSM网络是目前世界上应用最广泛的无线通讯网络，在国内GSM网络占据移动通讯的主导地位。并且，专用的GSM模块发射功率较低，可实现远距离通讯，无需投资高额大功率的发射装置，几乎可以在城市的任何角落都能进行信息的交换，使得维护成本大大降低，通讯抗干扰能力强。
农村水利设施分布地点较为宽广，并且很多站点都比较偏远，特别是小型水闸和小型电排站，很多都分布在田间地头，其中不乏有些交通不便的地方，倘若安排人员24小时值守，还要考虑人员轮换事宜，人力成本消耗较大。还有些无人值班的水位采集点，如果使用传统无线传输技术，避雷设施和无线发射装置将占用较大投资；如果使用光纤通讯技术，线路布置和投资也很高。所以，当数据量交换不是很大时，采用GSM通讯技术，则可以大大降低投资和维护成本。
二、系统组成
本文探索的主要内容是通过现有比较成熟的无线通讯技术，结合单片机控制系统，简要介绍实现无线监视系统的组成部分。通过该系统的有效拓展可以将水闸、电排站中的电流、电压、电机转速和闸门开度值等数据传送至数据中心或网络服务器，以便人们可以很方便地通过网页浏览，了解设备当前的状态。也可以使用在无人水位监测点的数据采集上，通过设好的时间间隔传回有效监测数据。或者当出现供电线路断电、缺相、过载等情况时能及时向管理员反馈信息，确保无人值守或野外少人值守的水利设施运行安全。更好地提高人力资源的分配，减少使用频率较低的站点人力投放和运行成本。实现水利资源统一管理、统一监视，让管理员可以腾出更多的时间巡视更多的站点，有效降低运行成本。
通过无线网络监控系统，也可以作为有线通讯的紧急应急支援手段。在一般运行中，操作水泵运转或水闸启闭时使用有线控制方式，当有线控制因线路故障造成通讯中断时，可以马上切换成无线通讯方式，紧急启动后备应急方案。
1.芯片介绍
本系统主要由在国内广泛使用的AT89S52单片机，西门子TC35i GSM通信模块、数据采集A/D转换器PCF 8591和DS12C887时间芯片组成。外围部分将根据具体项目要求增加电压、电流变换器，温度传感器，闸门开度仪和水位计等部件。
1.1 AT89S52单片机
作为整个系统的控制核心，AT89S52单片机担负着中央控制职能，它是ATMEL公司最新的一个低功耗，高性能，采用先进CMOS工艺制造的带非易失性Flash存储器的单片机。该微控制器主要具备以下特征：兼容标准MCS-51指令系统；具有8K Bytes ISP Flash程序存储器，可反复擦写1000次以上；8个中断源；4个8位 I/O 口；3个16位计数/定时器；全双工增强型UART串行通信口；全静态工作：0Hz至33MHz，可实现空闲模式和掉电模式。因为具有以上众多的优点和大量外围接口元器件，使得51单片机能够提供灵活有效的解决方案。
1.2西门子TC35i通讯模块
TC35i是西门子公司推出的一款基于GSM网络技术的无线通信模块，TC35i工作于双频段（GSM900/GSM1800），支持数据、语音、短信息等功能，提供快速、可靠、安全的传输环境，模块采用串行通讯技术，符合RS-232工业标准接口，并且，TC35i内部集成标准的AT命令集，可以方便的和MCS-51单片机进行数据交换。TC35i采用一个具有40脚的ZIF连接器和其它外部设备连接，这40个脚主要包括电源端、数据输入/输出接口、SIM卡接口、音频和控制接口。
1.3 DS12C887实时时钟芯片
DS12C887实时时钟芯片是美国达拉斯公司生产的时钟芯片，该芯片自带晶振和电池电路，可以在没有外部电源的情况下工作10年时间，可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿功能，可以方便地和INTEL总线连接，并且其具有时间性中断功能，可以很方便地实现单片机定期数据采集和发送动作。当监控对象如供电线路出现停电或缺相时，监控系统一旦检测到异常情况，能够及时记录下故障发生时间，并且通过无线网络向外发送报警信息。
