灌区地下水水位遥测系统的研究

赵斌，匡丽红，黄操军，任守华

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆163319）

随着我国经济的发展，对地下水的需求也急剧增长，目前我国每年开采的地下水总量超过1 000亿m3[1]。过量开采地下水引起的地面沉降和生态环境恶化，对人们的生产、生活会造成巨大的危害，而且极大地影响和制约着当地经济的可持续发展。黑龙江垦区建三江分局利用地理优势，大力发展水稻种植，水田面积占该分局耕地面积的60%以上，80%灌溉用水来自地下水，由于盲目开采地下水资源，造成地下水开采过度，据统计1996年因地下水资源短缺，灌井停泵600多个[2]。但合理地开采地下水不仅可以有效地缓解供水不足的问题，带来一系列生态与经济效益，而且通过适当降低地下水位，可有效防治土壤盐碱化，有利于提高防洪、排涝标准。而合理规划和利用地下水资源，必须对地下水变化进行监测和预测。

水位测量是灌区测水量水工作的最基本要素之一。欧美、东亚地区的很多国家依靠良好的技术基础、雄厚的资金等，在水位测控技术和设施上比较先进。中国虽在20世纪90年代研究取得一定的进展，但在解决水位自动化监测问题上，还落后于世界发达国家。目前国内常用的水位观测设备有：浮子式、压力式、气泡式、电容式、超声波及激光测距水位计等[3～7]，由于大多数水位观测站都建在自然条件较差的地方，以上传感器的抗干扰能力差、信号不能远距离传输，在使用中普遍存在可靠性低的问题。

根据建三江管局的地理环境特点，观测点分散、距离远、无法使用动力电的情况，设计了一种低功耗的水位遥测系统，经过现场试验，该系统测量精度高，测点易组网，覆盖范围广，数据传输准确、可靠。

1 系统设计思想

鉴于测量点偏远、分散的特点，采用了集散控制思想，以管局的下辖农场为单位，每个农场的数据采集处理系统分为上位机系统和多个下位机系统，上位机负责集中管理各个下位机的工作，进行数据的报表、绘图等处理任务，并将传输来的数据通过网络报送给上级部门，下位机系统负责数据采集及数据传输，系统电源采用交流市电和太阳能供电的双电源设计，并且下位机进行了低功耗设计，由于监测点距离中心站远，数据传输采用了G200型GPRS模块的无线网络数据通信方式，数据传输准确、可靠。

系统结构如图1所示，由微型计算机通过接口电路与G200通信模块进行数据交换，向下位机发送指令和接收数据，各测点的下位机系统在测量间隙处于休眠状态，由上位机发送指令激活下位机的G200模块，G200模块唤醒单片机进行数据采集，并将采集的水位数据发送给上位机，由上位机进行数据的处理和存储。

图1 水位遥测系统框图Fig.1 Frame diagram ofwater level remote testing system

2 下位机系统设计

下位机负责水位信息的采集与发送，电路如图2所示。水位测量系统的关键是传感器部分，要求传感器要具有抗腐蚀、高密闭性、高精度和稳定性，常用的传感器有浮子式、压力式、传热式、导电式、超声波式和感应式数字水位传感器等，浮子式水位计的弊端是冬季结冰时无法使用，而且无法在流动的水中测量；传热式水位计测量精度较低；导电式水位计的传感器维护量大；超声波水位计具有价格高、存在测量盲区的缺点；感应式数字水位传感器是一种新型水位传感器[8]，精度高，但是价格较高，无法满足大范围布点的需求。相比而言，压力式水位传感器具有成本低、精度较高、维护量小的优点。因此，选择了以扩散硅压阻式传感器为核心的PT601型一体化液位变送器，利用水位与水体压力成正比，将水位变化引起的压力变化转换为传感器电阻变化，并由内部处理电路将电阻变化转换为4～20mADC，有利于信号的远传，液位变送器的工作温度-40～80℃，精度为0.1%，只需1根电源线和1根信号线与系统连接。

为了提高测量精度，采用了线性有源高精度隔离变送器T1650D，将输入的4～20 mADC线性地转换为0～5 VDC，其线性度和精度均为0.1%FS，隔离变送器和水位变送器与系统的连接如图2所示。水位变送器的电源由单片机的P1.3口控制，P1.3口控制晶体管9013，集电极控制继电器DS2Y的线圈电流，从而控制水位变送器的电源供电。

