水位监测仪（共8篇）
水位监测仪 篇1
1 工程概况
西夏水库是宁夏自治区党委和政府为保护银川市西部的地下水环境, 优化区域水资源配置, 向银川市西部提供优质的地表水和自然过滤源水水源而批准实施的一项重要的水资源配置工程, 工程为沙坡头北干渠的重要组成部分, 供水对象为银川市西部的工业企业, 设计年供水总量6200万m3/a, 日供水量17万m3/d。
西夏水库位于银川市西南, 由原银西防洪体系的第一拦洪库改建而成。水库地处贺兰山东麓的洪积扇上, 库区底部的防渗效果和基础渗流特性是安全监测的主要目标之一;由于水库建成之后必然引起周围水环境的改变, 特别是由于渗漏量增大, 抬高水库下游农田的地下水位, 因此水库下游农田保护区的地下水位监测是目标之二, 同时也是辐射井群提水设施工作的控制目标。
2 主要工程监测项目
2.1 变形监测
在坝顶设置视准线一条, 测点间间距为100m, 共设置表面标点18个;在桩号1+500和2+150, 轴距+4.0米处, 布设沉降管各1条;在输水塔闸房外四个边角各设置4个水准监测点, 两外在输水塔工作桥上布设10个水准点。
2.2 渗流监测
坝体渗流压力观测断面选择0+675、0+966、1+500、2+150和3+000五个横断面进行坝体渗流观测, 埋设渗压计36支。
2.3 保护区和辐射井区地下水位监测
辐射井区地下水位监测相当坝后水位观测, 也反映了辐射井区提水设施的工作效果, 设置水位井18个, 测井深度为15m, 安装水位计18支。
3 系统网络整体结构
西夏水库工程安全监测自动化系统及测站、中心站网络采用分层分布式的网络结构。测站层由各测点传感器和数据测量控制装置组成;监测中心站位于水库大坝管理处, 监测中心站由数据采集接收机、监测工作站、服务器等组成。
将监测数据、系统参数和其它信息资料存放在数据库中, 数据库运行在监测服务器上以实现资源共享;监测工作站作为前端用户访问, 服务器处理数据库中的数据。除系统管理员可以直接在监测服务器上对系统进行参数设置、数据库管理等操作外, 其他操作人员通过权限设置在监测工作站对监测自动化系统进行数据的查询、监视等操作。
系统通信主要完成M C U之间及M C U与控制中心之间的数据通信, 采用支持分布式控制、通用的Lon W orks通信方式。
4 渗流特性分析
西夏水库大坝渗流监测断面有5个, 坝后水位观测井共18个, 根据西夏水库渗流监测断面以及水位井的设置, 此次主要针对西夏水库2013年4月初至2014年6月中旬各监测断面上埋设渗压计监测数据以及坝后水位井水位监测数据进行分析。
2#渗流监测断面 (0+966) 为输水洞断面, 该断面共埋设渗压计11支, 编号为:P2-1~P2-11。由于在该断面上的测点P2-2、P2-3、P2-5、P2-7、P2-9处埋设的渗压计数据波动加大, 且波动范围也较大, 因此在分析过程中只考虑断面上其余测点在2013年4月初至2014年6月中旬的渗流压力水头与孔隙压力过程线与库水位过程线对比, 如图1、2所示。
从图可以看到:0+966断面上测点孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程一致, 且变化过程比较同步;对于测点P2-11一直处于负压状态, 表明该测点位置的土壤一直处于非饱和状态;从各测点的孔隙水压力水位大小来看, 目前测点的孔隙水压力水头变化区间在1131~1135m之间;目前测点孔隙水压力大小的变化区间基本都在25~45KPa之间, 除测点P2-11处于负压状态, 其余测点均处于正压状态;从测点孔隙水压力水头分布来看, 测点的渗流压力水头分布与理论分布基本一致, 从断面上游到断面下游呈逐渐减小的分布状态。
5#渗流监测断面 (3+000) 共埋设渗压计6支, 编号为:P5-1~P5-6。分别绘制各支仪器从2013年4月初至2014年6月中旬渗流压力水头和孔隙水压力变化过程线, 如图所示。
从图可以看到:3+000断面测点的孔隙水压力水头、孔隙水压力变化过程与库水位的变化过程基本一致 (除测点P5-6) , 且断面上测点孔隙水压力水头测值与上游库水位值相差较小, 表明该断面位置的材料渗透性比较强;从测点的孔隙水压力变化来看, 测点P5-6的孔隙水压力基本在0KPa附近波动, 表明测点位置土壤处于饱和与非饱和状态的临界位置, 而其余测点的孔隙水压力均处于正压状态, 孔隙水压力范围在0~150KPa之间。从监测断面上所有测点的孔隙水压力水头值与测点位置分布来看, 测点水头值基本满足从上游向下游逐渐减小的趋势, 与理论分布基本一致。
5 坝后水位井监测特性分析
根据水位井 (O H 5-1) 监测数据, 绘制从2013年4月初至2014年6月中旬测点的渗流压力水头与水库水位变化过程对比图, 如图所示。
可以看到:水位井O H 5-1的水位变化波动较小, 水位井的水位变化与水库水位的变化在2013年11月份之前比较一致, 2013年11月份之后水位井O H 5-1的水位变化过程比较稳定, 受上游库水位的变化过程影响较小。
6 坝后水位井不同时刻水位与原始水位比较分析
2013年11月25日、2014年6月20日西夏水库坝后地下水位分布基本呈现出从坝址向坝后延伸处逐渐降低的趋势, 地下水位从坝址1130m逐渐降低为1126m, 与坝后地形走势情况基本一致。与坝基、坝后初始地下水位分布图比较, 发现在坝后集渗廊道之前地下水位有所升高, 而集渗廊道之后的地下水位出现略微下降的现象, 这表明通过坝后集渗廊道的截留及坝后泵站抽排, 西夏水库渗漏水量部分被截留回抽, 对集渗廊道之后的地下水位高低有一定影响, 但是影响的范围比较有限。
坝基、坝后地下水位的分布图如下:
7 总结
根据西夏水库蓄水过程、地形上来看, 坝后地形为逐渐降低的过程, 地下水位也呈逐渐降低的趋势。
水库坝后设置集渗廊道用来进行坝体及坝基的渗漏水量截留, 从坝后集渗廊道的运行来看, 通过截留在一定程度上降低了水库的渗漏对下游土地的影响, 但是由于坝基的渗透量较大, 坝后集渗廊道无法完全截留水库的全部渗漏水量, 因此水库的高水位蓄水时可能会对水库下游的土地有较大影响。运行管理单位后期要严格执行水库及水库坝后泵站的运行管理制度, 并实时监测水库坝体、坝基及坝后水位的变化情况, 避免由于坝后集渗廊道的抽排水不及时导致坝后地下水位的迅速增加的情况发生, 为更充分合理的进行水库及泵站运行管理积累丰富的资料。
参考文献
[1]SL274-2001.碾压土石坝设计规范.
[2]SL360—2006.地下水监测站建设技术规范.
[3]朱军, 刘光廷, 陆述远.饱和非饱和三维多孔介质非稳定渗流分析.武汉大学学报:工学版, 2001.