1.4 PCF 8591
PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器，该器件是单片、单电源低功耗8位CMOS集成电路，具有4路A/D转换输入和1路D/A模拟输出，数据通过I2C总线和单片机连接，并且，该芯片的3个地址引脚A0、A1、A2允许最多8个器件连接至I2C总线上，可以在有限的I/O接口内采集多路信号，极大地提升单片机资源的利用。 2.硬件设计
2.1 数据采集转换电路
单片机作为本系统的核心处理器件，能处理各种数字量信息，但实际应用中我们遇到的往往是随时间变化的模拟量信息，那就需要通过A/D转换器将各种模拟量信息转化成数字量信息。然而，在模数转换前，还需要将各种被测电量参数（如380V电压、几十安培电流、功率、频率等）转换成标准的电压信号（如0-5V或0-10V）或标准电流信号（4-20mA），这样才能被PCF8591A/D转换器使用。
例如电压信号的采集，先把交流电压通过变压器将380V交流电转换成低电压交流信号，经过整流滤波器环节，得到较为平稳的直流電压，然后通过V/F转换电路，将电压信号转换成频率信号，通过光电耦合器件实现电路隔离，避免数据采集端遇到雷击和强电磁感应等异常情况造成后端芯片大面积损坏。接下来，通过F/V转换器，再次将频率信号转换成电压信号，电压信号经过调压低通滤波电路调整到合适的电位。最后，电压信号送入A/D转换器中进行电压数据的采集。
2.2 单片机和GSM模块的连接
因为两种芯片均符合TTL电平，51单片机片上自带全双工增强型UART串行通信口可以方便的和TC35i模块ZIF连接器中的18（RXD）和19（TXD）引脚相连，完成数据接收与发送工作。其中，数据收发有固定的格式，为8位数据位，1位停止位，无校验位，波特率在300bps至115Kbps间。通过异步串行口的连接，使用符合GSM模块的AT指令，可以实现短信、数据和语音的传输功能。
2.3 单片机和日历芯片DS12C887连接
DS12C887日历芯片因自身带有锂电池，可以实现系统掉电情况下还能保持时间的运行，只需一次校准就能长期正常工作，特别适合在无人值守和比较偏僻的野外工作。在断电重新上电时不需要人工重设时间，并且可以比较准确的在掉电恢复后，通过单片机上电初始化过程，发送来电信息。
通过单片机P0口和DS12C887芯片的AD0至AD7地址数据复用总线连接。单片机的ALE口连接日历芯片的AS口，RD口连接日历芯片的DS口，WR连接日历芯片的R/W口。其中，单片机P0口因同时和A/D转换器与日历芯片公用，所以单片机的P2.0和日历芯片的CS口连接实现片选功能，可以起到节约接口资源的作用。
2.4 输出控制
当我们通过光纤或专用有线线路正在远程操作水泵和水闸运行，遇到线路沿线有人违规施工，造成通讯故障时，远程控制人员可能无法第一时间赶到现场实施紧急停机作业，如果我们具有后备无线通信线路时，就可以马上发送紧急停机指令，停止设备运行，避免造成严重后果。因单片机输出控制电压为5V，我们可以通过增加三极管驱动继电器方式实现对380V电源切断作业。也可以使用固态继电器方式对用电设备进行紧急停机操作。
结语：对于小型水利设施，如何减少人员投放和实现无人值守，提高管理人员工作效率，并且增强设备安全运行保险系数，是摆在我们水利人员面前的一个课题。通过使用在国内已经相当成熟的无线网络，可以实现资金投入少，降低运行成本低，缩短建设周期。在某些方面，确实可以作为有线控制的紧急后备通道，提升设备安全冗余，减少意外故发生。
关键词：单片机；TC35i；DS12887；PCF 8591
一、前言
随着国家城镇化战略的不断推进，农田及河流的不断减少，城市内涝状况越发突出，全球暖化现象引起的气候改变，造成异常突发暴雨正严重地威胁着我们的生产生活。只有不断的提高水利现代化程度，引入更多先进的控制和管理手段，才能更好的减轻和避免自然灾害造成的损失。随着计算机技术和网络技术的不断完善与发展，水利设施在当前形势下，更多的是采用光纤网络通讯技术。但是，光纤传输也存在一些缺点，如抗拉强度低，深埋地下的管线如遇地面沉降，就有可能出现光纤断裂而造成通讯异常，还有，光纤线路连接和维护费用较高，需要专门的工具。