为降低系统功耗和成本、提高系统工作可靠性，水位采集系统核心选用的是STC90C516AD，片内集成8路八位AD转换器，正常工作功耗为4～7 mA，掉电模式下的功耗0.1μA以下。在测量空闲时，单片机切断水位变送器电源，使无线通信模块进入省电工作模式，单片机进入掉电工作模式，这时单片机只以极低的功耗保存内部RAM中的数据，其他部件都不工作，系统功耗只有72mW，当上位机需要水位数据时，主动唤醒下位机系统工作，采集时间只有5～10 s，功耗2.4W，按照用户要求，每天采集数据2次，系统绝大部分时间处于省电状态，因此，功耗非常低。为了便于系统维护，设计了液晶显示接口电路，显示器采用LCD12864，接口电路见图2，只有在系统维护时，才连接显示器。由于测点位置偏远，处于无人值守状态，为防止受到干扰，出现程序“跑飞”的情况，在程序设计中，采用了“看门狗”复位功能，监视程序运行情况，一旦出现“死机”现象，系统自动复位。

由于大部分观测点距离中心站较远，采用有线传输，费用高、维护量大，采用通用的无线RF通信模块或数传电台，无法覆盖如此大的范围，测点组网难度较大，因此，选用了G200型GPRS模块，网络节点数可达65 536个，能满足整个分局的测点数量要求。省电模式下静候电流小于6mA，考虑到系统功耗问题，将上位机通信模块设为正常工作模式，所有下位机的G200模块设为省电工作模式，采用应答式通信方式，如果10 s内模块无数据收发，自动进入省电工作模式。

由于网络中测点分散，在系统设计中，采用了交直流双电源供电方案。在可利用交流市电的场合，交流电经过AC-DC电源模块分别输出+5 V、+24 V和+12 V直流电压，分别为单片机系统、水位变送器和无线通信模块供电；在偏远地区，采用太阳能电池板和12 V蓄电池供电，12 V电源分别通过稳压模块转换为5 V和24 V电源，提高系统电源通用性。

图2 水位遥测系统下位机电路图Fig.2 Lowermachine circuit ofwater level remote testing system

3 上位机软件设计

上位机主要完成与下位机的数据通信、参数设置、数据处理等功能，数据通信通过TTL-232转换，与无线模块G200进行数据交换，参数设置主要完成G200模块的通信参数设置、采集系统的参数设置等，数据处理功能包括：数据格式转换、存储、报表、打印、绘图等。上位机定时唤醒下位机，定时时间可以在软件中进行设置，采集的所有数据由计算机进行存储，以备数据查询使用，数据的报表和绘图功能模块用于数据的上报和显示，所测数据为水面对井底的高度，需要通过软件计算转换为水位高程，然后以图形和表格形式显示，以利于工作人员分析水位情况，确定地下水的合理利用方案。

由于使用WindowsAPI编程非常繁琐、冗长，在WindowsXP操作系统下Visual Studio 2005.NET编程环境中使用C#语言编程完成，.NET集成了Serial Port类和Thread类进行串口通信与多线程编程，使用编程环境中的Serial Port类来实现串口通信功能，Serial Port类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大、通信快速、实时性好等特点，使用Thread类完成多线程编程，数据库模块采用广泛使用的SQL Server 2000来存储数据。

4 系统野外试验

系统野外试验于2010年8月和9月在八一农大校园自用井进行了试验，一个上位机分别管理5个测点，主机地址为1000，测点地址分别1001～1005。在安装水位传感器前，需要确定测点的零位，采用人工测量井底到水面下8～10m的位置点，为防止人为和外界气象因素的影响，测量集中在一个时段完成，取10次测量的平均值，作为水位零位测点。采用传统的人工观测数据与系统采集数据进行比较。采集时间确定为每天6点和18点，表1为1#井（地址为1001）测量数据，取8月16日早6点到8月20日18点之间的数据。由表中数据可见，测量误差最大为0.31 m，相对误差为0.49%，系统测量误差能够满足工程应用要求，测量精度符合中华人民共和国水文测报的精度要求。

表1 1#井测量数据表/mTable 1 Measurement data in 1#observation well/m

5 结论

经过野外试验，灌区地下水水位遥测系统具有测量精度高，误差小于0.49%，成本低，功耗低的特点，无需其他附属安装设施，维护方便，交直流两用电源可选，测距远，可以实现测点组网、任意增加网络节点（测点），数据处理更加简洁、便利，显示内容更为丰富、直观。与同类产品相比，具有低功耗、安装维护方便、组网简洁、数据报送更及时、准确的特点，可以为农场的地下水资源开采提供重要的依据。

［1］程娟，孙淑云，聂建平，等.中国地下水资源的开发利用和保护［J］.水利水电技术，2003，34(5)：1-3.

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