水位监测仪 篇2
文章在北京市地下水水位监测现状基础上,分潜水和承压水对北京平原地下水监测网的监测密度和监测频率进行了优化设计.主要采用编制地下水动态类型图的方法进行了地下水水位监测网的优化,克里金插值法能定量评价依据监测网观测值绘制的.地下水水位等高线的精度,因而可以用来评价监测优化结果.并根据时间序列分析和统计检验提供的定量标准优化了地下水水位监测频率.优化后,北京平原共有监测孔400眼,其中利用原有监测孔300眼,新设计监测孔100眼,手工监测频率由原来的每月6次优化为每月1次,专项高频率监测可以由地下水自动监测仪实现.文中还对地下水自动监测仪(DIVER)的监测结果和手工监测结果进行了对比评价,提出了地下水水位监测网的维护、管理措施和信息发布方式.
作 者：董殿伟 林沛 晏婴 刘久荣 叶超 郑跃军 万利勤 李文鹏 周仰效 DONG Dian-wei LIN Pei YAN Ying LIU Jiu-rong YE Chao ZHENG Yue-jun WAN Li-qin LI Wen-peng ZHOU Yang-xiao 作者单位：董殿伟,林沛,晏婴,刘久荣,叶超,DONG Dian-wei,LIN Pei,YAN Ying,LIU Jiu-rong,YE Chao(北京市地质工程勘察院,北京,100037)
郑跃军,万利勤,李文鹏,ZHENG Yue-jun,WAN Li-qin,LI Wen-peng(中国地质环境监测院,北京,100081)
周仰效,ZHOU Yang-xiao(荷兰联合国教科文组织水资源学院,荷兰德尔福特)
水位监测仪 篇3
关键词：矿井,水位监测仪,智能,实时检测,远程监测,S3C2440,PTP601
0 引言
矿井水害问题一直是制约我国煤矿安全生产的因素之一, 严重威胁着煤矿的安全生产。煤矿一旦遭遇水害, 就会直接恶化矿井生产条件, 增加采矿难度, 影响煤炭资源的开发, 轻则使采矿成本增加, 重则造成人死井毁的重大事故。目前, 煤矿众多观测点的水文动态情况一般由人工定期逐点观测, 存在以下几个问题:一是观测人员少, 工作量大;二是观测的密度满足不了水害预测预报对观测的实时性要求, 特别是水害事故发生前, 不能及时发现异常情况;三是难以同步获得各观测点数据;四是人工观测经常出现人为的观测误差。因此, 研究一种高可靠性的矿井水位监测系统是非常有必要的。
随着科学技术的发展, 我国的监测仪器已具有一定的研究、开发和生产能力, 特别是各种仪器的数据处理系统及自动控制系统的最新研究成果, 使我国仪器研制和在用仪器的改造升级迈上了一个新的台阶。目前国产的水位检测传感器主要类型有筒式水位仪、压力传感器式水位仪、超声波式水位仪等, 在功能齐全、性能稳定性方面, 与国际上较为先进的同类产品不相上下, 完全能够满足地下水监测的需要, 且价格比国外进口仪器便宜得多[1,2,3]。本文将介绍一种智能化、高可靠性的矿井水位监测仪, 它是针对目前国内煤矿中存在的测量点多、观测人员少、工作量大、实时性要求高、人为误差大等问题提出的一种智能化、实时性高的控制仪表, 可应用于矿井水位监控系统中, 对矿井不同位置的观测点进行水位数据的高速采集, 并针对矿井传输距离比较远的现状采用RS485总线传输数据, 并能对危险的情况发出预警、警报信号, 以便工作人员及时采取防治措施, 保障了煤矿安全生产与防水治水工作的顺利进行。
1 矿井水位监控系统的总体设计
整个矿井水位监控系统采用上、下位机结构形式, 分为下位机现场水位数据监测系统和上位机监控系统2个部分。下位机现场水位数据监测系统即本文介绍的智能水位监测仪, 它采用三星S3C2440作为核心控制器, 以投入式液位传感器PTP601作为水位传感器, 以液晶显示器LCD1602D作为现场数据显示器。上位机监控系统采用嵌入式工控机作为监控主机。上位机与下位机通过RS485总线通信, 以保证系统数据远距离传输的可靠性。整个矿井水位监控系统的结构如图1所示。
2 智能水位监测仪的硬件设计
在该智能水位监测仪的设计中, 核心处理器是系统的核心, 而水位监测传感器是实现水位监测的根本, 本文针对本系统的核心处理器和水位监测传感器进行详细说明。
2.1 硬件结构
矿井智能水位监测仪的硬件结构如图2所示。S3C2440为监测仪的核心处理器, PTP601为水位监测传感器。存储器包括3个部分, 即8 MB的SDRAM、16 MB的NandFlash和1 MB的NorFlash。NorFlash中可以固化应用程序, 也可以存储一些特殊数据, 但更多的是作为引导ROM使用。16 MB的NandFlash是作为海量存储器使用的, 在其中可以嵌入常用的操作系统, 如μC/OS-II、μClinux等, 以更好地完成多任务。PTP601采集的信号经过简单的信号调理后进入A/D转换器。信号调理主要包括信号滤波与电平转换。JTAG接口用于程序的下载与调试, USB接口用于移动存储设备的读写。与上位机的通信部分包括RS232和RS485接口, 可在实际应用中灵活选择。
2.2 核心处理器
矿井智能水位监测仪的核心处理器采用三星公 司生产的S3C2440芯片[4]。S3C2440采用ARM920T内核、0.13 μm的CMOS标准宏单元和存储器单元、1.2 V内核供电、3.3 V外部I/O供电, 保证了低功耗, 具有高速的运算能力。该芯片具有十分丰富的资源, 包括16 KB的I-Cache和16 KB的Dcache、8通道10位A/D、4通道DMA、1通道IIC、4通道PWM、2通道SPI、3通道UART、130个通用I/O口以及LCD控制器等。对于本监测仪来说, 这些资源已经足够用, 且S3C2440具有十分强大的控制功能, 性价比很高。
2.3 水位监测传感器
PTP601是引进美国最新传感器技术和全套先进电路及元器件生产的投入式液位传感器, 体积小, 性价比高, 具有较高的稳定性和灵敏度;因设计采用全封焊结构, 可以防雷击和射频干扰;其精细独特的零点、温漂、非线性补偿, 可以很好地保证使用条件范围内的精度, 具有长期的稳定性;具有标准的输出信号, 可以经过简单的信号调理后进入S3C2440进行A/D转换。PTP601主要用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。
3 智能水位监测仪的软件设计
整个矿井水位监控系统的软件设计包括现场数据采集系统程序设计和上位机监控程序设计2个部分。其中现场数据采集系统程序即为矿井智能水位监测仪的软件程序, 主要包括传感器信号采集程序、信号处理程序、信号现场显示程序、通信程序、系统故障诊断程序等。上位机监控程序包括各个现场数据采集系统的数据实时显示程序、水位超限报警程序、系统故障诊断程序等。
矿井智能水位监测仪的软件主程序流程如图3所示。整个程序分为A/D采样、实时时钟、键盘处理、数据处理、LCD显示、通信等部分。其中, 通信子程序分为串口通信与USB通信2个部分, 通过设置串口与USB中断, 完成与上位机以及USB设备的数据传输功能。A/D采样子程序包括后续的数据处理程序, 主要是完成实时数据的现场采集, 该部分可根据现场环境进行相应的修改, 如现场干扰较多的话, 应考虑加上数字滤波。数据处理子程序还具有工程变换功能, 即将要显示的工程量进行相应的变换, 以便下一步通过LCD显示。
4 结语
本文设计的基于S3C2440的矿井智能水位监测仪是一种智能化水平高、实时性高、可靠性高的水位监测仪表, 可以很好地监测矿井不同位置的水位数据, 并完成水位数据的相关处理。该水位监测仪可以独立完成相关的监测任务, 甚至可以实现矿井水位监控系统中上位机的部分功能, 从而减少上位机的工作量, 提高整个系统的效率。实际运行结果表明, 该水位监测仪达到了预期目标, 很好地解决了矿井水位监测中存在的问题。
参考文献
[1]邢延团, 刘增平, 吴新庆, 等.水文动态实时监测系统应用研究[J].采矿技术, 2006, 6 (3) .
