，建偉，，

(中國地質調查局 a.水文地質環(huán)境地質調查中心；b.國土資源部地質環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室， 河北 保定 071051)

高寒地帶地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統設計與應用

張磊a,b，張建偉a,b，馮建華a,b，袁愛軍a,b

(中國地質調查局 a.水文地質環(huán)境地質調查中心；b.國土資源部地質環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室， 河北 保定 071051)

針對高寒地帶極端惡劣的氣候環(huán)境及地下水監(jiān)測野外工作的現狀，研制一套環(huán)境適應性強的地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統。系統主要由水位探頭、遠程數據傳輸裝置及終端平臺組成。采用通用的1號堿性電池作為電源，維護方便。從系統的硬件及軟件2部分著手，采取多項措施來降低儀器功耗，提高穩(wěn)定性，重點解決監(jiān)測儀器在低溫環(huán)境下的可靠性。野外試驗表明系統運行狀況良好，經受住了高寒氣候下的低溫環(huán)境的考驗，實現了系統的自動化采集及遠程傳輸，提高了工作效率。

高寒地帶；地下水動態(tài)；在線監(jiān)測;低功耗；遠程傳輸；可靠性

1 研究背景

高寒地帶是由于海拔高或緯度高而形成的特別寒冷的氣候區(qū)，其主要特征是冬季時間長，天氣寒冷，氣溫變化幅度大。雖然進行高寒地帶地下水動態(tài)監(jiān)測極其重要，但是由于高寒地帶所處地理位置的特殊性及其環(huán)境惡劣性，該地區(qū)的監(jiān)測工作具有一定的困難[1]。隨著互聯網時代的來臨以及計算機技術的迅速發(fā)展，各類新型地下水監(jiān)測儀器涌現出來，野外地下水監(jiān)測工作也發(fā)展為在線遠程傳輸，極大地減輕了工作量，提高了工作效率,但其在高寒地帶的推廣應用效果卻不理想。

一般監(jiān)測儀器在常溫下能夠穩(wěn)定工作，但卻無法適應高寒地帶的工作環(huán)境，其工作精度、穩(wěn)定性、可靠性都會下降，甚至會有損壞的情況發(fā)生，造成野外工作無法進行，達不到實時監(jiān)測的效果?？紤]到高寒地帶惡劣環(huán)境的自然條件以及社會環(huán)境，例如交通不便、氣溫過低、當地人口文化程度低、維護技術不高等，在設計野外地下水監(jiān)測點時需要著重加強儀器設備的可靠性、自動化程度、操作性及環(huán)境適應性等[2]。環(huán)境溫度對于儀器的影響是必須要面對的重要問題，提高高寒惡劣氣候下的地下水監(jiān)測儀器的可靠性和穩(wěn)定性是非常必要的。

2 儀器的可靠性研究

儀器在高寒地帶野外工作會受到極寒惡劣環(huán)境的考驗，能否在如此氣候環(huán)境下可靠運行，是設計地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統的關鍵。為此，依據可靠性的理論，考慮到使用地區(qū)的特殊性，設計處在低溫氣候環(huán)境下依然能穩(wěn)定工作的系統，保證地下水動態(tài)數據可靠性和安全性[3]。對野外運行的儀器提出了以下幾點可靠性的要求。

(1) 防寒性能。野外監(jiān)測點都分布在高寒地帶，其氣候環(huán)境惡劣，對儀器設備的可靠性要求很高。高寒地帶極端氣溫甚至有-40 ℃的情況出現，儀器在如此惡劣的環(huán)境下也要能保證正常工作，在保證監(jiān)測信息的正常獲取外，對儀器的防寒性能有非常高的要求。

(2)供電電源。地下水的野外監(jiān)測供電電源方式主要有：交流電、太陽能電池、鋰電池和干電池4種。高寒地帶地下水的監(jiān)測是一項艱苦而重要的工作, 因為監(jiān)測地點往往處于野外，交通不方便，有地方還沒有通交流電[4]。太陽能電池的優(yōu)點是可持續(xù)供電，但是野外安裝較復雜，而且暴露在野外，容易被破壞。鋰電池容量較高，但受溫度影響較大，低溫性能差，不能保證供電的可靠性?？紤]到日后系統維護的便捷性，綜合各種原因，選用1號堿性電池作為供電電源。

