康修洪，李先哲，肖 英，朱 兵

(1.吉安市水文局，江西，吉安 343000； 2.井岡山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江西，吉安 343009)

我國(guó)是一個(gè)多沙河流的國(guó)家，泥沙問(wèn)題較為突出。在水利水電工程建設(shè)、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律和土壤侵蝕研究、水土流失治理等方面，河流泥沙的測(cè)驗(yàn)是一個(gè)十分重要的課題[1-2]。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)水文水資源信息的采集、傳輸、處理和水文預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)智能化提出了更高要求。近年來(lái)，雨量和水位自動(dòng)采集、傳輸、處理已基本實(shí)現(xiàn)，流量和蒸發(fā)自動(dòng)采集儀器設(shè)備也有較大發(fā)展，而河流泥沙監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備研究一直無(wú)大的突破[3]。

目前，在水文站中普遍使用的自動(dòng)纜道測(cè)流系統(tǒng)均存在進(jìn)水閥密封、信號(hào)控制、與纜道測(cè)流系統(tǒng)整合等諸多問(wèn)題：一是閥門結(jié)構(gòu)不合理，使用中容易銹蝕和被泥沙卡??；二是控制傳輸過(guò)程中，受到纜道運(yùn)轉(zhuǎn)以及周邊環(huán)境帶來(lái)的各種信號(hào)干擾，閥門的開(kāi)啟無(wú)法正確控制，影響采樣結(jié)果[4-5]；三是在岸上控制時(shí)無(wú)法知道閥門的開(kāi)啟狀態(tài)；四是目前使用的儀器為單根管徑采樣，在完成一個(gè)采樣周期后，關(guān)閉閥門到下一個(gè)采樣周期閥門打開(kāi)前，破壞了管中水流狀態(tài)，并在管中會(huì)殘余泥沙，影響最終含沙量的檢測(cè)精度。為解決上述問(wèn)題，本文開(kāi)展了測(cè)沙自控儀的研制。

1 纜道測(cè)沙自控儀整體設(shè)計(jì)

基于嵌入式系統(tǒng)的纜道水文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由主控制臺(tái)端和沉入水下的泥沙采樣端兩部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

主控制臺(tái)端以ARM9 S3C2401處理器為核心，岸上雙音頻通訊模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、纜車控制、與 PC機(jī)的接口共同組成。泥沙采樣端以89C52單片機(jī)為核心，水下雙音頻通訊模塊、雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥、流量計(jì)、位置傳感器組成。ARM9 S3C2401處理器負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令、記錄和和顯示各項(xiàng)測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)，鍵盤用于調(diào)整采樣時(shí)間參數(shù)，纜車將裝有泥沙采樣端的鉛魚(yú)送入指定的水中位置；89C52單片機(jī)負(fù)責(zé)接收采樣時(shí)間、控制雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥開(kāi)啟和關(guān)閉，位置傳感器提供水面信號(hào)、河底信號(hào)，流量計(jì)提供河水瞬時(shí)流速信號(hào)；岸上雙音頻通訊模塊和水下雙音頻通訊模塊負(fù)責(zé)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送和接收。

2 雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門設(shè)計(jì)

針對(duì)閥門結(jié)構(gòu)不合理，使用中容易銹蝕和被泥沙卡住的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門。

雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門按照河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求設(shè)計(jì)，通過(guò)水文纜道的水平和垂直運(yùn)行準(zhǔn)確定位，用雙音頻信號(hào)無(wú)線信號(hào)控制器控制水下采樣器閥門的開(kāi)關(guān)，測(cè)取斷面各位置，不同水深的水樣，為準(zhǔn)確分析出斷面含沙量及輸沙率提供保證。設(shè)計(jì)制作的雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門，已獲中國(guó)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)枺?00920142120.X)，如圖 2所示。

圖2 雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Double tube double steady water samples the valve structure

該閥門由頂座(1)，彈簧(2)，壓桿 1(3)，壓桿2(4)，鉸鏈(5)，穿橡膠管圓孔 1(6)，穿橡膠管孔 2(7)，鐵(8)，線圈1(9)，線圈2(10)，定向連接器1(11)，定向連接器 2(12)，底座(13)，滾珠(14)，狀態(tài)傳感器(15)組成。由于水道采用Y型雙管，接收到控制端的采樣信號(hào)后，設(shè)備打開(kāi)采樣器管道，關(guān)閉另一管道，含沙水流流入采樣瓶或皮囊，采樣結(jié)束時(shí)發(fā)送關(guān)閉信號(hào)，設(shè)備打開(kāi)通向河流下游管道，關(guān)閉采樣管道，含沙水流流入河內(nèi)，管中基本沒(méi)有殘留積沙，水流接近天然流速，較少干擾天然流態(tài)。同時(shí)，狀態(tài)傳感器將設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)時(shí)直觀地顯示在控制端。