[2]张忠远, 林春方.基于UPSD3454单片机智能水位监测仪的研究[J].宿州学院学报, 2007, 22 (5) :85-87.
[3]陈万平, 孔祥和, 李洪珍.水仓水位监测系统的设计[J].煤矿自动化, 1997 (1) :20-21.
[4]聂毅.单片机控制的水位与降雨量监测系统[J].微计算机信息, 2003, 4 (18) :37-39.
[5]张玉杰, 马立云.基于嵌入式的远程医疗监测系统研究[J].自动化技术与应用, 2009 (9) .
水位监测仪 篇4
为了及时掌握地下水位变化情况,实现地下水资源的合理开发利用,近些年来地下水位远程监控技术得到了不断的发展,但是由于终端设备价格高,野外环境恶劣,供电可靠性差,监测系统运行速度慢,设备上线率低,工程量和施工难度大,后期维护费用高等原因,地下水远程监控系统未能得到广泛的应用[1]。
本文设计了一种基于GPRS网络通信的地下水位远程监控系统,对水位数据进行采集、存储,并在监控终端和中心之间实现了多点的数据实时传输,解决野外监测设备供电可靠性差,设备上线率低等问题。
1 地下水位监测系统总体设计
整个系统的设计包括水位监测终端的设计、通信协议处理、GPRS终端与监控中心的互联、监控中心的网络接入与软件设置,如图1所示。
地下水位监测系统通过GPRS无线网络,将分布在不同地区的水位监测终端、监控中心服务器和用户联系起来,实时地获取水位监测终端所采集到的水位数据,用户可以对监测地点的水位历史数据进行查询、统计和分析[2]。
2 组网方式和通信协议
本系统采用分布式的网络结构,监控中心申请专线服务接入Internet,IP绑定,具有一定的带宽,监测终端能够比较容易的连接到监控中心。为保证连接的可靠性和数据传输的准确性,在监测终端和监控中心之间采用TCP协议[3],并且终端和监控中心之间制定各自的通信协议,通过误码/超时重传等方式,确保数据的安全准确。
3 水位监测终端设计
3.1 水位监测终端的硬件设计
监测终端主要由传感器和采集传输通信部分组成,硬件结构图如图2所示。液位传感器选用投入式压力硅传感器,输出4~20 mA电流,更易于远距离传输。数据处理器选用ATmega128L微控制器,具有丰富的外围资源、极低的功耗、较大的SRAM和片内FLASH[4]。GPRS模块选用SIM300,内嵌强大的TCP/IP协议栈,支持透传模式,工作温度为-20~+55 ℃,能适应较恶劣的工作环境[5]。
3.2 水位监测终端的软件设计
监测终端实现以下几个功能:键盘设置监测终端的参数并存储,包括埋深、量程、手机号等;水位数据的采集和发送,实现一个月的水位数据的存储;与监测中心保持时钟同步。
ATmega128通过UART与GPRS模块连接,控制GPRS的初始化、建立TCP连接以及数据传输,在建立透传模式后,GPRS模块接收到监控中心数据后,原封不动地发送给单片机,单片机通过串口中断接收数据、解析指令然后响应指令[6],主程序流程图如图3所示。
4 监测终端可靠性设计
使用GPRS网络作为通信网络方案,供电和通信可靠性差是水位监测项目难以广泛实施的重要原因。
4.1 供电可靠性设计
监测终端多安装于农田和野外水井房内,电源现状比较复杂:农村电源多为三相四线或五线制交流电,且不稳定;在部分地区交流电接入困难,或者在野外废弃井房内无法接入交流电;在不灌溉的时间,部分地区井房内断电现象严重;山区地形复杂,很多地区日照不足。因此单一的依靠交流电或者太阳能蓄电池都是不可靠的。针对设备供电困难的问题,电源设计部分采用了交流电和太阳能电池互补的方案。供电方式结构图如图4所示。
(1) 监测终端的主电源采用交流电,经开关电源转换为12 V后进行供电。
(2) 备用电源使用12 V/24 A·h的蓄电池,能够保证在主电源断开的情况下正常工作10天。使用理想二极管控制器LTC4412实现双电源切换,并输出主电源工作状态的开关量,其电路如图5所示。
(3) 主电源供电情况下,为了保证蓄电池的基本电量,优先采用交流部分的充电器给蓄电池充电,并对充电时间进行计时。终端对蓄电池电压进行检测并根据开关量判断主电源的工作状态,使用继电器切换蓄电池充电方式。在充电器充电满一小时后,断开继电器,使用太阳能控制器充电。
(4) 备用电源供电的情况下,需要设备有较低的功耗。设备的功耗主要有三部分:GPRS模块、液晶屏和A/D转换。在终端设备休眠状态下,外围A/D转换、液晶屏被设置为不使能状态。除此之外,电源接口安装了独立电源的定时器开关,在夜间关闭设备电源,节省电量,白天重新开启电源。
4.2 通信可靠性设计
为了保证数据传输的规范性和准确性,终端和监控中心各自制定了数据传输规约,规定了数据传输的帧格式、数据编码及传输规则,可实现监测中心对终端执行主从问答以及终端主动上传方式的通信。本规约遵从GB/T18657推荐的传输规约模式,采用三层增强型结构[7],帧格式如图6所示。
帧类型主要包括登陆帧、登录应答帧、心跳包帧、心跳应答帧、数据帧、数据应答帧等。登陆帧和心跳包帧用于实现设备的登录和GPRS连接维持,其数据域都为空。数据域的数据格式如图7所示。
控制域根据功能可划分为确认/否认、参数设置和查询、主动上报。测终端在接收到监控中心发出的查询指令后,根据相应的功能码对水位数据等数据进行查询,然后封装成固定的帧格式上传给监控中心[8]。
5 监控中心前台软件设计
地下水位监控中心要能实现将分布在全省多个地点的水位数据的实时采集,并将数据存储在数据库中;满足普通用户和管理层对单个地点/多个地点的历史数据的查询、统计、分析,给出异常数据的报警[9]。监控中心主要分为监控中心通信服务器和Web服务器两个部分,系统总体框架如图8所示。
通信服务器主要负责监听端口,同终端进行数据通信,接收来自终端的数据信息,在得到监控中心发出的控制指令后,通过Internet和GPRS网络发到指定终端上[10]。Web服务器负责与用户交互,实现用户管理。用户通过Internet登录到Web服务器,可以查询监测终端的实时水位数据,查询历史数据等。中心通信服务器与Web服务器之间的信息交互通过数据库来实现。
监控中心的软件设计采用B/S架构,前台Web服务器采用Myeclipse作为开发工具,通过JBoss 4.0作为应用服务器,使用STRUTS开发网页框架,数据库采用Mysql。使用Socket套接字方式,利用ServerSocket类和Socket类实现监听过程, 多线程方式同时处理多台终端通信。各线程内部TCP传输通道建立和数据库操作相互独立,各自完成相应与GPRS终端的数据通信。Web服务器界面如图9所示。
6 结 论
本文设计了基于GPRS无线技术的地下水位远程监控系统,实现了地下水位的远程监控,为水文分析提供可靠的数据。主要阐述了水位监测终端的硬件和软件设计,数据传输规约以及监控中心软件设计等,重点解决供电可靠性和通信可靠性问题。目前,地下水位监测系统的监测终端已运行上千台,由于各地项目推进程度不一,目前采用这种供电方式的系统上线率超过了85%,系统运行稳定,经过了冬季供电困难时期的考验。
摘要：针对水位监测中的供电可靠性差和上线率低的问题,设计了一种地下水位监测系统。监测终端采用双电源供电,上位机采用Java实现网络通信,通过GPRS无线网络实现了监测终端和监控中心之间的数据实时采集和传输,并在实际中得到很好的应用。
关键词：水位监测,GPRS,远程监控,上线率
参考文献
[1]赵辉,齐学斌.地下水资源管理新技术与新方法[J].中国水利,2009(15):31-33.
