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摘要
 
為了確定北部 Cape 地區(qū)十分有意義的農(nóng)村水泵站的生命周期成本，很有必要進(jìn)行此類系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。由于在這種環(huán)境下無線遙測(cè)具有巨大優(yōu)點(diǎn)，在北部 Cape 地區(qū)建立了無線電遙測(cè)鏈接用于引水站。此文介紹了為北部 Cape 地區(qū)設(shè)計(jì)的光電水泵站完整的遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)。除了實(shí)地的安裝，也介紹了遠(yuǎn)程無線遙測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件的安裝。

 
為了便利飲用水的收集，過去開發(fā)了各種類型的水泵技術(shù)?，F(xiàn)在使用的系統(tǒng)中，光電（PV）及柴油機(jī)地下水抽水系統(tǒng)已在運(yùn)行中。在大部分情況下，已經(jīng)成功地在北部 Cape 地區(qū)為農(nóng)村居民提供可飲用水。盡管抽水技術(shù)有其優(yōu)點(diǎn)，但還是需要在北部 Cape 農(nóng)村地區(qū)對(duì)光電系統(tǒng)的地域進(jìn)行徹底長(zhǎng)期的研究，以確保在選定區(qū)域內(nèi)成功地進(jìn)行長(zhǎng)期的工作。由于手工數(shù)據(jù)采集和位置偏遠(yuǎn)以及特殊技術(shù)開發(fā)，而出現(xiàn)的問題有：

為了確保更多可靠的飲用水水源，在此區(qū)域使用的主要水泵系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)期精確的研究是很重要的。只有經(jīng)過研究，基于長(zhǎng)期量化的數(shù)據(jù)之后，才能做出明智的決定。這將最終確定一個(gè)更加成功的水泵設(shè)施開發(fā)。通過減少接近飲用水的問題，這一成果將為農(nóng)村居民改善生活質(zhì)量。此系統(tǒng)將在 Lepelfontein 開發(fā)。
 
項(xiàng)目目標(biāo)
 
項(xiàng)目的目標(biāo)是，研發(fā)端對(duì)端的遙測(cè)系統(tǒng)，確保北部 Cape 地區(qū)光電水泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
 
明確地，項(xiàng)目可以劃分為以下幾部分：
 
本地與遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間的無線鏈接的開發(fā)
 
各子系統(tǒng)的成功整合
 
最終用戶的圖形化用戶界面（GUI）的開發(fā)，與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器通訊的應(yīng)用
 
在農(nóng)田中成功的系統(tǒng)開發(fā)
 
無線通訊鏈接描述
 
在本地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，使用 Falcon 系列 GSM Modem 和 Aerocom AC4490UHF 數(shù)
 
據(jù) Modem，以便與這些設(shè)備通訊。測(cè)試包括在 GSM Modem 上使用 AT 指令發(fā)送到執(zhí)行的 SMS 及數(shù)據(jù)呼叫操作。

 
UHF 以相同的方式測(cè)試，使用 2 臺(tái) PC 機(jī)建立無線串行的端對(duì)端連接，使用 dataTaker DT605 智能可編程數(shù)據(jù)采集器，測(cè)試實(shí)驗(yàn)室完整系統(tǒng)的安裝，測(cè)試數(shù)據(jù)成功地下載，能夠成功地控制數(shù)據(jù)采集器運(yùn)行。
 
 
實(shí)驗(yàn)室成功的測(cè)試表明，系統(tǒng)已準(zhǔn)備好應(yīng)用于田地。項(xiàng)目中覆蓋的地理區(qū)域的人造衛(wèi)星圖像，指出了遠(yuǎn)程和本地站點(diǎn)之間的距離。塊狀圖及后面相關(guān)的圖，顯示了田地中最終的項(xiàng)目安裝，與衛(wèi)星照片圖像 1 有關(guān)。
 

 
圖 1: 項(xiàng)目地理位置的衛(wèi)星照片[3]