(3)數據傳輸方式。野外監(jiān)測點數量多，距離遠，如果采用有線方式傳輸，依靠人工現場采集費時費力，在野外偏遠的高寒地帶十分不便，所以采用無線遠程傳輸。數據能否正常通信影響著整個監(jiān)測系統的可靠性?？紤]地下水監(jiān)測工作的特點，每天只需要采集一個或者幾個數據就可以滿足工作的需要，每次采集的信息也不是很多，所以采用GSM短信方式的傳輸。在發(fā)送短信過程中與中心站不需要雙方握手，耗電量小，采用短消息傳輸數據成本低，在傳輸過程中數據不易丟失。綜合其多種優(yōu)點,GSM數據傳輸方式在高寒地帶地下水監(jiān)測中是非常適合的一種方法。

3 系統總體設計

3.1 整體結構設計

地下水動態(tài)在線監(jiān)測系統主要由前端水位探頭、數據傳輸終端、中心站等部分組成。主要工作流程為前端水位探頭進行水位數據的采集，數據傳輸終端按照設定的時間將前端的監(jiān)測數據取回并處理保存，同時發(fā)送GSM至中心站。對于不同的監(jiān)測點，GSM模塊所用的SIM卡是不同的，以此來區(qū)分各個不同的被測點[5]。中心站完成GSM短信的接收及數據的解析，最后存儲至監(jiān)測系統數據庫。整個系統主要針對高寒地帶的惡劣氣候，在低功耗設計上進行優(yōu)化，包括電路板的設計，去掉不需要的功能，采用功率小的元器件等。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構Fig.1 Frame diagram of the system

3.2 水位探頭的選擇

水位探頭是整個監(jiān)測系統的關鍵，關系到整個系統的可靠性。為了保證在惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性及監(jiān)測數據的有效性，選用了進口絕壓型硅壓阻式水位探頭，其型號為Rugged Troll 200，內置電池，不需要外部供電，性能完全滿足在高寒地帶下的工作需求。

3.3 數據傳輸終端

數據傳輸終端是整個監(jiān)測系統的核心部分，負責記錄監(jiān)測井所處位置的環(huán)境變化因素。數據傳輸儀器包括監(jiān)測數據的傳輸和外界氣壓的采集，其中氣壓的采集頻率與水下的數據采集系統采樣頻率一致。當數據傳輸儀器中的定時系統定時時間到達時，數據傳輸儀器被啟動并同時喚醒井下的數據采集系統，將井下的水位、水溫以及數據傳輸儀器采集到的氣壓數據一并傳送到控制中心站，完成一次數據上傳。為滿足高寒地帶惡劣的監(jiān)測環(huán)境的要求，系統充分考慮了低功耗的要求,在硬件設計時，選擇性地關閉暫時不用的芯片和內部模塊的時鐘中央處理單元，選用低功耗工作模式，平常處于睡眠模式。當需要采集數據時,通過時鐘中斷喚醒數據采集,結束后,系統重新進入低功耗模式[6],數據傳輸裝置和井下設備掉電，進入休眠狀態(tài)。

數據傳輸儀器的基礎功能模塊由以下幾部分構成：微控制器、時鐘模塊、傳感器模塊、存儲模塊、邏輯控制模塊、電源模塊、接口模塊以及通訊模塊。整體功能框圖見圖2。其中通訊模塊以及部分電源模塊構成遠程通訊子系統，其他模塊構成主控制系統。由主控制系統定時控制通訊子系統自動工作，完成數據的采集以及遠程發(fā)送。

圖2 功能模塊框圖Fig.2 Diagram of functional modules

3.3.1 微控制器

采用德州儀器公司MSP430系列單片機作為主控制核心，該系列微控制器專門針對微功耗系統應用設計。芯片內集成多種智能外部設備，可以最大程度地簡化監(jiān)測方案，實現“單片系統”的要求。其負責整個系統的定時采樣，數據處理、外圍通訊以及短信收發(fā)等功能有序地進行。