[2]闫静杰,刘晓文,朱哓颖,等.基于无线传感器网络的井下水位监测监控系统设计[J].传感器与微系统,2008,27(12):73-75.
[3]刘坚,陶正苏,陈德富,等.基于GPRS的环境监测系统的设计[J].自动化仪表,2009,30(2):30-32.
[4][美]巴雷特.嵌入式C编程与Atmel AVR[M].北京:清华大学出版社,2003.
[5]王昆,陈昕志.基于GPRS的地下水动态水位监测系统研究[J].计算机测量与控制,2011,19(2):263-265.
[6]陈滟涛,杨俊起,万钧力.实时无线水位监测系统设计[J].佳木斯大学学报:自然科学版,2005,23(2):184-187.
[7]朱娟.基于ARM9的水情数据采集传输系统设计[J].云南大学学报,2009,31(z2):30-33.
[8]寇从芝,赵靖.基于无线网络的煤矿安全监测系统设计[J].制造业自动化,2010,32(11):23-26.
[9]王昆,阚涛.基于GPRS的光发射机远程监控系统的实现[J].计算机测量与控制,2010,18(1):100-103.
水位监测仪 篇5
关键词：水位,流速,桥区,通航安全,监测
1 引言
目前, 航道管理部门对船舶通过航道桥梁的相关信息没有公开服务数据来源与渠道, 掌握水情水位信息主要依靠气象部门每天定时对外提供的水情水位信息。除紧急情况下, 信息基本一日一发, 不具有实时性, 且公布信息中缺少桥梁通航水位信息, 无法向船舶提供桥下通航预警信息, 船舶过桥主要依靠经验与目测, 不利于管理部门针对各时段水位变化实施科学监管。因此, 及时掌握水位信息及部分通航河段的流速信息, 发布信息与预警, 船舶可通过实时桥下通航高度预测选择放桅等通行方式, 可以有效避免通航高度导致的撞桥等事故。本文介绍了水位与流速测量的桥区安全通航监测系统, 有助于通航安全预测。
2 系统原理与组成
桥区水位与监测系统主要由三个部分组成:监测终端、实时通信链路、数据中心与发布平台, 如图1所示。
2.1 监测终端
系统监测终端安装于跨航道桥梁上方, 主要硬件设备包括:水位传感器、流速传感器、无线数传模块 (RTU) 、太阳能电池板、控制器、蓄电池及设备箱。监测终端硬件组成如图2所示。
超声探头主要是指水位传感器与流速传感器, 固定安装在水面观测点上方, 位于桥梁结构最低缘, 垂直对准水面向水面发射无线电波, 超声波到达水面后部分能量经水面反射, 被探头接收, 仪表记下这段时间t;探头内部安装有温度传感器, 根据超声波的传播速度和时间t, 经过温度补偿计算出水面到探头的距离D。流速传感器利用多普勒原理, 可以测得0.3m/s~8m/s的水流。系统原理图见图3所示, 前端单元设备探测水位信息, 由RTU模块利用公众移动通信网GPRS/CDMA方式进行实时传输。
(1) 监测传感器。对于只进行桥下实时通航高度测量的桥梁, 监测传感器只需要安装水位探测仪;对于除测量桥下实时通航高度外, 还需要测量表面流速的桥梁安装点, 监测传感器包括水位探测仪、流速探测仪。
(2) 无线数传模块 (RTU) 。RTU主要作为通信单元, 内置公众移动通信网SIM卡。其主要作用是将前端单元设备探测水位信息、流速信息, 利用GPRS/CDM A网络传输到监控中心。
(3) 控制器。智能控制器通过RTU模块可以监控中心进行遥控, 控制单元将采集到的信息传递给RT U单元, 供其向外发送。同时, 可以根据RT U接收到的监测中心发送的控制指令, 并可根据接收到的最新配置参数对工作参数进行设置, 可以改变采集的频次, 实现启动等远程控制功能。
(4) 太阳能电池板及蓄电池。对于有供电系统的桥梁, 可直接采用供电系统, 而对于无法供电的桥梁, 采用光伏供电系统, 一般均可采用太阳能供电。在无交流负载的太阳能光伏供电系统中, 太阳能光伏供电系统的基本工作原理就是在太阳光的照射下, 将太阳电池组件产生的电能给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电, 如果日照不足或者在夜间则由蓄电池给直流负载供电。
(5) 设备箱。设备箱可选择双层箱、单层箱两种配置, 两种配置在外层构造、材质及主体设计上基本一致, 结构设计上能改善原设备箱在通风、散热、排水、防雨等方面的性能, 有效保证设备箱内置设备的安全。双层箱方案比单层箱方案增加了隔热层, 其通风散热效果更加显著, 在自重及造价方面较单层箱方案也同样有所增加。配置时根据现场站点实际环境情况进行选择, 对散热要求更高的应选择双层箱方案。
2.2 实时通信链路
监测终端采用公网GPRS/CDMA无线传输模式, 将采集器内水位数据信息发送给监测中心, 并在显示屏上呈现, 应支持实时在线和按需在线多种工作方式, 如:定时上下线和设备唤醒, 保障数据安全可靠。还能按需进行数据传输, 节省电量及通信费用。
2.3 数据中心与发布平台
由数据中心统一接收水位与桥下净空高度数据信息, 进行综合处理, 据历史数据动态分析、比对、研判, 形成指令数据, 以直观图标模式呈现在系统平台上, 数据中心可利用对外发布系统, 例如航道L E D大屏提醒、A I S消息预报、V H F广播等方式及时将水位水情信息传达给船舶。
3 系统功能
3.1 数据采集
系统应具有安装在桥梁的硬件监测设备, 测量水位与桥梁结构最低端的净空高度, 为船舶安全通过桥梁提供助航信息。监测设备应具有前端水位与流速采集探头、仪表、通信模块、供电 (太阳能电子板、锂电池) 等数据采集与生成功能。设备安装于露天工作环境, 并且应具有防雷、防水、防尘等防护设施, 以保证这些设备的长效运行。
3.2 数据传输
数据传输功能分为两个部分。第一部分是从监测站到数据中心, 目前我国内河高等级航道桥梁区域均应有公众移动通信网络覆盖, 在监测终端的RT U模块可以利用G PR S/C D M A向数据中心发送水位与桥梁净空高度数据信息, 若航道处于偏远地段, 无法得到公众移动通信网的有效覆盖, 也可以采用北斗的RDSS短报文传输模块进行传输。除此之外, 系统的设计应具有较高的可靠性, 在系统故障或事故造成中断时, 能向中心提供相关报警信息, 自启动备储功能, 并确保数据的准确性、完整性和一致性, 具备迅速恢复的功能, 同时系统具有一整套完成的系统管理策略, 可以保证系统的运行安全。第二部分是数据中心到相应分支管理机构以及船舶终端的信息传输, 采用VHF、AIS网络或其他播发方式直接推送给船舶用户。
