買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

基于無線通訊技術的渠道在線測流系統(tǒng)設計

買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

我國是一個農業(yè)大國，農業(yè)灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區(qū)都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測量設備新舊不一，先進與落后并存，導致渠道水資源分配缺乏必要的數(shù)據(jù)支持。在分析渠道現(xiàn)有測流技術的基礎上，結合目前發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，設計了以壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機等組成的渠道測流系統(tǒng)，實現(xiàn)了渠道測流的自動化，具有良好的推廣應用價值。

無線通訊；渠道；灌區(qū)；在線測量

引言

農業(yè)灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區(qū)都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測量設備新舊不一，先進與落后并存，導致渠道水資源分配缺乏必要的數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)有的灌區(qū)量水方法主要有浮標、水尺、流速儀等儀表，量水堰等特設設施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物。浮標、水尺使用簡單，成本低廉，但測量精度較低［1］。量水堰等特設設施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物，均可以根據(jù)對應的理論公式和實測水流數(shù)據(jù)，求得相應的流量。這種方法操作簡單，但對建筑物的斷面形態(tài)，水流條件要求比較嚴格［2-3］。流速儀結合水位計可以測量標準渠道斷面的流量，測量精度較高，但計算較為復雜，要求渠道斷面要順直光滑、水流穩(wěn)定均勻，水中無雜物。儀表類流量計由傳感器和測量儀表組成，測量的流量較小，可以直接量出流量數(shù)值，精度較高［4］。隨著無線通訊技術、計算機信息技術、儀器儀表制造等技術的發(fā)展，測量設備自動測量、記錄數(shù)據(jù)，通過無線通訊技術可以實時傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，使管理者可以更合理地分配水量，實現(xiàn)水資源利用效益的最大化。目前，明渠流量的測量裝置主要有差壓式、電磁式、容積式、渦輪式和超聲波式流量計，這些裝置有精度、適用條件、或經(jīng)濟性等方面的不足之處［5-6］。本文利用壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機組成的渠道測流系統(tǒng)，改進了上述測量裝置的弊端，優(yōu)化了測量效果。系統(tǒng)的結構框架如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構框架

1測流系統(tǒng)的原理

隨著無線通訊技術的發(fā)展，測量設備實現(xiàn)了自動測量和記錄數(shù)據(jù)，管理者可以更合理地分配水量，實現(xiàn)資源利用最大化。本文設計的測流系統(tǒng)主要測量依據(jù)為“流速-面積法”。計算機通過無線通訊技術控制單片機，單片機與步進電機相連并控制步進電機在渠道斷面水平方向移動，步進電機與水平機械傳動機構相連，并控制壓力式測流裝置移動和升降［7］。測流裝置上有10個壓力傳感器，在同一高度處2個為1組，共有5組，如圖2所示。

每組中一個平行水流方向、測量動水壓力，一個垂直水流方向、測量靜水壓力，可以測出每一組所在位置的測點流速。將不同高度處的5組測點流速取平均值則可以得到測線流速，通過步進電機控制測流裝置移動可以測得斷面不同測線的流速，進而求得測流斷面的流速，最后將數(shù)據(jù)傳入計算機，經(jīng)計算可以求得測流斷面的流量。使用伯努利方程即可確定流速與壓力的關系：

圖2測流裝置

式中：P—壓強，Pa；ρ—水的密度，kg/m3；v—流速，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2；h—水面高度，m；C—常數(shù)。

由式（1）可以得出，高度相同時，流速增加，壓力減小。本文設計的裝置在同一水平面安裝了2個壓力傳感器，分別平行和垂直于速度方向。測壓原理為：

本文設計的測量系統(tǒng)通過測流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器測量流動參數(shù)，通過單片機控制步進電機，進而控制機械傳動機構移動、升降，并測量出測點流速、測線流速，通過計算求得斷面流速和測流斷面流量。整個系統(tǒng)通過主控制器的電路、信號采集電路、傳動機構電路的設計，實現(xiàn)了測流斷面數(shù)據(jù)的自動采集。下文將重點對在線測流系統(tǒng)電路部分進行設計。

2在線測流系統(tǒng)設計

2.1主控制器的電路設計

單片機是測流系統(tǒng)的控制部分，它控制著電機等模塊的工作，進行信號接收與數(shù)據(jù)處理，并輸出到計算機。其主要控制模塊如圖3所示。

圖3主控制板的主要模塊控制

主控制芯片可以將流量計采集的信號依序傳輸?shù)絾纹瑱C內，進行處理后可以直接在顯示屏上顯示，也可以通過STC單片機控制的無線模塊傳輸?shù)诫娔X里，便于進一步操作、處理，除采集信號外，還有驅動步進電機左右移動的功能。主控芯片電路如圖4所示。通過微分型復位電路和時鐘電路，單片機可以實現(xiàn)啟動前復位，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免死機，工作依時間順序進行。

圖4主控芯片電路

時鐘電路是控制單片機內部工作電路最重要的部分，可以改變觸發(fā)器狀態(tài)，使內部電路穩(wěn)定有序進行，對每個指令進行檢測。STC12C5A60S2的時鐘信號可以由外部時鐘信號引入或利用自身振蕩電路產(chǎn)生。當多個單片機組成系統(tǒng)時，使用外部時鐘信號。本次選用內部時鐘信號。