 
在第 A 部分，水泵的傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器。通過串行 RS232 連接，采集器輪流連接到 UHF 數(shù)據(jù) Modem。如下面的插圖 2（A），顯示了實(shí)地安裝的圖表。
 

 

  
首次訪問 Lepelfontein 區(qū)域，接近水泵站處未發(fā)現(xiàn)有 GSM 覆蓋。然而，距水泵站約
 
200 米遠(yuǎn)處，發(fā)現(xiàn)有小型的 GSM 覆蓋。水泵站的坐標(biāo)讀數(shù)為：S 3101′50.9′′, E01751′50.8′′，海拔 192 米。具有強(qiáng)度較好的信號(hào)處坐標(biāo)讀數(shù)為：S 3101′49.2′′, E01751′44.0′′，海拔 234 米。所以，附近山崗附加的海拔，方便了所需的 GSM 覆蓋。
 
為了利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)，首先從采集器到這一 GSM 覆蓋區(qū)域 200 米遠(yuǎn)處傳播數(shù)據(jù)。

 
B 部分的 UHF 數(shù)據(jù) Modem，接收 A 部分 UHF 數(shù)據(jù) Modem 發(fā)送的數(shù)據(jù)。然后 B 部分
 
的 UHF 數(shù)據(jù) Modem 連續(xù)地連接到 GSM Modem. 有了這一安裝，數(shù)據(jù)可以從國家的任何一處支持撥入 GSM 網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)下載。
 
為了提高天線發(fā)射模式的方向性，八木天線在 GSM 和 UHF Modem 中都使用了。太陽能板用來為 12V 鉛酸電池充電，這些電池輪流為 2 個(gè) Modem 供電，使用了充電控制器來控制電池的電壓。由下圖 3 表示，圖中也包括了實(shí)地的安裝。
 

 

 
部分描述了本地站點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控，如前面提及的，系統(tǒng)的這一部分可以通過在國家內(nèi)任何一處支持撥入 GSM 網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)安裝必要的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。
 
它包括連續(xù)地連接到 PC 機(jī)或手提電腦的 GSM Modem.在基礎(chǔ)的安裝之上，使用超級(jí)終端可以撥叫遠(yuǎn)程站點(diǎn)（B 部分），并從 A 部分的數(shù)據(jù)采集器下載數(shù)據(jù)。

圖4：本地?cái)?shù)據(jù)取回站

 
在 Bellville 實(shí)驗(yàn)室的后方，使用 GSM Modem 撥入遠(yuǎn)程站點(diǎn)的 modem, 數(shù)據(jù)可以成功地下載，系統(tǒng)也可以對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集器編程。如果需要的話，數(shù)據(jù)也可以手工下載，數(shù)據(jù)也可以基于周期很快地自動(dòng)下載，可由用戶指定的任何時(shí)間下載。
 
圖象化用戶界面
 
在 LabView 下開發(fā)的最終用戶程序，實(shí)現(xiàn)了用戶友好的圖形化用戶接口（GUI），用于簡(jiǎn)單的下載過程和數(shù)據(jù)解釋操作。
 
 
數(shù)據(jù)采集器返回的數(shù)據(jù)以固定的或不固定的格式模式，撥叫到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集器時(shí)，僅以固定的模式模式返回。
 
固定模式模式由許多獨(dú)特的信息組成，對(duì)于從 DataTaker[4]接收的每種類型的回復(fù)，有個(gè)別獨(dú)特的信息結(jié)構(gòu)。
 
固定的格式模式的信息有如下共同的結(jié)構(gòu)：前導(dǎo)字符：主體部分：終結(jié)符
 
這是一個(gè)從遠(yuǎn)程站點(diǎn)實(shí)際下載的數(shù)據(jù)字符串例子：D, 0,528220800,1: A, 0, 0.405,
 
4.5854, 5.3192, 22.747, 4.1417,1.2134,0.1667,27.947,6.197, 393.58:
 