3.3 数据处理与发布功能
系统应具备相应的软件平台, 并能在GIS平台上显示对应位置桥梁的实时水位流速数据, 数据监控中心将接收到的数据存储到水位与桥梁净空管理数据库中, 系统可实现航道水位及桥梁净空高度数据的实时远程观测, 提供水位及流速数据信息查询、分析应用, 同时具有水位自动预警功能, 对内能够为通航管理部门提供及时的数据信息和决策支持。此外, 可以在对外服务平台上进行数据的发布。
4 结束语
本文所述基于桥区的水位与流速监测系统, 适用于内河航道桥区众多, 且桥梁建设年代较远, 桥区通航净空高地较低, 水流流速流态易变化的通航水域。系统采用较简易的装置与设备, 通过实时监测, 实现对航道水情信息的及时预警与发布, 保障船舶航行安全, 有效提高我国内河航道的助航服务。
参考文献
[1]张忠远.智能水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2008
[2]徐航.基于GPRS的水库水位实时监测系统的研究[D].江西理工大学, 2012
[3]耿晓明.无线数据传输水位监测仪的研究[D].南京理工大学, 2009
水位监测仪 篇6
一般的稻田水位检测都是每块田地安装一个独立的检测单元, 需要工作人员定时到现场去查看水位及历史纪录, 而且大部分都是采用市电供电。这种检测仪器安装困难, 后期使用成本高。为了解决以上问题, 本设计采用stm32单片机为控制核心, 利用太阳能电池板供电以解决偏远地区供电困难问题;采用GPRS网络将远程测得的数据传输到后台服务器进行统一管理, 克服了偏远地区没有以太网等网络覆盖的问题, 解决了以往需要派遣大量的劳务人员不间断地到不同区域观测稻田水位所造成的大量劳动力的浪费, 除此之外, 稻田的水位信息还能够被实时采集和存储, 以便对特殊情况及时做好预处理。
2. 系统总体设计方案
本文设计的稻田水位监测系统整体框图如图1所示。该系统由STM32单片机模块、TFT彩屏、GSM通信模块、水位传感器、太阳能充电模块等部分组成。系统通过STM32单片机内部集成的A/D模块将水位传感器采集到稻田水位信息转化为微处理器能够处理的数字量, 用TFT彩屏显示实时水位信息供现场人员查看, 间隔地将采集到的信息通过GSM模块经GPRS网络传输到服务器后台供平台应用统一存储、管理和分析稻田水位情况。此系统采用的是太阳能供电。
3. 硬件电路设计
3.1 水位传感器电路设计
水位测量模块的电路如图2所示。电阻式水位传感器是模拟传感器, 可以将水深的模拟信号转化为电信号, 其结果仍然是模拟电信号。P1的1、2、3端口分别接单片机A/D通道, 系统的3.3V电源。R1和D1构成电源指示电路来指示此模块是否接通电源。R3、R4、Q1、R2构成放大电路, 用来将由水位变化引起的R4的电阻阻值变化放大后供单片机的A/D通道进行模拟量到数字量的转换。
3.2 供电电路
本设计支持220V交流供电及太阳能加锂电池供电。有市电的地区可以直接选择接入市电;而针对不具备供电条件、环境潮湿、对水位数据实时性要求不高的监测场合, 可以采用太阳能加锂电池供电, 电路如图3所示。图中B+, B-端分别接太阳能电池板正负极, P+, P-端分别接蓄电池正负极。当电芯通过外接的负载进行放电时, 电芯电压将逐渐降低, 同时DW01?将实时监测电芯电压, 当电压下降到约2.3V时, DW01?将认为电芯电压已处于过放电电压状态, 电路就会切断蓄电池放电电路, 防止蓄电池过放。当电池通过充电器正常充电时, 随着充电时间的增加, 电芯的电压将越来越高, 当电芯电压升高到4.4V时, DW01将认为电芯电压已处于过充电电压状态, 充电电路就会切断电池板到蓄电池的供电电路, 防止蓄电池过充。短路保护是过电流保护的一种极限形式, 其控制过程及原理与过电流保护一样, 短路只是在相当于在P?P-间加上一个阻值小的电阻 (约为0Ω) 使保护板的负载电流瞬时达到10A以上, 保护板立即进行过电流保护。系统采用两种方式供电很好地解决了水位监测设备的现场供电问题, 且功耗低、体积小、防水性能好, 安装维护非常方便。
3.3 TFT液晶显示及其驱动电路设计
为了降低功耗, 延长电池的供电时间, 本设计使用TFT彩屏显示数据信息。stm32f103单片机与TFT彩屏之间采用FSMC接口连接。FSMC_D[0:15]提供LCD控制器的数据总线接口;FSMC的Noe引脚连接到TFT液晶的LCD控制器的Rd引脚上;FSMC的New引脚连接到TFT液晶的LCD控制器的Rw引脚;FSMC的Ax引脚 (用于选择是寄存器LCD显示还是Ram空间) 连接到TFT液晶的LCD控制器的Rs引脚。
3.4 GSM模块电路设计
SIM900 GSM模块是新一代GSM/GPRS双模模块, 它采用紧凑型设计, 为用户提供了简单、内嵌式的无线GPRS连接。电阻R7, R8和电容C11, C12组成阻抗匹配电路可以有效的匹配阻抗, 增强天线信号。C9, C10, CA3, CA4, CA5组成稳压电路, 可以稳定SIM900的输入电压, 提高SIM900模组工作的稳定性。R16, R17, R18, R19, R20, R21, R22, R23电阻主要作用是阻抗匹配, 以抑制信号终端反射。如图4所示。
4. 软件设计
4.1 水位监测设计
系统每隔30分钟启动单片机里的A/D模块将水位传感器采集到的稻田水位模拟信息转换成对应的数字信号显示在LCD (LCD在唤醒的状态下) 上, 并根据传输协议封装后通过GSM模块经GPRS网络发送到后台。本设计在保证监测稻田水位信息实时性的前提下尽可能地降低采集频率可以减少GSM模块流量的使用和系统的耗电。以上水位监测设计的主程序流程图如图5所示。
4.2 低功耗设计策略
为了保障设备在野外只有太阳能供电情况下工作的稳定性和可靠性, 要尽可能地降低整个系统的功耗。本设计的低功耗处理主要集中在以下几个方面:LCD在长时间没有操作的情况下自动熄屏, 但双击屏幕自动唤醒;降低GSM模块向后台发送心跳的频率;只有规定时刻才将CPU从睡眠模式唤醒采集水位信息并发送。
5. 结语
