趙斌，匡麗紅，黃操軍，任守華

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶163319）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對地下水的需求也急劇增長，目前我國每年開采的地下水總量超過1 000億m3[1]。過量開采地下水引起的地面沉降和生態(tài)環(huán)境惡化，對人們的生產(chǎn)、生活會(huì)造成巨大的危害，而且極大地影響和制約著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。黑龍江墾區(qū)建三江分局利用地理優(yōu)勢，大力發(fā)展水稻種植，水田面積占該分局耕地面積的60%以上，80%灌溉用水來自地下水，由于盲目開采地下水資源，造成地下水開采過度，據(jù)統(tǒng)計(jì)1996年因地下水資源短缺，灌井停泵600多個(gè)[2]。但合理地開采地下水不僅可以有效地緩解供水不足的問題，帶來一系列生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益，而且通過適當(dāng)降低地下水位，可有效防治土壤鹽堿化，有利于提高防洪、排澇標(biāo)準(zhǔn)。而合理規(guī)劃和利用地下水資源，必須對地下水變化進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測。

水位測量是灌區(qū)測水量水工作的最基本要素之一。歐美、東亞地區(qū)的很多國家依靠良好的技術(shù)基礎(chǔ)、雄厚的資金等，在水位測控技術(shù)和設(shè)施上比較先進(jìn)。中國雖在20世紀(jì)90年代研究取得一定的進(jìn)展，但在解決水位自動(dòng)化監(jiān)測問題上，還落后于世界發(fā)達(dá)國家。目前國內(nèi)常用的水位觀測設(shè)備有：浮子式、壓力式、氣泡式、電容式、超聲波及激光測距水位計(jì)等[3～7]，由于大多數(shù)水位觀測站都建在自然條件較差的地方，以上傳感器的抗干擾能力差、信號不能遠(yuǎn)距離傳輸，在使用中普遍存在可靠性低的問題。

根據(jù)建三江管局的地理環(huán)境特點(diǎn)，觀測點(diǎn)分散、距離遠(yuǎn)、無法使用動(dòng)力電的情況，設(shè)計(jì)了一種低功耗的水位遙測系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，該系統(tǒng)測量精度高，測點(diǎn)易組網(wǎng)，覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

鑒于測量點(diǎn)偏遠(yuǎn)、分散的特點(diǎn)，采用了集散控制思想，以管局的下轄農(nóng)場為單位，每個(gè)農(nóng)場的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)分為上位機(jī)系統(tǒng)和多個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)負(fù)責(zé)集中管理各個(gè)下位機(jī)的工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的報(bào)表、繪圖等處理任務(wù)，并將傳輸來的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)報(bào)送給上級部門，下位機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)電源采用交流市電和太陽能供電的雙電源設(shè)計(jì)，并且下位機(jī)進(jìn)行了低功耗設(shè)計(jì)，由于監(jiān)測點(diǎn)距離中心站遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸采用了G200型GPRS模塊的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信方式，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由微型計(jì)算機(jī)通過接口電路與G200通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，向下位機(jī)發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，各測點(diǎn)的下位機(jī)系統(tǒng)在測量間隙處于休眠狀態(tài)，由上位機(jī)發(fā)送指令激活下位機(jī)的G200模塊，G200模塊喚醒單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的水位數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和存儲(chǔ)。