2.2信號采集電路設計

根據(jù)測流要求，測流系統(tǒng)共需測量20路電壓信號，需要設計1個20選1的選擇器。采集系統(tǒng)由2片CD4097和1片CD4052組合而成，無需人工錄入，節(jié)約了人力資源和成本，避免了人為因素導致的數(shù)據(jù)錯誤，具有很高的工作效率和錄入準確度。CD4052是雙4選1的多路模擬選擇開關，負責4個電壓值的采集，包括A、B輸入端和INH輸入。CD4097是雙8選1的數(shù)字控制模擬開關，負責5個電壓值的采集，包括A、B、C輸入端和INH輸入。CD4052具有電壓范圍廣、導通阻抗低、截止阻抗高、靜態(tài)功耗低、可以實現(xiàn)數(shù)字與模擬電平轉換和解碼二進制地址，并且能開關匹配等特點。CD4097具有低導通阻抗、低截止電流、內部譯碼、導通電阻穩(wěn)定，且可以形成數(shù)控網(wǎng)絡、多路分配器等特點。

2.3傳動機構電路設計

傳動機構是通過步進電機帶動的，而步進電機則是由單片機控制的，在控制電路和驅動電路之間設置光耦隔離電路，可以提高2者連接的穩(wěn)定性和可靠性。光耦隔離電路的原理是經(jīng)過其隔離的脈沖信號傳入驅動步進電機的晶體管電路，將電阻兩端分別串聯(lián)晶體管集電極和電機繞組，從而實現(xiàn)快速啟動，在驅動電路中增設泄放電路，能迅速釋放繞組里的電流。根據(jù)測流系統(tǒng)的要求，選用兩相步進電機。

3無線電通訊技術數(shù)據(jù)傳輸

3.1無線模塊的選擇

無線通訊模塊和通信模塊電路可實現(xiàn)單片機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前，信號傳輸方式主要為有線傳輸和無線傳輸2種方式。有線傳輸具有速度快、信號穩(wěn)定、帶寬大、輻射輕微等優(yōu)點，但是也有成本高、鋪設施工困難、周期長、維修難度大等缺點。與有線傳輸相比，無線傳輸?shù)膬?yōu)勢主要表現(xiàn)在成本低、適應性強、可擴展、易維護等方面，但是與有線傳輸相比也有如速度不夠快、安全性較低等缺點。目前常用的無線傳輸技術主要有藍牙、紅外、超帶寬、Wi-Fi、射頻和紫蜂等。這些技術有著各自不同的標準和特點，適用范圍也不同。由于測流系統(tǒng)多布設于野外環(huán)境中，考慮到工程進度、施工難度和經(jīng)濟性等方面，選用無線傳輸中的射頻技術作為信號傳輸?shù)姆绞剑x用nRF24L01射頻模塊，由內置發(fā)生器、放大器、振蕩器、調制解調器等部分組成。

3.2通信模塊電路

單片機通過控制測流裝置采集信號和通過IO口控制無線模塊傳輸信號，并將數(shù)據(jù)通過串口顯示到電腦。無線模塊的電路如圖5所示。

單片機的工作電壓為5V，nRF24L01射頻模塊的工作電壓為3.3V，存在電壓差，不能直接連接，為此在2者之間設置了正向低壓降穩(wěn)壓器，以平衡2者之間的壓差。單片機通過串口RS232與上位機進行通信，但串口與單片機的邏輯電平不匹配，上位機輸出的是EIA電平，單片機則是TTL電平。通過DS232A-N芯片可以實現(xiàn)單片機與上位機之間的電平轉換，建立通信聯(lián)系。DS232A-N芯片在不另接電源的情況下，通過2個內置的電荷泵，可以將電壓由+5V變?yōu)椤?0V，從而實現(xiàn)單片機與上位機之間的電平轉換。

圖5nRF24L01控制電路

4結論

在分析渠道測流技術的基礎上，結合目前發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，設計了以壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機等組成的渠道測流系統(tǒng)。通過測流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器，以及單片機控制步進電機進而控制機械傳動機構移動和升降，可以測出點流速、測線流速，進而求得斷面流速，經(jīng)過計算可以求得測流斷面的流量。通過主控制器的電路、信號采集電路、傳動機構電路的設計，實現(xiàn)了測流斷面數(shù)據(jù)的自動采集。通過對無線通訊模塊的選擇和通信模塊電路的設計，實現(xiàn)了單片機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了渠道測流的自動化，具有良好的推廣應用價值。

［1］尚德功.人民勝利渠灌區(qū)水資源實時監(jiān)控系統(tǒng)建設［J］.人民黃河，2013（09）：95-96+102.

［2］雷艷，范華秀.超聲波測流在梯形渠道中的應用［J］.水利水電技術，1998（12）：45-47.

［3］郭榮祥，馬磊，馬和平.基于GPRS的灌區(qū)明渠測流系統(tǒng)研究與設計［J］.自動化與儀器儀表，2010（05）：92-94.

［4］辛忠，劉天，張靖，等.河南黃河水量調度管理研究［J］.水利技術監(jiān)督，2013（01）：19-22.

［5］張思強.渠道及溝道簡易測流方法探討［J］.水利規(guī)劃與設計，2013（08）：26-28.

［6］陳立革，張傳剛，張體剛.位山灌區(qū)進水閘量水方法應用探討［J］.水利技術監(jiān)督，2013（04）：42-44.

［7］曾國雄.一體化測控閘門自動化系統(tǒng)在疏勒河昌馬灌區(qū)的應用［J］.水利規(guī)劃與設計，2014（05）：41-45.

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1008-1305（2016）03-0010-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.006

2016-04-02

買買提明·肉孜（1980年—），男，工程師。