本设计对稻田水位的测量和人工测量进行对比测试。用户通过触屏设置水位采集的频率、GSM模块发送心跳的速率、设备ID和远程IP地址。表1为连续4天进行人工测量和设备测量的分别得到的数据。由此看出所设计的系统测量的数据和人工测量数据基本一致, 满足设计要求。
单位cm
此外, 本设计还具有功耗低 (其待机电流≤50u A/14.4V;采集电流≤5m A/14.4V;发送平均电流≤10m A/14.4V) 、防水性能好 (采用密封防水外壳、防水天线和防水接线盒) 、维护方便 (可远程设置工作参数、远程升级程序) 、接入灵活 (可接入组态软件或用户自行开发的监控软件) 、精度高和使用寿命长等特点。
摘要：本文针对传统稻田水位监测过程中存在的费时费力、供电困难及测试数据不易收集管理等问题, 设计了一种利用太阳能供电, 以stm32f103单片机为主控单元, 通过GSM传递稻田水位监测信息的系统。实验表明该系统依靠太阳能供电能长期稳定工作, 采集的水位信息精度高, 便于收集和管理, 具有较好的应用价值和推广性。
关键词：单片机,水位监测,GSM,通信,太阳能
参考文献
[1]王海燕, 杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用.中国学术期刊, 2012:161-227.
[2]孙晓燕.基于8051单片机的交通灯控制系统设计与模拟[J].南宁职业技术学院学报, 2007年03期.
[3]孟宪伟.基于Proteus软件的教学方法研究和实践[J].鸡西大学学报.2012 (07)
[4]杨小印.浅谈我国环境监测仪器的发展现状[J].中国刊, 2009:26 (4) :36-42.
水位监测仪 篇7
1 主要研究内容
本文研究的工作主要包括以下4个方面:系统数据流分析、移动水位监测的原型系统设计及研制;野外数据采集单元及中心处理单元系统设计及研制;理论模型分析和研究;系统综合测试。根据这几个方面的主要研究内容, 分析了系统功能, 设计了野外观测单元及中心单元的组成及相互关系, 给出了系统工作的简要流程。
对于监控中心单元, 数据发送出去后, 在中心单元需要实现对数据的接收。编制程序对加密的编码进行解密处理, 并对水位数据进行综合管理。
2 测量系统设计
2.1 野外数据采集单元设计
2.1.1 GPS单元
GPS是野外数据采集单元的核心。为实现对水位的准确、机动采集, 并简化系统内容, 达到高精度水位测量目的, 研究中采用的GPS单元为中海达V8CORS RTK系统, 该系统为双频GPS接收机, 该接收机具有精度性能稳定的特点, 可全面无缝地兼容CORS系统。
2.1.2 天津CORS系统
连续运行GNSS参考站 (Continuous Operational Reference System简称CORS) 也称为永久参考站, 是由一个或若干个固定的连续运行GNSS参考站组成, 并将卫星导航定位技术、现代计算机管理技术、数字通讯技术和互联网技术集于一体的系统。与传统的RTK技术相比较, CORS具有独特的优势:
1) 具有跨行业特性, 可面向不同类型的用户, 不再局限于测绘领域及设站的单位与部门;
2) 可同时满足不同需求的用户在实时性方面的差异, 能同时提供RTK、DGPS静态或动态后处理及现场高精度、准实时定位的数据服务;
3) 能兼顾不同层次的用户对定位精度指标要求, 提供覆盖米级、分米级、厘米级的数据。
系统采用天津CORS系统作为定位系统。天津市GPS连续运行参考站网的网络RTK测量的空间三维位置精度优于±0.028 m, 在系统覆盖范围内定位结果精度高精度分布相对均匀。
2.1.3 手簿软件设计
中海达V8CORS RTK接收机采用Q5GIS数据采集器, 常用的功能不能满足项目需要的水位采集功能。为此, 研制了适用于本项目的手簿数据采集软件系统。设计的手簿软件基于windows mobile嵌入系统, 为提高软件的处理速度和稳定性, 采用VC++语言进行设计, 软件系统具备如下功能:
1) 坐标转换参数。系统为坐标转换提供了4参数和7参数模型, 将CORS所得的WGS84转换成北京54坐标。
2) 高程转换。CORS测量数据是基于WGS84的大地高程, 而水位测量需要的是1985国家高程, 为了实现转换, 程序设计了2种转换方式, 分别为直接输入和建立模型。在技术设计的理论研究中, 借助GPS/水准点, 构建了2次多项式模型, 并对该模型进行了检验。
3) 数据采集参数设置。为保证水位数据采集的质量, 测量时对卫星高度角、几何强度因子PDOP值以及平面和高程定位精度等基本GPS定位参数进行了设置。此外, 对数据采集间隔也进行了设置。数据采样采用如下设置方式:自动采集和人工设置。并对定点水位测量进行滤波处理, 如图1所示。
为便于中心系统对其进行识别, 手簿程序部分设计了属性输入功能, 并根据精度要求输入平滑时间、dx、dy和dz定位精度要求指标。
2.2 中心处理系统设计
中心监控系统主要完成以下工作。
2.2.1 实时数据接收显示
野外观测数据在中心端可通过如下两个途径显示:即文本框和数据库。且被接收到的所有数据均将被追加入数据库中
2.2.2 流域和水位监测位置显示
流域和监测位置显示系统主要完成整个流域分布及当前水位监测位置。为实现该功能, 启用了天津市电子地图。并对电子地图进行配准。
2.2.3 数据库系统设计
数据库设计采用通用的Access数据库。此外, 数据库设计了检索功能, 可根据检索条件, 如时间、监测点、断面等信息进行检索并回放。
3 数据质量控制方法研究
测量数据的质量控制是移动测量系统水位获取的重要保障, 通过严密的质量控制保证数据的准确性和有效性。
3.1 质量控制
本项目数据质量控制采用二级控制。
3.1.1 第一级控制
即对原始观测数据进行质量控制。GPS定位结果输出的NMEA 0183数据格式中包含了定位状态参数, 对于非RTK定位解, 在手簿软件中对其进行了滤波处理, 确保高精度定位结果的可靠。对定位数据进行一级质量控制:
1) 定位状态:非RTK定位数据将被滤除;
2) PDOP:PDOP小于3的记录将被滤除;
3) 定位精度:定位精度低于5cm的RTK解将被滤除。
完成一级控制后, 数据将编码发送到指挥控制中心。
3.1.2 第二级控制