圖1 水位遙測系統(tǒng)框圖Fig.1 Frame diagram ofwater level remote testing system

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)負(fù)責(zé)水位信息的采集與發(fā)送，電路如圖2所示。水位測量系統(tǒng)的關(guān)鍵是傳感器部分，要求傳感器要具有抗腐蝕、高密閉性、高精度和穩(wěn)定性，常用的傳感器有浮子式、壓力式、傳熱式、導(dǎo)電式、超聲波式和感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器等，浮子式水位計(jì)的弊端是冬季結(jié)冰時(shí)無法使用，而且無法在流動(dòng)的水中測量；傳熱式水位計(jì)測量精度較低；導(dǎo)電式水位計(jì)的傳感器維護(hù)量大；超聲波水位計(jì)具有價(jià)格高、存在測量盲區(qū)的缺點(diǎn)；感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器是一種新型水位傳感器[8]，精度高，但是價(jià)格較高，無法滿足大范圍布點(diǎn)的需求。相比而言，壓力式水位傳感器具有成本低、精度較高、維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)。因此，選擇了以擴(kuò)散硅壓阻式傳感器為核心的PT601型一體化液位變送器，利用水位與水體壓力成正比，將水位變化引起的壓力變化轉(zhuǎn)換為傳感器電阻變化，并由內(nèi)部處理電路將電阻變化轉(zhuǎn)換為4～20mADC，有利于信號的遠(yuǎn)傳，液位變送器的工作溫度-40～80℃，精度為0.1%，只需1根電源線和1根信號線與系統(tǒng)連接。

為了提高測量精度，采用了線性有源高精度隔離變送器T1650D，將輸入的4～20 mADC線性地轉(zhuǎn)換為0～5 VDC，其線性度和精度均為0.1%FS，隔離變送器和水位變送器與系統(tǒng)的連接如圖2所示。水位變送器的電源由單片機(jī)的P1.3口控制，P1.3口控制晶體管9013，集電極控制繼電器DS2Y的線圈電流，從而控制水位變送器的電源供電。

為降低系統(tǒng)功耗和成本、提高系統(tǒng)工作可靠性，水位采集系統(tǒng)核心選用的是STC90C516AD，片內(nèi)集成8路八位AD轉(zhuǎn)換器，正常工作功耗為4～7 mA，掉電模式下的功耗0.1μA以下。在測量空閑時(shí)，單片機(jī)切斷水位變送器電源，使無線通信模塊進(jìn)入省電工作模式，單片機(jī)進(jìn)入掉電工作模式，這時(shí)單片機(jī)只以極低的功耗保存內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，其他部件都不工作，系統(tǒng)功耗只有72mW，當(dāng)上位機(jī)需要水位數(shù)據(jù)時(shí)，主動(dòng)喚醒下位機(jī)系統(tǒng)工作，采集時(shí)間只有5～10 s，功耗2.4W，按照用戶要求，每天采集數(shù)據(jù)2次，系統(tǒng)絕大部分時(shí)間處于省電狀態(tài)，因此，功耗非常低。為了便于系統(tǒng)維護(hù)，設(shè)計(jì)了液晶顯示接口電路，顯示器采用LCD12864，接口電路見圖2，只有在系統(tǒng)維護(hù)時(shí)，才連接顯示器。由于測點(diǎn)位置偏遠(yuǎn)，處于無人值守狀態(tài)，為防止受到干擾，出現(xiàn)程序“跑飛”的情況，在程序設(shè)計(jì)中，采用了“看門狗”復(fù)位功能，監(jiān)視程序運(yùn)行情況，一旦出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

由于大部分觀測點(diǎn)距離中心站較遠(yuǎn)，采用有線傳輸，費(fèi)用高、維護(hù)量大，采用通用的無線RF通信模塊或數(shù)傳電臺(tái)，無法覆蓋如此大的范圍，測點(diǎn)組網(wǎng)難度較大，因此，選用了G200型GPRS模塊，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)65 536個(gè)，能滿足整個(gè)分局的測點(diǎn)數(shù)量要求。省電模式下靜候電流小于6mA，考慮到系統(tǒng)功耗問題，將上位機(jī)通信模塊設(shè)為正常工作模式，所有下位機(jī)的G200模塊設(shè)為省電工作模式，采用應(yīng)答式通信方式，如果10 s內(nèi)模塊無數(shù)據(jù)收發(fā)，自動(dòng)進(jìn)入省電工作模式。