3 纜道測(cè)沙自控儀控制系統(tǒng)

3.1 信號(hào)傳輸

本系統(tǒng)有水面位置信號(hào)、河底到達(dá)位置信號(hào)、采樣器工作控制信號(hào)、流速數(shù)據(jù)信號(hào)等?，F(xiàn)有的信號(hào)傳輸方式有脈沖方式、無(wú)線通訊方式、單音頻方式。脈沖方式是一種時(shí)域處理方法，它用脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)表示號(hào)碼數(shù)字，遇到雷電，洪水，暴雨等環(huán)境，可靠性差；無(wú)線通訊方式的功率要求大，受體積的影響，使用的電池容量有限，使用時(shí)間不夠完成 1次完整取樣，且天線必須露出水面，一般不使用；單音頻方式只有一種頻率的信號(hào)，對(duì)于一般性的干擾就容易造成誤判[6-8]。因此，本儀器采用雙音頻通訊方式。

為了滿足500-1000 m河寬通訊要求，本儀器采用500-2000 Hz范圍的音頻頻率，采用MT5087雙音頻編碼芯片和MT8870雙音頻解碼芯片作為雙音頻信號(hào)的發(fā)生器與接收器，完成信號(hào)的傳輸。將音頻的高端和低端搭配，采用4×4的矩陣編碼，共有16種組合，每種組合代表一個(gè)數(shù)字。

3.2 處理器的選擇

岸上系統(tǒng)處理器選STC89C58RD，水下系統(tǒng)處理器選89C52單片機(jī)。在傳輸過(guò)程中信號(hào)需要放大，選用 SPY0030A IC音頻功率放大器將雙音頻信號(hào)放大。在數(shù)據(jù)顯示和人機(jī)交互界面方面采用具有多功能 LCD1602液晶顯示屏，在數(shù)據(jù)的保存方面采用U盤讀寫模塊將數(shù)據(jù)從單片機(jī)中讀入U(xiǎn)盤并自動(dòng)建立Excel文件；同時(shí)還能增加和計(jì)算機(jī)對(duì)接的功能，將數(shù)據(jù)直接輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行控制，升級(jí)空間非常大，具有很強(qiáng)的人性化設(shè)計(jì)。

3.3 接口擴(kuò)展芯片的選擇

選擇74HC573D鎖存器來(lái)擴(kuò)展單片機(jī)的I/O端口，由于單片機(jī)本身的24個(gè)I/O端口不夠用，因此用2塊74HC573D使接口擴(kuò)展至40個(gè)，這樣才能滿足系統(tǒng)要求，此款鎖存器具有低功耗，低成本，易用，易控制等優(yōu)點(diǎn)?；诙喾矫娴木C合考慮和分析，選擇74HC573D作為接口擴(kuò)展芯片。

3.4 人機(jī)交互顯示模塊

人機(jī)交互功能對(duì)于產(chǎn)品非常重要，是體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，其中顯示和控制是主要體現(xiàn)。在顯示方面采用 LCD1602液晶作為數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)顯示界面，在控制方面采用鍵盤來(lái)輸入控制信號(hào)，而單片機(jī)的實(shí)時(shí)程序檢測(cè)鍵盤的信號(hào)。因此用鍵盤操作給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)了更為人性化的理念。

3.5 水面、河底失重信號(hào)

水面信號(hào)是指流量監(jiān)測(cè)裝置下到水面的瞬間，提供給岸上控制端計(jì)算裝置在水下位置的起點(diǎn)信號(hào)。該水面信號(hào)由水介質(zhì)接觸開(kāi)關(guān)信號(hào)完成，單片機(jī)的P1.0腳和正極電源兩個(gè)極板，單片機(jī)設(shè)計(jì)成中斷狀態(tài)，當(dāng)鉛魚(yú)入水時(shí)，兩接觸點(diǎn)導(dǎo)通，即給單片機(jī)P1.0腳一個(gè)高脈沖，單片機(jī)進(jìn)入服務(wù)程序，發(fā)出“入水”信號(hào)；出水時(shí)，極板斷開(kāi)，即給單片機(jī)P1.0腳一個(gè)低脈沖，單片機(jī)進(jìn)入服務(wù)程序，發(fā)出“出水”信號(hào)。

纜道測(cè)沙自控儀雙音頻通信控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 雙音頻通信控制系統(tǒng)電原理圖Fig. 3 Double audio communication control system electric schematic diagram

4 工作原理

從節(jié)約和實(shí)用的角度考慮，擬利用纜道鋼絲循環(huán)索構(gòu)成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸回路，最大限度地利用現(xiàn)有設(shè)備，如圖4所示。