由于GPS从非RTK状态到RTK状态的过度时间段内, 可能标定的状态为RTK状态, 但定位质量依然较差, 有时甚至出现系统性偏差。为此本文研究了二级控制算法, 即根据测量对象, 数据质量控制采用两种方法来实现:对于定点水位测量, 采用2σ原则来实现滤波;对于连续断面水位测量, 采用Kalman滤波来实现质量控制。
3.1.2. 1 定点水位测量中的滤波方法
定点水位测量的特点是:较短时间内 (1~5min) 水位基本不变, 而在此期间, 按照1 Hz的采样频率, 定位数据多达60~180个, 因此, 可以借助2σ原则对其进行滤波处理。
若水位观测序列为{hj, (i=1, 2, 3, …, m) }, 则2σ滤波公式为
其中
3.1.2. 2 连续断面水位测量中的水位滤波方法
由于断面水位测量中水位存在变化, 因此, 借助Kalman滤波对连续观测高程序列进行滤波处理, 消除粗差的影响。
基于上述观测方法和状态方程, 借助Kalman滤波进行解算, 可实现对连续水位测量数据的处理。
3.2 坐标转换模型构建
由于系统基于CORS进行测量, 而项目需要的坐标系统为北京54坐标系统, 因此, 需要转换参数, 实现实测的WGS84坐标向北京54坐标的转换, 用于成果的最终表达。
由于测区较小, 本文采用四参数进行坐标转换。利用下式实现WGS84向BJ54坐标转换。
式中:Δx和Δy分别为平移参数, θ为旋转角, m为尺度因子。
3.3 高程转换模型构建
CORS定位直接提供的是基于WGS84大地高, 而水位测量需要的是1985国家高程或大沽冻结高程系统, 为此, 需要将系统实测的大地高转换为工程项目需要的高程系统。
为了实现高程转换, 建立如下模型拟合WGS84椭球面到似大地水准面或大沽冻结高程基准面间的分离量, 公式为
其中:ξ为GPS水准点上两基准面的分离量。
若h为实测大地高, H为需要的高程, 则公式为
(ΔB, ΔL) 为各个GPS测点 (B, L) 相对测区中心 (B0, L0) 的坐标偏差量, 可由下式获得
式中:n为GPS水准点个数。
4 系统测试
为了检验原型系统、软件以及研究理论算法的稳定性和正确性, 在天津市的入海河流中进行试验。
4.1 通讯试验
通讯是本系统的核心, 稳定可靠的通讯是确保野外数据传输的重要保障。
为检验系统通讯的稳定性, 在下列情况下实施了多次、不同环境下的通讯试验:信号较弱区域;自动和手动数据采集;高发射率和低发射率。
通过多次的实地试验, 数据通讯流畅, 即使在数据采集过程因操作失误出现网络断开, 手簿也给出了提示功能, 并依据网络的“握手协议”来实现网络重新连接, 确保客户端与服务器的实时连接, 如图2、图3所示。
4.2 模型精度评估
4.2.1 坐标转换模型
首先, 对沿河流均匀分布的23个点进行四参数计算, 这23个点同时具有WGS84坐标和BJ54坐标。
其次, 利用所得四参数, 转换已知点上实测的WGS84坐标, 并与实际的BJ54坐标进行比较, 比较结果如表1所示。对上述统计结果进行误差统计, 坐标转换的点位精度达到了1.1cm, 完全满足实际需要。
4.2.2 高程转换模型精度
对利用沿河流实测的GPS水准点数据获得测区似大地水准面模型, 利用表2中的水准点进行外部检核, 模型所得正常高hM与实际高程h0比较, 如表2所示。
从表2可以得出, 正常高差值得出的似大地水准面模型的精度为2.41cm, 完全满足实际应用的精度要求。
4.3 软件系统测试
整个软件系统包括两个部分, 即野外手簿软件和中心客户端软件。
4.3.1 野外手簿软件
野外手簿软件设计的数据采集、滤波、坐标转换及高程拟合等模块在试验中得到了检验, 如图4所示, 结果表明, 手簿软件操作方便、精度高, 通讯顺畅, 数据误码率低。
4.3.2 中心客户端软件
客户端中心处理软件系统在通讯、数据处理、显示、数据管理与输出等几个方面进行了实验, 软件通讯连续通畅。在数据处理方面能够根据数据质量有效剔除不符合条件的观测数据, 坐标转换及高程拟合精度高, 结果准确可靠。在主界面显示方面, 能准确显示通讯状态, 实时显示当前测点位置和客户端发送的数据信息。
此外, 程序的地图操作工具栏和“鹰眼”功能可以实现快速地对目标区域进行查看, 提高地图的操作效率, 如图5所示。对利用GPRS实时传送来的观测记录, 系统将直接录入到数据库管理系统中。
数据库存储数据和图形窗口是对应的, 对于一个新的记录, 程序判断该记录属性是否存在。若为同一点监测记录, 程序将更新电子地图上记录的信息内容, 并将追加到数据库系统中, 程序还提供了检索功能。
右键单击此区域会弹出一个“请输入检索条件的对话框”, 此部分会根据检索条件从数据库中提取出满足检索条件的数据, 并将数据显示在此区域中, 可以用作历史数据的回放 (见图6) 。
5 结语
通过对硬件系统和软件系统的研制, 形成了基于CORS的移动水位测量系统, 系统在稳定性、可靠性以及适用性等方面满足了水位机动测量的需要, 其作业模式为一种全新的水位监测模式, 具有全天候、机动性、高精度等特点, 是当前水位监测方法的有力补充。在理论研究的基础上, 设计的内外业数据处理、管理和显示软件系统, 具有便于信息直观掌握、指挥调度、界面美观、操作简单, 可靠性强等特点, 也为多流域水位监控和调度提供了条件。
参考文献
[1]姜文刚, 尚婕, 邓志良.内河水位远程网络监控系统的研究与设计[J].华东船舶工业学院学报:自然科学版, 2005, 19 (3) :51-52.
[2]万紫, 刘江, 徐庆华, 等.基于多源空间数据的河道水域变化监测方法研究[J].测绘工程, 2014, 23 (5) :37-41.
[3]薛大龙, 陈世帝, 王韵.Windows CE嵌入式系统开发[M].北京:电子工业出版社, 2008.
[4]李书群, 高飞, 吴兆福, 等.单基站CORS在电网GIS数据采集中的应用[J].测绘工程, 2013, 22 (1) :59-62.
[5]文国仓, 李静兰.数学科学与测量数据处理[J].科技创新导报, 2011 (27) :175-175.
[6]刘志强, 刘全海, 王解先, 等.城市CORS参考站稳定性监测与区域地表变形分析[J].测绘工程, 2013, 22 (4) :80-84.
[7]杨正江.平面四参数法坐标转换技术在测量中的应用探讨[J].科技论坛, 2005 (15) :124-124.