由于網(wǎng)絡(luò)中測點(diǎn)分散，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了交直流雙電源供電方案。在可利用交流市電的場合，交流電經(jīng)過AC-DC電源模塊分別輸出+5 V、+24 V和+12 V直流電壓，分別為單片機(jī)系統(tǒng)、水位變送器和無線通信模塊供電；在偏遠(yuǎn)地區(qū)，采用太陽能電池板和12 V蓄電池供電，12 V電源分別通過穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為5 V和24 V電源，提高系統(tǒng)電源通用性。

圖2 水位遙測系統(tǒng)下位機(jī)電路圖Fig.2 Lowermachine circuit ofwater level remote testing system

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要完成與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理等功能，數(shù)據(jù)通信通過TTL-232轉(zhuǎn)換，與無線模塊G200進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，參數(shù)設(shè)置主要完成G200模塊的通信參數(shù)設(shè)置、采集系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置等，數(shù)據(jù)處理功能包括：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、報(bào)表、打印、繪圖等。上位機(jī)定時(shí)喚醒下位機(jī)，定時(shí)時(shí)間可以在軟件中進(jìn)行設(shè)置，采集的所有數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，以備數(shù)據(jù)查詢使用，數(shù)據(jù)的報(bào)表和繪圖功能模塊用于數(shù)據(jù)的上報(bào)和顯示，所測數(shù)據(jù)為水面對井底的高度，需要通過軟件計(jì)算轉(zhuǎn)換為水位高程，然后以圖形和表格形式顯示，以利于工作人員分析水位情況，確定地下水的合理利用方案。

由于使用WindowsAPI編程非常繁瑣、冗長，在WindowsXP操作系統(tǒng)下Visual Studio 2005.NET編程環(huán)境中使用C#語言編程完成，.NET集成了Serial Port類和Thread類進(jìn)行串口通信與多線程編程，使用編程環(huán)境中的Serial Port類來實(shí)現(xiàn)串口通信功能，Serial Port類為應(yīng)用程序提供了通過串口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法，具有功能強(qiáng)大、通信快速、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，使用Thread類完成多線程編程，數(shù)據(jù)庫模塊采用廣泛使用的SQL Server 2000來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)野外試驗(yàn)

系統(tǒng)野外試驗(yàn)于2010年8月和9月在八一農(nóng)大校園自用井進(jìn)行了試驗(yàn)，一個(gè)上位機(jī)分別管理5個(gè)測點(diǎn)，主機(jī)地址為1000，測點(diǎn)地址分別1001～1005。在安裝水位傳感器前，需要確定測點(diǎn)的零位，采用人工測量井底到水面下8～10m的位置點(diǎn)，為防止人為和外界氣象因素的影響，測量集中在一個(gè)時(shí)段完成，取10次測量的平均值，作為水位零位測點(diǎn)。采用傳統(tǒng)的人工觀測數(shù)據(jù)與系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。采集時(shí)間確定為每天6點(diǎn)和18點(diǎn)，表1為1#井（地址為1001）測量數(shù)據(jù)，取8月16日早6點(diǎn)到8月20日18點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)。由表中數(shù)據(jù)可見，測量誤差最大為0.31 m，相對誤差為0.49%，系統(tǒng)測量誤差能夠滿足工程應(yīng)用要求，測量精度符合中華人民共和國水文測報(bào)的精度要求。

表1 1#井測量數(shù)據(jù)表/mTable 1 Measurement data in 1#observation well/m

5 結(jié)論

經(jīng)過野外試驗(yàn)，灌區(qū)地下水水位遙測系統(tǒng)具有測量精度高，誤差小于0.49%，成本低，功耗低的特點(diǎn)，無需其他附屬安裝設(shè)施，維護(hù)方便，交直流兩用電源可選，測距遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)組網(wǎng)、任意增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（測點(diǎn)），數(shù)據(jù)處理更加簡潔、便利，顯示內(nèi)容更為豐富、直觀。與同類產(chǎn)品相比，具有低功耗、安裝維護(hù)方便、組網(wǎng)簡潔、數(shù)據(jù)報(bào)送更及時(shí)、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以為農(nóng)場的地下水資源開采提供重要的依據(jù)。

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