无线通信技术最大优点就是不需要受缆线的限制，具有较好的移动性，并且施工难度低，使用成本較低。当前，移动通讯网络经过多年发展，现在已经非常成熟，信号覆盖区域宽广，通讯质量稳定可靠。其中，GSM网络是目前世界上应用最广泛的无线通讯网络，在国内GSM网络占据移动通讯的主导地位。并且，专用的GSM模块发射功率较低，可实现远距离通讯，无需投资高额大功率的发射装置，几乎可以在城市的任何角落都能进行信息的交换，使得维护成本大大降低，通讯抗干扰能力强。
农村水利设施分布地点较为宽广，并且很多站点都比较偏远，特别是小型水闸和小型电排站，很多都分布在田间地头，其中不乏有些交通不便的地方，倘若安排人员24小时值守，还要考虑人员轮换事宜，人力成本消耗较大。还有些无人值班的水位采集点，如果使用传统无线传输技术，避雷设施和无线发射装置将占用较大投资；如果使用光纤通讯技术，线路布置和投资也很高。所以，当数据量交换不是很大时，采用GSM通讯技术，则可以大大降低投资和维护成本。
二、系统组成
本文探索的主要内容是通过现有比较成熟的无线通讯技术，结合单片机控制系统，简要介绍实现无线监视系统的组成部分。通过该系统的有效拓展可以将水闸、电排站中的电流、电压、电机转速和闸门开度值等数据传送至数据中心或网络服务器，以便人们可以很方便地通过网页浏览，了解设备当前的状态。也可以使用在无人水位监测点的数据采集上，通过设好的时间间隔传回有效监测数据。或者当出现供电线路断电、缺相、过载等情况时能及时向管理员反馈信息，确保无人值守或野外少人值守的水利设施运行安全。更好地提高人力资源的分配，减少使用频率较低的站点人力投放和运行成本。实现水利资源统一管理、统一监视，让管理员可以腾出更多的时间巡视更多的站点，有效降低运行成本。
通过无线网络监控系统，也可以作为有线通讯的紧急应急支援手段。在一般运行中，操作水泵运转或水闸启闭时使用有线控制方式，当有线控制因线路故障造成通讯中断时，可以马上切换成无线通讯方式，紧急启动后备应急方案。
1.芯片介绍
本系统主要由在国内广泛使用的AT89S52单片机，西门子TC35i GSM通信模块、数据采集A/D转换器PCF 8591和DS12C887时间芯片组成。外围部分将根据具体项目要求增加电压、电流变换器，温度传感器，闸门开度仪和水位计等部件。
1.1 AT89S52单片机
作为整个系统的控制核心，AT89S52单片机担负着中央控制职能，它是ATMEL公司最新的一个低功耗，高性能，采用先进CMOS工艺制造的带非易失性Flash存储器的单片机。该微控制器主要具备以下特征：兼容标准MCS-51指令系统；具有8K Bytes ISP Flash程序存储器，可反复擦写1000次以上；8个中断源；4个8位 I/O 口；3个16位计数/定时器；全双工增强型UART串行通信口；全静态工作：0Hz至33MHz，可实现空闲模式和掉电模式。因为具有以上众多的优点和大量外围接口元器件，使得51单片机能够提供灵活有效的解决方案。
1.2西门子TC35i通讯模块
TC35i是西门子公司推出的一款基于GSM网络技术的无线通信模块，TC35i工作于双频段（GSM900/GSM1800），支持数据、语音、短信息等功能，提供快速、可靠、安全的传输环境，模块采用串行通讯技术，符合RS-232工业标准接口，并且，TC35i内部集成标准的AT命令集，可以方便的和MCS-51单片机进行数据交换。TC35i采用一个具有40脚的ZIF连接器和其它外部设备连接，这40个脚主要包括电源端、数据输入/输出接口、SIM卡接口、音频和控制接口。
1.3 DS12C887实时时钟芯片
