屠佳佳，沈 冰，張永超

（1.浙江機電職業(yè)技術學院自動化學院，浙江 杭州 310053；2.浙江滴石信息技術有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

我國水利信息化建設發(fā)展迅速，每年投資力度越來越大。隨著科學技術水平不斷提高，水利信息化技術也在持續(xù)提升與更新[1-2]。例如，在水利工程最基礎的水位數(shù)據(jù)測量中，測量方式已經(jīng)由接觸式轉(zhuǎn)向非接觸式，傳感器也由壓力式演變到超聲波再演變到雷達波等[3]，使水利工程的水位監(jiān)測變得靈活、方便、簡單。但是技術發(fā)展的同時也必須考慮到一些問題，比如設備成本，數(shù)據(jù)準確性、穩(wěn)定性、維護成本以及更適用的技術等[4]。

目前，利用非接觸式水位計測量水位的監(jiān)測站點應用廣泛，但點多分散、技術資源緊缺、維護難[5]。而且非接觸式水位計長時間使用易產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移，使得水位監(jiān)測站點面臨“重建輕管”的局面，長期運行會導致水位數(shù)據(jù)不準，特別是在汛期極易引起重大事故。因此，本文研究一種基于液面檢測傳感器的水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，嘗試解決上述問題。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

水位自動監(jiān)測系統(tǒng)結構見圖1。其中，水位控制器作為系統(tǒng)核心硬件設備，一方面定時啟動水位自動測量；另一方面實時采集液面檢測傳感器和限位傳感器信號，根據(jù)信號情況控制步進電機的運動并實時記錄運行距離，最后換算成水位數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸單元實時上傳至管理中心監(jiān)控平臺。攝像頭一方面監(jiān)控裝置的自身安全，實時監(jiān)視水位測量全過程，如果出現(xiàn)問題，管理人員可以實時掌握情況；另一方面監(jiān)控裝置附近的水情安全情況，如是否有人落水，是否突發(fā)洪災等。

圖1 水位自動監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2.2 硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)結構設計的基于液面檢測傳感器的水位自動監(jiān)測裝置結構見圖2。裝置中的滑臺模組包括步進電機、滑臺、滑塊等；設備箱內(nèi)安裝水位遙測終端、充放電控制器、蓄電池等。

圖2 水位監(jiān)測裝置結構圖

該裝置結構簡潔明了，采用的硬件設備均為常用產(chǎn)品，因此具有采購方便、成本低的優(yōu)勢，同時具備滑臺模組精度高、運行穩(wěn)定的優(yōu)點，基本可實現(xiàn)免維護、免校準。

位于偏遠地區(qū)的水位監(jiān)測站點，無法接入市電或者市電接入困難，因此設計可拆卸的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。在無市電的站點直接采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)供電；在有市電且重點監(jiān)測的站點則采用市電供電，太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為備用電源，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行；在有市電且一般監(jiān)測的站點則直接采用市電供電，不安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)省成本。

2.3 水位測量原理

水位測量原理見圖3。圖2中，滑塊在滑臺上的行程H1為上限位傳感器和下限位傳感器之間的距離，也就是液面檢測傳感器下降的最大高度，是固定不變的。圖3中，H2為液面檢測傳感器到河道、渠道或者水庫底部的距離，裝置安裝完成后也是固定不變的。h1是當前實際水位高度，h2則是液面檢測傳感器到液面的高度，h1、h2的值分別隨液面的變化而變化，但是和不變，即H2=h1+h2。

圖3 水位測量原理圖

測量水位時，液面檢測傳感器隨著步進電機帶動滑塊一起向下運動，接觸到液面的瞬間，液位傳感器發(fā)生信號變化，水位控制器監(jiān)測到信號后，立即控制步進電機停止運動，并計算步進電機的行進圈數(shù)，換算成液面檢測傳感器下降的高度，即液面檢測傳感器到當前液面的高度h2'，當前水位即為h1'=H2-h2'。