3.3.2 時鐘模塊

實時時鐘系統為整個監(jiān)測系統提供一個標準穩(wěn)定的時鐘基準，協調監(jiān)測系統各部分的統一運作。時鐘系統的核心采用ISL12026時鐘芯片，該時鐘芯片外圍器件少，只需要一只32.768 kHz的晶體即可穩(wěn)定運行，并且提供一個輔助供電引腳。當主電源電壓低于某個閾值時，時鐘芯片自動切換到備用電源供電，保證用戶的時間信息不丟失。內部包含時間報警寄存器、實時時鐘寄存器等信息存儲空間，采用標準I2C總線通訊。當實時時鐘運行到事先設定好的時間點時，由芯片的時鐘報警引腳給出一個低電平，微控制器可以根據該引腳狀態(tài)進行相應的處理，也可以用作系統的上電喚醒源[7]。

當用作整個電路的上電喚醒源時，該報警引腳經組合邏輯電路后連接為控制電路，提供穩(wěn)壓電源芯片的使能引腳，控制電源芯片的打開與關閉，使得平時系統休眠時，不工作的部分處于斷電的狀態(tài)。只有當時鐘運行到采樣時間或者需要傳送數據的時間，才打開供電，盡最大可能節(jié)約功耗，延長電池使用壽命。

3.3.3 電源模塊

系統的電源主要分2路，一路單獨作為GSM DTU的供電電源;另外一路電源經過二次穩(wěn)壓后分成可斷供電和常通供電2部分。其中可斷部分為平時休眠的部分供電，包括MSP430微控制器、氣壓采集電路、存儲器等；常通部分為不能停止工作的器件和模塊進行供電，包括時鐘模塊、通訊接口等電路?？蓴嗖糠值碾娫纯梢杂绍浖O定好的頻率，到達工作時間后進行啟動，實時時鐘的定時信號喚醒整個系統，工作完成后又進入低功耗模式，同時還可以利用PC機的串口接口的電平指示信號喚醒系統。通過軟件和硬件的控制和配合完成整個系統的上電與休眠，極大地降低了系統功耗。

3.4 數據傳輸終端與探頭的通訊

地下水采集儀器與通訊儀器間的交互協議參照Modbus標準協議實現。Modbus提供了一個主/從裝置讀寫數據的信息結構，還提供了擴展的協議以允許定制信息結構。In-Situ堅持執(zhí)行標準的讀/寫信息結構，Modbus并未在標準信息結構中提供適用的文件傳輸信息的結構。為了彌補這一功能，In-Situ使用拓展協議來從滿足從In-Situ設備下載數據文件的需求。

3.5 監(jiān)測數據GSM通訊格式

根據監(jiān)測實時性、使用環(huán)境等方面的要求，綜合考慮數據傳輸方式類型，選擇適宜的報文正文、要素編碼組合，確定適合于信道傳輸的單幀報文長度。采用統一規(guī)范的數據通信格式，數據通信報文格式內容按照先后順序包括數據幀頭、設備類型代碼、通訊主機供電及內存使用狀態(tài)、大氣動態(tài)變化數據、水位儀供電及內存使用狀態(tài)，以及地下水動態(tài)變化數據等。

3.6 主控電路板的軟件流程

硬件控制軟件運行于通訊儀器的微控制器中，負責協調微控制器的各個功能外設，以及構成整個通訊儀器的功能模塊間的信息交互和邏輯控制等操作。其軟件流程如圖3所示。采用C語言編寫通訊主機的控制軟件，該控制程序主要協調上位機與通訊主機的微控制器之間的信息溝通，解譯上位機管理軟件發(fā)出的命令以及各種參數，并將通訊主機作出的各種響應整合成通訊包，按照規(guī)定的協議規(guī)則發(fā)送至上位機。該控制軟件采用“模塊化編程”為指導思想，整體軟件方案被劃分為不同的功能模塊，方便后續(xù)的功能升級以及代碼維護。

圖3 軟件流程Fig.3 Flowchart of software

3.7 數據庫信息系統

系統采用客戶/服務器(C/S)模式開發(fā)模式實現。在微軟提供的.NET平臺上采用C#語言進行二次開發(fā)，開發(fā)工具采用Visual Studio 2005。信息平臺軟件主要包括數據接入部分、設備信息管理、數據管理等幾部分,通過客戶端連接互聯網，根據自有的賬戶密碼即可隨時隨地遠程訪問數據庫、瀏覽監(jiān)測點的水位信息、查看歷史數據、了解動態(tài)曲線變化等。實現從數據采集、數據傳輸與處理、數值計算分析到成果可視化的科學實驗全過程信息化[8]。