圖4纜道基本結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Cableway basic structure

其工作過(guò)程是，將包含流量計(jì)在內(nèi)的流量監(jiān)測(cè)裝置安放在纜道鋼絲循環(huán)索上的鉛魚(yú)中運(yùn)行，運(yùn)行到預(yù)先設(shè)計(jì)的垂線位置后放入河水中，入水瞬間將產(chǎn)生的下水信號(hào)傳輸?shù)桨渡峡刂平邮斩?，?dāng)裝置按要求下到一定水深時(shí)，岸上控制接收端的單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，該控制信號(hào)是一種代表數(shù)字信號(hào)的雙音頻信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)水介質(zhì)、大地和纜道鋼絲循環(huán)索傳送，水下流速監(jiān)測(cè)記錄端接收到該開(kāi)始工作的控制信號(hào)，按照要求開(kāi)始記錄流量計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)的個(gè)數(shù)，單片機(jī)將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成代表數(shù)字信號(hào)組合的雙音頻信號(hào)，使不同組合的音頻信號(hào)同樣通過(guò)水介質(zhì)、大地和纜道鋼絲循環(huán)索傳送，傳回控制點(diǎn)，接收到的信號(hào)被還原成流速數(shù)據(jù)，按照公式計(jì)算出流量[9]。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

岸上控制終端軟件流程圖如圖5所示，水下數(shù)據(jù)采集終端軟件流程圖如圖6所示。

圖5 岸上控制端流程圖Fig.5 Shore control flow chart

6 采樣方法與結(jié)果

6.1 采樣方法

首先，在河道中取任一斷面采樣，根據(jù)要求將斷面分為若干條垂線，每?jī)蓷l垂線間的面積為部分面積，由相鄰兩條垂線上采樣點(diǎn)按設(shè)定時(shí)間采集。本儀器各垂線的起點(diǎn)距和水深的測(cè)量是由水文纜道測(cè)距儀實(shí)現(xiàn)的，水文纜道測(cè)距儀、光電傳感器配合水文絞車實(shí)現(xiàn)了測(cè)流鉛魚(yú)的定位系統(tǒng)。水文纜道測(cè)距儀由起點(diǎn)距測(cè)量和水深測(cè)量?jī)刹糠纸M成，起點(diǎn)距、水深傳感器均由光電增量編碼傳感器直接感應(yīng)循環(huán)輪和起重輪。為避免繩索感應(yīng)方式的打滑故障，傳感器與絞車轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用直接柔性相聯(lián)方式，使傳感器與絞車傳動(dòng)軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。使用時(shí)先初步算出繩長(zhǎng)系數(shù)（一般轉(zhuǎn)輪直徑為30 cm，測(cè)出絞車轉(zhuǎn)輪周長(zhǎng)，由傳感器每轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)為 200，可知繩長(zhǎng)系數(shù)為 3.14*30/200=0.472），并設(shè)置到測(cè)距儀的起點(diǎn)距或入水深對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，以期可直接算出繩索長(zhǎng)度，從而確定起點(diǎn)距及水深參數(shù)。

圖6 水下控制端軟件流程圖Fig.6 Underwater flow chart of control software

裝載本采樣儀的鉛魚(yú)水平垂直位置是由移動(dòng)的繩長(zhǎng)確定的。光電編碼信號(hào)與繩長(zhǎng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)由式（1）和（2）確定：

由于纜道橫跨于斷面上的主索總有一定的弧度，如果以光電編碼器光電信號(hào)記錄的繩長(zhǎng)作為實(shí)際起點(diǎn)距與理論上要求的起點(diǎn)距總有一定誤差。

圖7 起點(diǎn)距圖Fig.7 Starting Point Distance Map

如圖7所示，起點(diǎn)距使用經(jīng)緯儀測(cè)出了理論數(shù)值 Y1、Y2、Y3……Yi。由于主索有垂弧度，僅用繩長(zhǎng)測(cè)出了實(shí)際X1、X2、X3……Xi。本儀器為此設(shè)計(jì)了垂弧度自動(dòng)修正技術(shù)方案，即將若干段線用時(shí)測(cè)法求出每段的修正系數(shù)，保存在儀器存儲(chǔ)器中，實(shí)際使用時(shí)，以期自動(dòng)識(shí)別每段修正系數(shù)，測(cè)出精確的起點(diǎn)距。

一旦系數(shù)確定，使用時(shí)儀器自動(dòng)按 Yi=Ki*Xi計(jì)算出起點(diǎn)距。設(shè)起點(diǎn)距的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，則可計(jì)算出L值為：