測量和計算的過程都非常簡便，耗時僅十幾秒，測量精度高。每次測量完畢，步進電機帶動滑塊和液面檢測傳感器回到上限位，水位控制器則控制步進電機歸零復位。因此，沒有累積誤差，可以保證水位測量的高精度、高穩(wěn)定性，實現(xiàn)基本免維護和免校準，只是水位測量的量程具有一定局限性。

3 硬件選型

3.1 水位控制器

水位控制器基于STM32單片機自主研發(fā)，采用ARM Cortex-M3架構，具有超低功耗，休眠模式運行功能，適用于野外太陽能供電的工作環(huán)境。水位控制器主要功能見表1。

表1 水位控制器主要功能表

3.2 液面檢測傳感器

液面檢測傳感器利用紅外光學原理，將檢測的液位、液面信號通過光學信號傳遞，轉(zhuǎn)換為電信號輸出，再通過傳感器電路采集的電壓信號判別液位情況。該傳感器設計緊湊，體積小巧，防水，圓錐外形方便鉆孔，測量精度高，支持低功耗工作，傳感器頭部光順，不易沾污，遇水容易清洗，可以進一步保證水位監(jiān)測精度和準確度。另外，價格低廉，性價比高。液面檢測傳感器性能指標見表2。

表2 液面檢測傳感器性能指標表

3.3 滑臺模組

滑臺模組也稱直線模組，應用廣泛。一般利用步進電機帶動滾珠絲桿轉(zhuǎn)動，使?jié)L珠絲桿上的滑塊做直線運動，將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動；也可以通過多個單元組合實現(xiàn)負載的直線、曲線運動，使輕負載的自動化更加靈活、定位更加精準。實驗裝置采用型號為FSL40的滾珠新絲扛滑臺，鋁合金材質(zhì)，有效行程為500.00 mm，單軸定位精度0.03 mm。

4 實驗測試

根據(jù)系統(tǒng)結構和硬件設備，搭建基于液面檢測傳感器的水位監(jiān)測實驗裝置（見圖4）。根據(jù)水位監(jiān)測要求，該裝置支持定時上報和預警上報2種模式。正常情況下，水位控制器按照要求定時控制步進電機轉(zhuǎn)動，帶動液面檢測傳感器下降，完成水位測量。測完后如果沒有異常情況，即水位數(shù)據(jù)變化不大，則裝置處于休眠狀態(tài)，等間隔時間到再喚醒設備進行水位測量。如果前一次測完后發(fā)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)變化較大，則上報預警信號，并立即再次測量，以確定水位是否突漲或者突降。

圖4 水位自動監(jiān)測實驗裝置圖

裝置搭建完成后，進行現(xiàn)地/遠程控制上報、定時上報和預警上報等測試實驗。定時上報實驗中，設置上報時間為5 min；預警上報實驗中，設置水位變化為5 cm。實驗結果表明，該裝置運行穩(wěn)定，與刻度尺測量的水位數(shù)據(jù)相比，系統(tǒng)水位測量數(shù)據(jù)準確，精度高。水位數(shù)據(jù)處于正常情況下，測試結束立即進入低功耗休眠狀態(tài)；水位數(shù)據(jù)處于異常情況下，能連續(xù)重復測試3次并發(fā)出實時預警信息。該系統(tǒng)實際測試效果良好，能夠在淤積少、水位高程穩(wěn)定的渠道或河道的水位監(jiān)測中進行推廣應用。

5 結 語

水位作為水利工程中最基礎的數(shù)據(jù)之一，在防洪抗旱和灌溉中有著非常重要的地位，保證水位監(jiān)測的準確性與當初建設水位監(jiān)測站一樣，應受到高度重視[6]。目前國內(nèi)建設了大量水位監(jiān)測站，監(jiān)測設備包括超聲波和雷達水位計，不僅價格昂貴，而且長期不校準會導致數(shù)據(jù)漂移、水位測不準，正常維護需要大量資金和技術資源。本文提出的水位自動監(jiān)測裝置雖然存在測量量程較小的問題，但價格低廉、運行穩(wěn)定、測量精度高、基本免維護，在淤積少、水位高程穩(wěn)定的渠道或河道水位監(jiān)測中具有一定的應用價值。