4 野外示范應用

監(jiān)測井施工完成后, 每個自動監(jiān)測孔安裝孔口保護裝置，并將傳感器放置在井下。監(jiān)測儀器安裝在井口保護裝置內，可防間接感應雷電、強風、暴雨、低溫、高濕等自然因素的干擾和人為破壞，保證自動監(jiān)測儀器能在野外無人值守的條件下正常工作。

地下水監(jiān)測系統在黑龍江、青海、甘肅、內蒙古等高寒地帶進行野外安裝，開展整套系統的應用。青海可可西里監(jiān)測點于2013年10月20日安裝，一直運行至2015年12月25日停止工作。每天發(fā)2次數據短信，期間沒有更換過電池，野外傳輸裝置用普通1號堿性電池在高寒地帶堅持正常運行了26個月。部分監(jiān)測曲線如圖4所示。

圖4 可可西里QZXM-3監(jiān)測井水位標高曲線Fig.4 Curve of water level at monitoring well QZXM-3 in Hoh Xil

黑龍江省富錦市監(jiān)測點于2014年安裝，在滿足監(jiān)測需求的基礎上，盡可能地節(jié)省電池電量，設定監(jiān)測系統每天中午12點發(fā)送一次短信數據，因為中午12點基本上接近當天氣溫最高值，這時進行設備的工作可降低對電池的損耗。通過每天12點井口保護裝置內氣溫監(jiān)測曲線，可以看到當地中午12點時，氣溫0 ℃以下的時間有4個月，-10 ℃以下的時間有1個月，期間甚至到-20 ℃。根據查詢到的監(jiān)測點地區(qū)歷史氣象資料可知，設備工作期間最低氣溫達到-30 ℃。部分監(jiān)測數據曲線如圖5所示。

圖5 富錦市HY-K1監(jiān)測井水位標高和氣溫曲線Fig.5 Curves of water level and air temperature at monitoring well HY-K1 in Fujin city

5 結 論

系統在多個區(qū)域進行了長期運行，積累了大量的高寒地帶的實際運行經驗，系統的穩(wěn)定性和易用性也逐步得到完善。解決了儀器設備的穩(wěn)定性、低功耗、密封防水等一系列關鍵技術問題，實現了高寒地帶地下水動態(tài)監(jiān)測數據的遠程傳輸。同時，該系統通過多年的示范運行，特別是經歷了春夏秋冬四季的考驗，進一步驗證了儀器在高寒地帶野外工作的可靠性。但是鑒于高寒地帶環(huán)境的復雜性和特殊性，一些監(jiān)測點還存在著通信網絡信號較弱甚至沒有信號的情況，對儀器的數據傳輸造成了一定的影響，可以考慮以后在信號質量較差的地區(qū)采用北斗衛(wèi)星進行數據傳輸的工作方式。

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[8] 周力峰,劉 文,張治中.云計算在水利科研信息化中的地位與作用[J].長江科學院院報,2014,31(9):110-114.

Design and Application of an Online System forGroundwater Monitoring in High and Cold Region

ZHANG Lei1,2, ZHANG Jian-wei1,2, FENG Jian-hua1,2, YUAN Ai-jun1,2

(1.Centre of Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, China; 2.Key Laboratory of Monitoring Technology of Geological Environment of Ministry of Land and Resources, China Geological Survey, Baoding 071051, China)

In view of the extreme climate in high and cold region and the field work conditions of groundwater monitoring, an on-line monitoring system with strong adaptability to the environment is developed. The system is mainly composed of water level sensor, data transmission module and central station. With D size battery as power supply, the system is of convenient maintenance. A number of measures in terms of hardware and software are taken to reduce power consumption and improve the stability and reliability of monitoring instruments in low temperature. In field test, the system operates well in cold weather. Automatic collection and remote transmission are accomplished to improve the working efficiency.

high and cold region; groundwater dynamics; online monitoring; low power; remote transmission; reliability

2016-09-18；

2016-10-21

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(201411083-4)；中國地質調查局地質調查項目(DD20160288)

張 磊(1982-)，男，河北保定人，高級工程師，碩士，主要從事地下水監(jiān)測技術的研究與應用。E-mail:zhanglei@chegs.cn

10.11988/ckyyb.20160954

TP29;TH86

A

1001-5485(2018)01-0147-04

(編輯：羅 娟)