水位监测仪 篇8
我国地下水占水资源总量的三分之一,年供水量占总供水量的近20%,在支撑经济社会发展中具有重要作用[1]。大规模地下水开发造成局部地区地下水超采,诱发地质灾害。如:地面沉降、地裂缝灾害等。
如今我国对于地下水位的监测,大部分监测点仍以传统的人工定时测量方法(电表、测钟、测绳等)为主,因而对于某些突发性的地下水位异常不能起到很好的预警作用,同时也会占用大量的人力,且存在人为误差,因此实现地下水位重点监测点的自动监测有利于提高各种地质灾害的预报、预测。
采用ARM作为主控器能够降低功耗,并为建立无线网络通信奠定了基础,使系统更高效、可靠。
1 设计方案
1.1 方案概述
此系统的基本设计思路是:前端利用差压式传感器MPX5100DP采集原始信号,经调理放大后,送入主控制器LM3S615,经内部AD转换等处理后,通过无线通信模块PTR8000发送到室内监控室,PTR8000接收端接收到数据后,在控制器的控制下,通过串口RS232发送到上位机,人机界面通过Lab VIEW软件实现,可以对数据进行处理、显示及存储等。系统框图如图1所示。
此系统主要包括电源模块、信号调理模块、ADC模块、LCD模块、无线发射模块、无线接收模块、串口通信模块以及上位机模块等8个部分。发射端电源因为要在野外工作,由12V电瓶供电;接收端电源采用USB供电。信号调理模块主要包括调零电路、多档放大电路、低通滤波电路。ADC和LCD模块分别采用LM3S615内置的10位AD和LM3S615开发板上的配套LCD。无线发射接收模块采用PTR8000模块,半双工工作方式。串口通信模块有LM3S系列第一款控制器LM3S101来控制通信。上位机界面采用LabVIEW软件编写。
1.2 信号采集
(1)压力传感器
MPX5100DP是一种集成硅压力传感器,自带片内信号调理功能和温度补偿功能,输出为高精度模拟电压信号。该传感器特别针对带内置A/D的微控制器。压力范围为0～100kPa,对应水位范围为0～10m,满量程输出为4.7V,灵敏度为45mV/kPa。图2为MPX5100DP的实物图和推荐退耦电路。
MPX5100DP的上部有两个孔:P1孔为压力孔,直接与水接触;P2孔为真空孔,通入空气。电压的变化与P1和P2的差值P的变化成正比,MPX系列被设计成正压式传感器,即P1>P2,P=P1-P2。
(2)信号调理电路设计
当P1=P2时,传感器有个固定偏移电压约为200m V,设计电路时,设计一个减法器将其减掉,每次测量前通过调节可变电阻,使传感器输入为0时,输出电压也为0。设计两档(×1,×10)对传感器输出电压进行放大,这里选用低噪声、低偏移电压的OP27,并且选用了精密的放大电阻18k和2k,保证信号放大倍数的准确。在实际测试前,调节调零电路使输出为零[3]。
用多路选择芯片74HC4052完成对传感器输出电压量程的选择。蓄电瓶供应+12V直流电压,经7805转换为+5V电压,ICL7660将+5V电压转换为-5V电压,为OP27提供正负供电电压。信号调理电路如图3所示。
1.3 控制器
选择LM3S615微控制器,其具有以下产品特性:32位RISC性能、内部存储器、通用定时器、可遵循ARM Fi RM规范的看门狗定时器、同步串行接口(SSI)、UART、ADC、模拟比较器、I2C、PWM、GPIO、灵活的复位源、工业范围内遵循RoHS的48脚LQFP封装等等[4]。
LM3S615最小系统,主要包括电源、复位电路、晶振、JTAG以及防JTAG失效电路等。最小系统如图4所示。
1.4 LCD显示模块
本次设计直接采用EasyARM开发套件上提供的字符型LCD显示屏TH3144,该LCD通过NXP公司的PCF8562LCD驱动芯片驱动。PCF8562是一种通用的外围器件,能为任何微控制器/微处理器以及多种LCD提供接口。它能直接驱动任意静态或包含4个背极以及最多32段的复用LCD。用于驱动TH3144仅需使用S0～S10 11个段和BP0～BP3 4个背极。单片机通过两线的I2C总线通讯通道与PCF8562通信。I2C字符型LCD显示电路以及I2C存储电路如图5所示。
1.5 无线通信模块(PTR8000)
选用无线通信模块PTR8000,它以nRF905无线收发芯片为核心,由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体震荡器和一个调节器组成。
(1)主要特点
高性能嵌入式无线模块,多频道多频段,1.9～3.6V低电压工作,待机功耗2μA;超小体积,内置环行天线,性能稳定且不受外界影响;工作方式为半双工,频道切换时间小于650μs,内置PCB天线,开阔地传输距离约100m左右。
(2)硬件接口
1)模式控制
模式控制接口由TRX_CE、TX_EN、PWR组成,控制PTR8000的四种工作模式:a.掉电和SPI编程模式;b.待机和SPI编程模式;c.发射模式;d.接收模式。各种模式的控制模式见表1所示。
2)SPI接口
SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN组成。在配置模式下,单片机通过SPI接口配置PTR8000的工作参数;在发射/接收模式下,单片机SPI接口发送和接收数据。
3)状态输出接口
提供载波检测输出端口CD、地址匹配输出端口AM、数据就绪输出端口DR。
1.6 上位机界面设计
水位监测系统界面采用LabVIEW软件进行设计。LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数[5]。图6为设计的系统界面。
2 系统测试结果及分析
系统测试方法为:模拟地下水环境,在水深约为2米的水槽中进行测试。测试前将传感器接入,在不放入水中时,调节可变电阻使得系统显示水位为0cm,取定量的水槽水样进行标定。表2为实验数据,其中h1为标尺读数,h2为显示读数。
图7中纵坐标是传感器输出电压值Vout(单位:V),横坐标为水位h(单位:cm),由图可以看出传感器输出电压与水位呈现良好的线性关系。由于不同的地方重力加速度和地下水密度都不完全相同,在每次测量时,可以测量一组数据,计算出系数,在软件中进行矫正后再次测量,达到预定的目的。
从实验数据可以看出显示的水位深度与标尺读数存在着误差,分析产生误差的主要原因为[6]:a.读取卷尺数值时,存在人为的误差;b.从传感器到数据采集模块之间导线对信号的损耗。
3 结论
本文利用LM3S615控制器对信号进行处理并通过LCD显示,控制PTR8000无线模块对数据进行实时发送,上位机接收到信号后,通过串口传输给PC机,利用LabVIEW软件对数据进行处理存储,并绘制出实时水位曲线。本系统具有可靠、方便快捷等优点,减轻了观测人员的劳动强度,且能实时准确地提供当前水位信息,为决策者提供可靠的依据。适合于水库、地下井等水位的监测,具有广泛的应用领域。
图7传感器输出电压与水位关系曲线(参见右栏)
参考文献
[1]张瑞,吴林高.地下水资源评价与管理[M].上海:同济大学出版社,1997.
[2]陈明.SAW压力传感器的理论计算及推导[J].传感器技术,1994(4):35-40.
[3]康华光,等.电子技术基础·模拟部分(第四版)[M].北京:高等教育出版社,1999.6.
[4]周立功,等.EasyARM615实验教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.9.
[5]黄松岭.虚拟仪器设计基础教程[M].北京:清华大学出版社,2008.