崔　慶，解曉蕾

（1.德州市潘莊灌區(qū)管理局，山東 禹城 251200；2.東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)住建局，山東 東營(yíng) 257000）

基于GPRS的超聲波水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔慶1，解曉蕾2

（1.德州市潘莊灌區(qū)管理局，山東 禹城 251200；2.東營(yíng)市東營(yíng)區(qū)住建局，山東 東營(yíng) 257000）

為完成對(duì)潘莊灌區(qū)總干渠實(shí)時(shí)水位數(shù)據(jù)的收集、傳輸和監(jiān)控，設(shè)計(jì)了基于GPRS的超聲波灌區(qū)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用超聲波水位計(jì)對(duì)總干渠水位信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)證明，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量誤差在0.1～0.5 cm之間，能很好地完成對(duì)灌區(qū)總干渠水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，性能較好，為潘莊灌區(qū)合理利用引黃水資源提供了保障。

潘莊灌區(qū)；水位計(jì)；GPRS；超聲波

潘莊灌區(qū)位于德州市西北部，是全國(guó)大型引黃灌區(qū)之一，設(shè)計(jì)引水流量120 m3/s，灌溉面積33.3萬hm2，干渠總長(zhǎng)91.3 km。為了合理調(diào)度引黃水資源，提高灌區(qū)引用水效率，需實(shí)時(shí)、有效地采集總干渠水位數(shù)據(jù)，通過對(duì)引黃干渠水位數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)分析，為灌區(qū)管理者提供準(zhǔn)確及時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)水位變化及時(shí)調(diào)整用水調(diào)度方案，保障引黃水資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是通過超聲波水位計(jì)采集水位數(shù)據(jù)信息，再經(jīng)由單片機(jī)處理這些信息并通過GPRS通訊上報(bào)到遠(yuǎn)程端的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集、有效快速傳輸數(shù)據(jù)。灌區(qū)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由超聲波水位計(jì)、數(shù)據(jù)處理器、GPRS通訊、太陽能供電等部分組成。

1.1超聲波水位計(jì)

超聲波水位計(jì)由水位測(cè)量發(fā)射端機(jī)和水位數(shù)據(jù)接收端機(jī)兩部分組成，水位測(cè)量發(fā)射端機(jī)安裝在前端觀測(cè)點(diǎn)用于采集水位數(shù)據(jù)，主要由超聲波傳感器、天線、信號(hào)發(fā)射器、鋼桿、太陽能電板等部分組成。水位數(shù)據(jù)接收端機(jī)安裝在中心機(jī)房?jī)?nèi)用于接收和處理水位數(shù)據(jù)，包括：無線數(shù)據(jù)接收機(jī)、處理機(jī)、天線以及計(jì)算機(jī)。

超聲波水位計(jì)利用前段探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波到干渠水面時(shí)有部分聲波被反射回接收探頭，通過來回時(shí)間計(jì)算水位數(shù)據(jù)。設(shè)超聲波來回的時(shí)間為t，水面到水位計(jì)發(fā)射端的距離為H，超聲波在空氣中的傳播速度為v，H1為水位計(jì)安裝高程，則干渠水位值h為：

1.2數(shù)據(jù)處理器

數(shù)據(jù)處理器采用低功耗完全集成的C8051F410單片機(jī)，它選用8051兼容微控制器為內(nèi)核，內(nèi)部集成的接口資源豐富，功能強(qiáng)大，使用單片機(jī)內(nèi)部12位ADC進(jìn)行水位計(jì)的模擬信號(hào)采集，用戶可通過軟件設(shè)計(jì)將ADC置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。

檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件采用Visual Basic串口通信，把程序和數(shù)據(jù)封裝成為一個(gè)實(shí)體，有針對(duì)性直接設(shè)計(jì)，不需要重復(fù)編寫大量代碼，縮短軟件開發(fā)周期。軟件實(shí)現(xiàn)的功能：對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、儲(chǔ)存并顯示在屏幕上；系統(tǒng)可設(shè)置監(jiān)測(cè)水位、警戒水位、相關(guān)參數(shù)等信息。報(bào)警功能主要是通過放大輸出信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)高低警戒水位時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“嘀，嘀，…”的報(bào)警聲音，警告管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)水位的變化情況，及時(shí)匯報(bào)并采取相應(yīng)措施應(yīng)對(duì)，避免發(fā)生險(xiǎn)情。