DS12C887实时时钟芯片是美国达拉斯公司生产的时钟芯片，该芯片自带晶振和电池电路，可以在没有外部电源的情况下工作10年时间，可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿功能，可以方便地和INTEL总线连接，并且其具有时间性中断功能，可以很方便地实现单片机定期数据采集和发送动作。当监控对象如供电线路出现停电或缺相时，监控系统一旦检测到异常情况，能够及时记录下故障发生时间，并且通过无线网络向外发送报警信息。
1.4 PCF 8591
PCF8591是具有I2C总线接口的8位A/D及D/A转换器，该器件是单片、单电源低功耗8位CMOS集成电路，具有4路A/D转换输入和1路D/A模拟输出，数据通过I2C总线和单片机连接，并且，该芯片的3个地址引脚A0、A1、A2允许最多8个器件连接至I2C总线上，可以在有限的I/O接口内采集多路信号，极大地提升单片机资源的利用。 2.硬件设计
2.1 数据采集转换电路
单片机作为本系统的核心处理器件，能处理各种数字量信息，但实际应用中我们遇到的往往是随时间变化的模拟量信息，那就需要通过A/D转换器将各种模拟量信息转化成数字量信息。然而，在模数转换前，还需要将各种被测电量参数（如380V电压、几十安培电流、功率、频率等）转换成标准的电压信号（如0-5V或0-10V）或标准电流信号（4-20mA），这样才能被PCF8591A/D转换器使用。
例如电压信号的采集，先把交流电压通过变压器将380V交流电转换成低电压交流信号，经过整流滤波器环节，得到较为平稳的直流電压，然后通过V/F转换电路，将电压信号转换成频率信号，通过光电耦合器件实现电路隔离，避免数据采集端遇到雷击和强电磁感应等异常情况造成后端芯片大面积损坏。接下来，通过F/V转换器，再次将频率信号转换成电压信号，电压信号经过调压低通滤波电路调整到合适的电位。最后，电压信号送入A/D转换器中进行电压数据的采集。
2.2 单片机和GSM模块的连接
因为两种芯片均符合TTL电平，51单片机片上自带全双工增强型UART串行通信口可以方便的和TC35i模块ZIF连接器中的18（RXD）和19（TXD）引脚相连，完成数据接收与发送工作。其中，数据收发有固定的格式，为8位数据位，1位停止位，无校验位，波特率在300bps至115Kbps间。通过异步串行口的连接，使用符合GSM模块的AT指令，可以实现短信、数据和语音的传输功能。
2.3 单片机和日历芯片DS12C887连接
DS12C887日历芯片因自身带有锂电池，可以实现系统掉电情况下还能保持时间的运行，只需一次校准就能长期正常工作，特别适合在无人值守和比较偏僻的野外工作。在断电重新上电时不需要人工重设时间，并且可以比较准确的在掉电恢复后，通过单片机上电初始化过程，发送来电信息。
通过单片机P0口和DS12C887芯片的AD0至AD7地址数据复用总线连接。单片机的ALE口连接日历芯片的AS口，RD口连接日历芯片的DS口，WR连接日历芯片的R/W口。其中，单片机P0口因同时和A/D转换器与日历芯片公用，所以单片机的P2.0和日历芯片的CS口连接实现片选功能，可以起到节约接口资源的作用。
2.4 输出控制
当我们通过光纤或专用有线线路正在远程操作水泵和水闸运行，遇到线路沿线有人违规施工，造成通讯故障时，远程控制人员可能无法第一时间赶到现场实施紧急停机作业，如果我们具有后备无线通信线路时，就可以马上发送紧急停机指令，停止设备运行，避免造成严重后果。因单片机输出控制电压为5V，我们可以通过增加三极管驱动继电器方式实现对380V电源切断作业。也可以使用固态继电器方式对用电设备进行紧急停机操作。
结语：对于小型水利设施，如何减少人员投放和实现无人值守，提高管理人员工作效率，并且增强设备安全运行保险系数，是摆在我们水利人员面前的一个课题。通过使用在国内已经相当成熟的无线网络，可以实现资金投入少，降低运行成本低，缩短建设周期。在某些方面，确实可以作为有线控制的紧急后备通道，提升设备安全冗余，减少意外故发生。