于詠梅

（河南黃河水文勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 鄭州 450099）

水位檢測(cè)體系主要應(yīng)用于水井、水庫(kù)以及河流等，并實(shí)時(shí)檢測(cè)水位動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而提前對(duì)自然災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)防。傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)儀器具備簡(jiǎn)單的測(cè)量以及數(shù)據(jù)回傳功能，實(shí)際應(yīng)用的范圍比較狹窄，且儀器設(shè)備可操作性較低，適用于單點(diǎn)或者少量的檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)。應(yīng)用遠(yuǎn)程分布式地下水位檢測(cè)系統(tǒng)，用戶可以通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行瀏覽、操作等工作。同時(shí)，用戶還可以在數(shù)據(jù)庫(kù)上搭建數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)備份，顯著提高水位監(jiān)測(cè)平臺(tái)的安全性以及可靠性。

1 水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

水位檢測(cè)系統(tǒng)具有統(tǒng)一的客戶端，并將系統(tǒng)功能集中在服務(wù)器設(shè)備端口上，充分簡(jiǎn)化各個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)、使用以及維護(hù)等功能[1]。水位檢測(cè)系統(tǒng)可以投影在4.7 英寸的顯示屏中，通過對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，也可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，其具有十分簡(jiǎn)便、集成度高的特點(diǎn)。另外，水位檢測(cè)系統(tǒng)存在后備電源供電接口，充分保證電子設(shè)備在停電后可以繼續(xù)運(yùn)行，并將各個(gè)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)24h 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，充分保證水位測(cè)量數(shù)據(jù)的安全性。

水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按建設(shè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，可以將其分為客戶端、本地服務(wù)端兩個(gè)不同的部分。客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器對(duì)服務(wù)端的程序進(jìn)行升級(jí)，并訪問客戶端[2]。服務(wù)器端口則可以對(duì)水位監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)工作，并將監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。同時(shí)，服務(wù)器端口可以對(duì)采集的水位數(shù)據(jù)處理以及存儲(chǔ)，進(jìn)而提供更多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，且無需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，只需要工作人員定期接收以及控制即可，框架拓?fù)鋱D如圖1。

圖1 框架拓?fù)鋱D

水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)本地服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的回傳工作，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)備份等工作，顯著提高水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性[3]。這一系統(tǒng)作為服務(wù)器中的存儲(chǔ)介質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擴(kuò)展等工作，最終實(shí)現(xiàn)連續(xù)存儲(chǔ)一個(gè)月數(shù)據(jù)，一旦發(fā)生掉電也能保證數(shù)據(jù)的安全，避免發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。在實(shí)際數(shù)據(jù)建設(shè)的時(shí)候，同時(shí)開辟一條實(shí)時(shí)的水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)鏈接，保證數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器以及數(shù)據(jù)鏈接的對(duì)接，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。

水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過TCP/IP 協(xié)議組網(wǎng)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)以及局域網(wǎng)絡(luò)接通系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水位檢測(cè)的時(shí)候，可以通過局限網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，讓用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)用。數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)服務(wù)可以充分滿足實(shí)際建設(shè)的需求，并采用數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用需求。水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種輕量級(jí)嵌入式服務(wù)器，這一服務(wù)器具有跨平臺(tái)的實(shí)際能力，且這一服務(wù)平臺(tái)具有跨平臺(tái)的功能，并在系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)行[4]。

2 水位監(jiān)測(cè)裝置方案的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括液體變送器、供電電源、采集卡、主控板、液晶觸摸屏以及網(wǎng)絡(luò)接口等。系統(tǒng)水位探頭常使用高精度液位變送器，輸出的電流型模擬信號(hào)，信號(hào)傳輸線纜的實(shí)際長(zhǎng)度為50m。系統(tǒng)主機(jī)的組成部位包括采集模塊、主控模塊：采集模塊主要是通過對(duì)電流型信號(hào)，并通過單片機(jī)以及主控板傳輸數(shù)據(jù)；主控板主要是通過對(duì)接收到的數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)认嚓P(guān)功能。

壓力式水位傳感器主要是通過壓力以及水的正比關(guān)系，對(duì)水位進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，傳感器作為一種壓敏元件，當(dāng)傳感器被固定在某一個(gè)水位點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，壓力與水柱的高度成正比例關(guān)系。在測(cè)量的時(shí)候，還能間接測(cè)量水柱的實(shí)際高度，進(jìn)而在水柱高度轉(zhuǎn)換成井孔水位埋深[5]。