在設(shè)計(jì)中，為測(cè)距儀設(shè)計(jì)了自動(dòng)停車的功能，也即當(dāng)測(cè)距儀記錄的水平起點(diǎn)距與設(shè)定垂線起點(diǎn)距相等以及鉛魚(yú)入水深達(dá)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，測(cè)距儀自動(dòng)向交流變頻調(diào)速儀系統(tǒng)發(fā)出停車信號(hào)，這樣可大大提高測(cè)驗(yàn)的效率和準(zhǔn)確性。

整個(gè)斷面總流量，即由相鄰兩垂線上的平均流速與部分?jǐn)嗝婷娣e乘積而得到部分流量，而各部分流量之和即為斷面間總流量。如圖8所示。

圖8 測(cè)流斷面示意圖Fig.8 Measuring Flow Cross-Section Diagram

設(shè)：第 i條垂線與第 i-1條垂線間的距離為：Di- Di-1；第i條垂線上的水深為： Hi，則第i個(gè)部分?jǐn)嗝婷娣e為：Si = 12(Di-Di-1)(Hi+Hi-1)。

第i條垂線上各測(cè)點(diǎn)的平均流速為Vi，則斷面總流量Qi由式（4）求得：

6.2 采樣效果

將該儀器在江西省上沙蘭、賽塘水文站采用上述部分面積和部分流速計(jì)算法進(jìn)行采樣。依據(jù)“河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范（GB50159-92）”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，使用管徑4 mm的采集瓶采樣，效果如下表所示。

表1 水文站采樣結(jié)果表Table 1 Sampling results hydrological stations

7 結(jié)論

運(yùn)行表明，當(dāng)河流流速小于5 m/s和含沙量小于30 g/m3時(shí)，管嘴進(jìn)口流速系數(shù)在0.9～1.1之間的保證率均大于75%，纜道測(cè)沙自控儀能按照河流泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范要求順利采樣[10-12]。經(jīng)過(guò)雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集閥門與鉛魚(yú)有機(jī)結(jié)合，合理布置進(jìn)排水管線和通訊線路，水文纜道的水平和垂直運(yùn)行準(zhǔn)確定位，采用雙音頻信號(hào)傳輸可靠的控制水下采樣器閥門的開(kāi)關(guān)，測(cè)取斷面各位置，不同水深的水樣，并及時(shí)發(fā)回閥門開(kāi)關(guān)狀況信號(hào)。雙管雙穩(wěn)態(tài)水樣采集解決了關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)水管淤積泥沙問(wèn)題，同時(shí)閥門不必進(jìn)行全密封，還實(shí)現(xiàn)了水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)岸上至水中和水中至岸上的雙向控制傳輸。該儀器提出的泥沙采樣方法是水文泥沙數(shù)據(jù)測(cè)驗(yàn)中的一種新方法。實(shí)踐證明該系統(tǒng)稍加改進(jìn)還可用于船測(cè)站取沙，除能在水文測(cè)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用外，還能在水土保持，水環(huán)境監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

[1] 王智進(jìn),宋海松. 河流泥沙測(cè)驗(yàn)儀器的研究[J]. 水文,2005,25(3):38-40.

[2] 吳偉華,錢春. 泥沙測(cè)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展簡(jiǎn)述[J]. 泥沙研究,2010,(5):77-80.

[3] 劉勇. 基于ARM 的水文泥沙圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D]. 南昌:華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院,2010.

[4] 肖英,魏志剛,劉永紅,等. 一種基于水介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)的新型山區(qū)河水流量監(jiān)測(cè)裝置[J]. 井岡山大學(xué)學(xué)報(bào),2012,31(1):60-63.

[5] 肖英,陳春玲. 基于插值算法的水樣采集控制系統(tǒng)[J].井岡山大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(1):91-94.

[6] Xiao Y,Peng X G,Leng M,et al. The research of image collection methodfor sediment online-detection[J].Journal of computes,2010,5(6):893-900.

[7] Zhu B,Zhou X Y,Tan B. Algorithm for Detecting the Imageof River Sediment Based on Hydrometric cableway[J]. Journal of software,2011,6(8):1437-1444.

[8] Ying X, Yong L, Xuange P. A bistable twin-tube water samples collected valve control system based on fuzzy interpolation algorithm[C]. Control and Automation,2009. ICCA 2009. IEEE International Conference on.IEEE, 2009: 1646-1649.

[9] 朱兵,周旭艷,譚斌,等. 基于DTMF的河流流速測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,(01):47-49,77.

[10] 陸旭. 我國(guó)水文測(cè)驗(yàn)儀器計(jì)量技術(shù)管理綜析[J]. 信息科技,2008(1): 100-103.

[11] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S]. GB50159-92, 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.

[12] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 河流泥沙測(cè)驗(yàn)及顆粒分析儀器[S].ST/T 208-1998. 中華人民共和國(guó)水利部.