智能传感系统在地下水动态监测中的应用

刘耀峰

（山西省水文水资源勘测局，山西 太原 030001）

1 系统概述

地下水动态是指地下水的变化和趋势，包括水位、水量、水质和水温，在自然和人为因素的共同作用下，地下水存储空间随时间变化的规律。然而，地下水中的这些变化必须有计划、系统地去监测并长期记录，才能了解并掌握。

21世纪以来，我国地下水监测水平有了显著提高，但与发达国家相比仍存在较大差距。地下水监测是水利建设和地下水资源开发利用中的一项基础性工作。在地下水开发利用、规划、设计、施工、管理和科研等各个方面，首先要寻求一个自动、可靠、准确的监测系统。

地下水监测系统采用GPRS通信技术，可靠性高、覆盖范围广、不受地域限制、按流量计费，不仅能保证数据传输及时、准确，而且系统运行成本也会降到最低。另外，该系统很好地解决了因增加监测项目而使数据量增加对成本的影响。地下水监测井大多远离城市，环境复杂，拆除已有管道系统和管道安装都比较困难，而且其准确性也会受到很大影响。因此，系统在监测点采用传感器的形式，利用GPRS无线数据通信。该传输机制网络信号覆盖范围广，数据传输高效，通信质量高，误码率低，有很好的安全性和可靠性，安装方便，信息流的计费和用户成本较低，可以解决监测点较为分散、数据量大等问题，并易于更新和维护控制系统。监测中心的管理软件能够采集远程数据，实时进行远程监控，并将所有监测到的数据存入数据库中，同时生成各种报表和曲线。

数据收集器和服务器管理中心是系统的两大组成部分，包括流量计和GPRSDTU（数据终端设备的数据传输单元）组件数据收集站。DTU首先注册到移动的网络，然后发送建立SOCKET的请求包给移动，移动再将此请求发送到互联网。流量计通过传感器测出管内液体的开采量信息，并按照特定的协议代码通过RS232串口发送到GPRS数据传输单元。

在地下水开发利用中，就空间和时间而言，开采量具有累加性而不具有连续性，水位和水质具有连续性而不具有累加性，在一定时间（或空间）内，测量地下水开采量不能以点代面，而测量地下水水位在一般情况下都可以。因此，动态监测地下水开采量与监测地下水水位或水质的方法完全不同，主要体现在监测数据的使用和监测点的结构布置上，如地下水开采量统计采用累加法，而地下水水位与水质的统计则采用平均法。因此，本系统采用时差法流量计测量管道内被测液体的流量。

2 基于GPRS的地下水动态监测系统结构

在结构上，该系统具有自身独特的特点：数据监测系统通过传感器测出管道内水体的流量，并经GPRS将数据发送到系统服务器。一方面，信号采集模块发出调取数据命令，同时将传感器发回的时间差模电信号转化成水体流速的数字信号回传到用户终端。另一方面，水流量监测模块将累计计算的水流量数据按时间累积，将结果传送到终端显示。通讯模块接收GPRS数据传输单元返回的调取命令并将其发送到微处理模块，再按命令从存储模块中读出数据将其发给串口信号采集模块，最后由串口信号采集模块经GPRS数据传输单元返回服务器中心。在系统供电方面，电源模块把24V直流电源转换成5V和3.3V的工作电压。

在网络设置上，串口到GPRS无线网络通过和流量计连接的GPRS数据传输单元实行双向转换，同时实现自动登录、重拨，定期进行网络监测等，另外也可通过设备的串行端口对设备进行调试和设置。

3 系统软件及通信协议

在软件方面，该系统采用地下水监测系统专用软件和B/S结构，系统管理员负责管理，其他人员被授权后可通过局域网访问服务器。同时该软件可在互联网上公开，经过授权后可在任何地方的计算机通过Internet访问和系统操作。系统服务器利用流量计发回的数据进行统计分析后能够绘制成历史数据、实时数据的直观曲线图，并按时间生成规范报表同时存入数据库。

系统的通信方式采用由服务器中心定时向GPRS数据传输单元发送符合ASCII模式的调取命令，流量计模块接到指令后将数据以同样的模式通过GPRS网络发回中心服务器，从而提高了通过互联网发送数据的可靠性和GPRS数据传输单元驱动软件编写的完善性。

4 供电方式

地下水监测点大多设在野外，一般不具备供电电源。根据监测数据频率，供电方式可选择太阳能或锂电池供电。若数据上报比较频繁，可使用太阳能供电；若数据上报不频繁，建议使用锂电池供电。

太阳能供电适用于有站房的监测井，由太阳能充电控制器、铅酸蓄电池和太阳能光电池板三部分组成。根据现场用电设备（包括现场采集设备与微功耗测控终端）的功率来选择蓄电池的容量与光电池板的大小。使用锂电池供电适用于没有站房的监测井，内置一组锂电池组作为工作电源，特别适合于没有外部电源供电的现场环境、微功耗设计，锂电池组正常情况下可以工作2~5年。

5 结语

智能传感系统结构简单，可广泛用于地质、水文等领域，能很好地适用于交通、电力不便，环境复杂的偏远山区，可从根本上改变人工监测客观性差、可靠度低的现状，实现区域地下水动态监测自动化控制的目标，提高区域水资源管理水平和工作效率，具有较高的推广与应用价值。