3 水位監(jiān)測(cè)裝置方案硬件設(shè)計(jì)

3．1 選擇水位傳感器采樣電路

選擇整個(gè)測(cè)量的探頭，需要選擇電流型輸出液位變送器，應(yīng)用24 V 的直流電壓來實(shí)施供電，其整體的輸出范圍在4～20mA 之間，而其分別能夠?qū)?yīng)相應(yīng)的水位深度0m 和10m 之間，而整體的測(cè)量水柱深度的滿量程需要在0～10m 之間，整體的精度需要保證在0.2%滿量程之內(nèi)，這個(gè)傳感器抗干擾能力強(qiáng)且能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

3．2 做好數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊功能結(jié)構(gòu)需要做好水位數(shù)據(jù)的采集，保證守時(shí)，并且做好數(shù)據(jù)的組合傳輸?shù)墓δ?。?yīng)用STM32F101 RBT6 的微處理器來實(shí)施24 位的A/D 進(jìn)行控制，做好時(shí)鐘芯片的同步，再應(yīng)用數(shù)據(jù)信息與時(shí)間封裝組成一個(gè)數(shù)據(jù)包，應(yīng)用串口與ARM9的核心板卡實(shí)施通訊。

3．3 系統(tǒng)供電切換機(jī)制

為了能夠更好地保證整體設(shè)備持續(xù)工作，需要由系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)供電，主要包含主電源和備用電源。主供電電源需要接入220V 的交流電，還需要經(jīng)過電源適配器為其提供+15V 的電壓，而備用電源需要應(yīng)用12V、100Ah 容量的蓄電瓶進(jìn)行供電。

4 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)概述

對(duì)水位進(jìn)行測(cè)量的環(huán)境溫度以及環(huán)境濕度需要在27℃與82%的環(huán)境下進(jìn)行，最后在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，測(cè)量人員使用的工具需要為直徑5cm、深度2m 的透明玻璃管以及卷尺，使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試的時(shí)候，需要在透明玻璃管內(nèi)注滿凈水，并將卷尺以及玻璃管表貼固定，同時(shí)間隔20cm 進(jìn)行一次標(biāo)定測(cè)量，一共測(cè)量5 組。測(cè)量人員需要將水位測(cè)量設(shè)備安裝在地震監(jiān)測(cè)臺(tái)下，并將水位探頭安放在距離水面深度為5m 的位置，使用信號(hào)線纜對(duì)其進(jìn)行固定。工作人員安裝結(jié)束后，需對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)測(cè)量。

由于測(cè)量的地下水屬于地球表層的水位，且受到潮汐應(yīng)力的水位變化影響。地球表層存在的潮汐應(yīng)力會(huì)隨著地球?qū)嶋H運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)律的變化。當(dāng)?shù)厍虺毕珣?yīng)力增大的時(shí)候，含水巖層會(huì)出現(xiàn)膨脹的情況，且含水層的孔隙水壓顯著下降，且井水位逐漸出現(xiàn)下降的情況。當(dāng)潮汐應(yīng)力逐漸增大的時(shí)候，含水巖層會(huì)出現(xiàn)壓縮的情況，且含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，上述水位數(shù)據(jù)曲線與地球固體潮汐的變動(dòng)完全吻合，當(dāng)天水位變化量約0.06m。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水位檢測(cè)裝置的精準(zhǔn)度以及穩(wěn)定度可以基本滿足當(dāng)前地下水監(jiān)測(cè)的需求，并符合水位勘察、轉(zhuǎn)孔測(cè)量等工程領(lǐng)域的實(shí)際要求。本文設(shè)計(jì)的水位檢測(cè)儀器設(shè)備實(shí)際性能不低于同類檢測(cè)儀器。另外，檢測(cè)儀器還能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)囊?，有效解決現(xiàn)場(chǎng)人工傳輸數(shù)據(jù)的需求以及問題。該水位監(jiān)測(cè)裝置已應(yīng)用在三峽井網(wǎng)水體流動(dòng)觀測(cè)站，并長(zhǎng)期進(jìn)行井水固體潮觀測(cè)，目前運(yùn)行正常