УДК 556.043::556.07::621.39

Мониторинг состояния водных объектов с использованием
сотового радиоканала

М.В.ЛИСИЦЫН, В.В.ПЕКУНОВ
(Ивановский государственный энергетический университет, Институт математического моделирования ИГТА)

Получение оперативной информации о гидрологической ситуации на различных водных объектах является актуальной задачей. Такие данные необходимы для управления режимом работы различных гидротехнических сооружений, а также являются основой для прогнозирования паводков и наводнений. Основная проблема обычно состоит в значительной разнесенности точек сбора информации и их удаленности от центра обработки данных. Эффективным решением является разработка автономных устройств сбора данных, периодически передающих собранную информацию по радиоканалу в центральную базу данных для последующей обработки.
Предлагается использовать радиоканал на основе сотовой GSM-связи. Такой подход позволяет избежать целого ряда технических и организационных проблем, неизбежно возникающих при разработке «собственного» радиоканала: выделения определенного частотного диапазона, создания качественной приемо-передающей аппаратуры достаточной мощности, разработки специального протокола передачи данных с коррекцией ошибок.
В рамках хозяйственного договора с УМП «Водоканал» разработан программно-аппаратный комплекс для дистанционного контроля гидрологических параметров водных объектов. Комплекс включает:
а) блок сбора данных (с автономным или стационарным питанием) с системой датчиков;
б) систему передачи данных: мобильные телефоны стандарта GSM со встроенными модемами — по одному телефону для каждого блока сбора данных и один телефон, подключенный к персональному компьютеру;
в) программу сбора данных, работающую на обычном персональном компьютере.
Блок сбора данных представляет собой электронное устройство, включающее: блок питания; микроконтроллер PIC16F873 фирмы Microchip, управляющий устройством; схему измерения, преобразующую информацию с  датчиков в электрический потенциал; аналого-цифровые преобразователи; измерительные датчики. Устройство имеет четыре аналоговых канала (количество каналов может быть увеличено до семи) с разрешающей способностью 10 бит, к которым подключаются аналоговые датчики: уровня и температуры воды, скорости течения и другие. Возможно подключение до 10 цифровых датчиков, например расходомеров с импульсным выходом. Устройство взаимодействует с мобильным телефоном через асинхронный приемо-передатчик (UART), встроенный в микроконтроллер, по стандартному последовательному интерфейсу RS-232. Собственное потребление устройства в режиме ожидания составляет не более 20 мкА.
Программное обеспечение блока сбора данных (программа для микроконтроллера) работает в циклическом режиме, с периодичностью от одной минуты до суток. На очередном витке цикла опрашиваются датчики (проводятся АЦП, считываются значения счетчиков), полученные данные упаковываются и передаются через модемный канал мобильного телефона. Взаимодействие с телефоном осуществляется посредством как стандартных модемных AT-команд, так и AT-команд стандартов GSM 07.07 и GSM 07.05. Фактически, устройство звонит на мобильный телефон, подключенный к персональному компьютеру, и, после установления соединения, передает данные и разрывает связь. При занятости линии или внезапном прекращении связи осуществляется несколько попыток дозвона. Номер читается из памяти телефона (последний набиравшийся номер), что позволяет изменить его без перепрограммирования устройства.
При питании устройства от аккумулятора телефон включается лишь на период передачи данных, что позволяет увеличить продолжительность автономной работы. Программа микроконтроллера постоянно следит за уровнем заряда аккумулятора телефона, при его снижении до критической отметки включается система подзарядки.
Программа сбора данных на персональном компьютере работает с мобильным телефоном, подключенным к реальному или виртуальному (при работе через USB) COM-порту. При этом телефон воспринимается как обычный внешний модем, с которым можно работать посредством AT-команд. Программа ожидает звонка от какого-либо из блоков сбора данных, устанавливает соединение и принимает данные, которые помимо результатов измерений содержат идентификационный код блока сбора данных. Принятые данные сохраняются для последующей обработки.
Разработанный комплекс дистанционного контроля гидрологических параметров позволяет работать с большим количеством аналоговых и цифровых датчиков; отличается высокой надежностью связи с центральной базой данных (за счет применения GSM-связи) и относительно невысокой трудоемкостью изготовления (за счет применения стандартного устройства связи — мобильного телефона). Предполагается применение комплекса для мониторинга состояния водных объектов Ивановской области.