1.3GPRS通訊

灌區(qū)測(cè)水點(diǎn)一般距管理中心較遠(yuǎn)，為實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)快速傳遞，本系統(tǒng)無線通訊選用GPRS DTU，具有延遲時(shí)間短、建造及運(yùn)行成本低、通信不受距離及地理位置限制等特點(diǎn)。它是實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)備，通過特定接口連接遠(yuǎn)程測(cè)控終端從而進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，除具備DTU均具備的支持TCP/UDP協(xié)議，也支持動(dòng)態(tài)域名通信方式和固定IP地址訪問。

GPRS通信的使用中首先應(yīng)加入網(wǎng)絡(luò)，初始化過程中會(huì)判斷GPRS通信入網(wǎng)是否連接成功。如果登陸成功，則初始化成功，然后與設(shè)備建立TCP連接，保證采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕杉臄?shù)據(jù)再利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的快速實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中心，供灌區(qū)管理局工作人員使用。

1.4太陽能供電

系統(tǒng)終端采取蓄電池和太陽能雙重供電模式，以蓄電池供電為主，太陽能給蓄電池充電為輔。太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、充電控制電路、蓄電池和電源調(diào)理電路等4部分組成。太陽能電池板是由多個(gè)太陽能電池單元組合而成，充電控制電路的作用是將太陽能電池輸出的不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電壓電流，傳感器采用12-24V供電，GPRS通信采用12V供電；蓄電池的功能是存儲(chǔ)電能，并向設(shè)備提供穩(wěn)壓；電源調(diào)理電路的功能主要是是穩(wěn)定電壓并將其輸送到其他設(shè)備。

2　系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用在德州市潘莊灌區(qū)管理局齊河中心所進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸并與人工觀測(cè)值作對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置閘前探頭編號(hào)為1，高程為34.18 m，最小高程差為2.88 m，最大高程差為5.38 m；閘后探頭編號(hào)為2，高程為33.46 m，最小高程差為2.61 m，最大高程差為4.81 m，試驗(yàn)中選取黃海水平面為基準(zhǔn)水位。選取2015年6月數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行比對(duì)見表1。

通過表1數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出，由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示的水位數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)值相差甚小，部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)微小差別，產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：1）對(duì)比試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)下雨刮風(fēng)天，干渠水面波浪起伏較大，造成測(cè)量讀取數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)一定影響；2）干渠里程較大不免出現(xiàn)漂浮物，在測(cè)量期間干擾了超聲波水位計(jì)的感應(yīng)，造成出現(xiàn)短時(shí)錯(cuò)覺數(shù)據(jù)；3）總干渠兩岸農(nóng)業(yè)灌溉用水也會(huì)影響水位的動(dòng)態(tài)變化，造成試驗(yàn)產(chǎn)生誤差；4）人工觀測(cè)也存在一定的誤差。本文基于GPRS的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能高，能及時(shí)有效監(jiān)測(cè)水位的動(dòng)態(tài)變化，產(chǎn)生的誤差介于0.1～0.5 cm之間，滿足《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T50138-2010》的條件。

表1　齊河中心所閘前閘后2 h實(shí)時(shí)水位實(shí)測(cè)對(duì)比數(shù)據(jù)表 m

3　結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于GPRS通訊的超聲波水位數(shù)據(jù)采集終端，選用的處理器是C8051F410單片機(jī)，解決了傳統(tǒng)人工測(cè)量不能進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)的問題，同時(shí)利用GPRS通信技術(shù)完成了灌區(qū)對(duì)水位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速遠(yuǎn)距離傳輸，并能準(zhǔn)確接收信息、存儲(chǔ)信息、實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的 功能，該系統(tǒng)也為灌區(qū)引黃水利工作提供科學(xué)依據(jù)，為灌區(qū)合理利用引黃水資源提供科學(xué)保障。

（責(zé)任編輯張玉燕）

TP29

B

1009-6159（2016）-05-0010-02

2015-10-15

崔慶（1987—），男，助理工程師