前導(dǎo)字符中包括時(shí)間戳。在上面的例子中是 9 位整數(shù)(528220800)。時(shí)間戳可以多達(dá) 10 個(gè) ASCII 數(shù)字，返回從 DataTaker 基點(diǎn)時(shí)間 1989 年 1 月 1 日起消逝的時(shí)間秒數(shù)。
 
為了解碼，時(shí)間戳排列成 MatLab 程序編寫，當(dāng)采集數(shù)據(jù)時(shí)，使用羅馬歷法計(jì)算精確的時(shí)間。
 
協(xié)議整合到 LabView, 由于數(shù)據(jù)連續(xù)地讀取到用戶界面，因此可以解碼時(shí)間戳。
 
圖 6 顯示了完整的 GUI。所有的子程序結(jié)合，形成了完整的 GUI.
 
在連續(xù)的設(shè)置下，串口可以做如下修改：
 
Com 口[COM1 到 COM4]
 
波特率[1200 到 19200]
 
數(shù)據(jù)位[5 到 8]
 
停止位[1 到 2]
 
奇偶校驗(yàn)[none, odd, even, mark, space]
 
流控制[XOn/XOff, RTS/CTS, none]
 
修改這些設(shè)置后，僅當(dāng)停止或重新啟動(dòng)軟件時(shí)，才應(yīng)用。
 
DataTaker 數(shù)據(jù)字符串顯示了分裂成其相應(yīng)類別的原始的數(shù)據(jù)字符串。此處提供的兩個(gè)附加的通道用于需要增加更多通道的情況下。
 
 
在數(shù)據(jù)輸出表中，數(shù)據(jù)將要讀入時(shí)被存儲(chǔ)。這確保用戶真實(shí)地觀察分析數(shù)據(jù)，用戶除了可以指定列數(shù)據(jù)的寬度和精度外，也可以指定是否增加列或行的標(biāo)題。
 
“寫入文件”選項(xiàng)使用戶能夠?qū)憯?shù)據(jù)到電子數(shù)據(jù)表文件，在大部分電子數(shù)據(jù)表應(yīng)用中這些文件可以打開，也可以指定是否追加一個(gè)文件或?qū)懭胍粋€(gè)新的文件。

 
結(jié)果與今后工作
 
工作項(xiàng)目的各個(gè)部分測(cè)試表明了，整個(gè)系統(tǒng)遭受了在北部 Cape 地區(qū)惡劣環(huán)境下開發(fā)運(yùn)行的挑戰(zhàn)。結(jié)果如圖 5 所示，指出了從遠(yuǎn)程引水系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)精度。目前對(duì)獲得的結(jié)果，通過 CPUT 機(jī)械工程學(xué)院?jiǎn)为?dú)的研究做深入的處理，內(nèi)容超出了本論文的范圍。
 

 

圖 5: 顯示流動(dòng)速率與時(shí)間對(duì)比的測(cè)試結(jié)果

  

 

 圖 6：圖形化用戶接口

 
另外，全部的安裝與儀器安全是最初關(guān)心的?？墒?，太陽能及通訊設(shè)備的安裝方法遠(yuǎn)離地面之上，此方法證明了有效地防止了被盜。附加的儀器，包括數(shù)據(jù)采集器，安裝在封閉的機(jī)箱單元內(nèi)。今后的工作，除了可行性研究，調(diào)查可選擇數(shù)據(jù)的傳輸選項(xiàng)如衛(wèi)星通訊外，還包括低成本采集器的開發(fā)。
 
結(jié)論
 
在 Lepelfontein 數(shù)據(jù)可以從遠(yuǎn)程水泵站下載，方便利于機(jī)械工程研究員分析。與手動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)比較時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供一套可靠、便利性價(jià)比高的方法，用于下載遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)。維護(hù)成功低，只需要幾個(gè)合格的工作人員即可。