长期观测井地下水监测系统研究

黄操军，石莉莉

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

随着我国经济快速发展，人口不断增长，对水资源的需求量急剧增加。地下水又是水资源的重要组成部分，占水资源总量的1/3，已成为生产、生活、生态用水的重要供水水源。然而地下水资源不合理的开发与利用，已经导致诸如地面沉降、地裂缝、海水入侵、地下水污染等一系列地质环境问题[1]。在我国东北地区，特别是黑龙江垦区，农田灌溉水源主要为地下水。以某农场为例，总耕地面积为126万亩，其中水田面积为80万亩，占总耕地面积的63.4%。由于国家对农业及产粮地区的高度重视，农场逐年加大水田改造的力度。目前，水田面积的不断扩大导致地下水位逐年下降，水资源的不足已成为农场水田发展所面临的瓶颈。本文根据某农场现状，设计了一种地下水监测系统，对五口长期观测井进行地下水位监测。

1 系统的实现

长期观测井地下水监测系统主要由数据采集站、无线传输网络和信息监测中心三部分组成，其总体结构如图1所示。

数据采集站完成水位数据的采集、计算、存储与现场显示，同时与现场的G200设备通信传输。无线传输网络完成远程采集站和信息监测中心的通信和数据传输。信息监测中心主要任务是接收来自各个数据采集站的数据包，将接收到的水位信息显示，存储，打印，查询，分析等。

2 硬件设计

数据采集站硬件电路设计主要由单片机STC90C516AD、水位传感器PT601、无线通信模块G200、继电器、太阳能电池板以及蓄电池等组成。

2.1 单片机STC90C516AD

处理核心选用宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、高可靠、低功耗的STC90C516AD单片机，片中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、RRPROM、看门狗等模块，功能强大。工作电压为3.3V，支持空闲和掉电两种低功耗模式。作为采集站的核心，STC90C516AD主要负责通过ADC2口对电压信号进行模数转换，再通过UART口对GPRS模块控制进行与信息监测中心的数据交换，实现数据的通信传输。

2.2 水位传感器PT601

PT601采用进口扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。它的结构特点是，敏感元件由弹性体和应变片(转换元件)合为一体。因此，它的灵敏度高、分辨力高；迟滞、蠕变、老化现象小；稳定性好，且功耗低、散热好。为了提高测量精度，将水位传感器的电流输出与线性有源高精度隔离变送器相连转为电压输出，然后接入单片机STC90C516AD的ADC2口，即可完成水位数据的采集[2]。

2.3 无线通信模块G200

G200是由北京捷麦公司生产的内置TCP/IP协议栈的GPRS无线通信模块，其操作简单，所有网络信息交换都在模块内部自动完成。它的特点：不用单独拥有一个固定的IP地址；具有一般工作模式和省电工作模式，并且具有唤醒功能；与各种组态软件直接连接不需要专用的驱动程序；还支持总线式的被动传输数据。模块上有插入SIM卡插入卡座，在使用G200时，先安装好具有GPRS数据传输功能的SIM卡，保证模块能够正常工作。模块的五芯口的电平是TTL，如果上位机的接口是TTL电平，则可直接相连；如果上位机的接口不是TTL电平，则要用到电平转换线。此模块配有两种电平转换线：TTL-232和TTL-485，它们的作用就是将TTL电平转换成上位机所需的电平。单片机STC90C516AD的串口与G200的串口相连，通过调用相关的AT指令来控制模块实现数据的传输。[3]

3 软件设计

3.1 采集站软件设计

采集站的软件设计主要包括地下水位信号的采集和数据的发送两个部分。水位采集周期为1小时，程序流程图如图2所示。

图1 系统总体结构图

图2 程序流程图

开机后首先进行系统初始化，当上位机需要水位数据时，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，之后单片机会控制继电器开启传感器电路的供电，采集水位数据，并将数据计算、存储、显示。然后将水位数据和采集时间打包并发送，由于系统采用的是太阳能供电方式，为了降低功耗，在测量空闲时，单片机切断水位传感器电源，使G200模块进入省电模式，单片机进入休眠状态，根据系统需要可以灵活设置采集周期，本设计设置的采集周期为1小时，所以待机1小时后，会再次循环。

3.2 无线传输的软件设计

G200型GPRS模块与计算机和单片机的通信是靠串口连接的，串口传输数据的帧格式为1个起始位、8个数据位、1个停止位，无校验位。系统采用STC90C516AD的内部计数器T1作为波特率发生器，波特率设置为9600bps。该监控系统采用点对多点的模式，监控中心发送数据的目的地址是各个数据采集站点，而数据采集站点发送数据的目的地址是固定的信息监测中心。因此，信息监测中心的G200型GPRS模块的工作方式的格式传输，各个数据采集站点的GPRS模块的工作方式为透明传输。[4]

3.3 信息监测中心软件设计

软件采用了B/S结构，有效地提高了系统的效率和安全性[5]。长期观测井地下水监测系统的软件主要功能模块如下。

1)数据采集模块：通过标准通信接口，将接收的信息数据提供给数据处理模块，转换成系统可以识别的格式，并将数据保存在实时数据库系统中。

2)数据分析处理模块：进入该模块后，可以观测实时的水位数据，还可按照站点名称或编号、时间、参量等进行水位数据的高级查询，查询结果以列表、曲线图形式显示，也可以将查询结果导入到EXCEL中。此监测系统可以通过以上多种灵活的手段对水位数据进行查询、汇总、统计、分析、打印等。

3)系统管理模块：系统的基本信息管理包括测量的参量信息的设置和各测点的串口参数设置、水位测量基础参数设置和采样定时参数设置等。系统用户管理的功能以默认的系统管理员账号添加、修改、删除用户，指定用户类型是普通用户还是管理员；指定用户对某一功能模块的操作权限。

4 系统应用

根据系统的设计方案，为建三江某农场水利局成功开发长期观测井地下水监测系统。采用微软Visual Studio 2005作为开发环境，C#为开发语言，Windows XP作为操作系统，数据库采用SQL Server2000来存储数据，利用.NET技术完成了软件系统的开发[6]。在主要的生产单位、生活用水区和农业灌溉区安装配置了五口地下水监测井，信息监测中心配有一台服务器。表1是系统地下水位实时监测的部分数据结果。

表1 系统地下水位实时监测数据

5 结语

该系统利用太阳能供电，环保无污染，配合使用具有空闲和掉电两种工作方式的低功耗单片机STC90C516AD，同时在软件设计上采用定时供电的方法进行数据采集和传输，大大降低了系统的耗电量；在网络传输方面选择了覆盖范围广的GPRS无线通信模块G200，更进一步降低了系统的功耗，且省去了复杂的网络建设费用，实现了无人值守监测。经实验表明，该系统工作稳定，数据传输可靠，且低功耗，为水资源可持续开发利用提供科学依据，利用数据库资源，可以建立地下水位预测模型，对于空间上地下水位分布规律和变化进行分析，观测水位变化趋势，为农业灌溉提供数据支持。

[参考文献]

[1] 陈秀宏，钱东平，赵瑞明.基于掌上电脑的地下水自动监测系统软件的研究[J].微计算机信息，2006，22(28)：256-258.

[2] 张建军，李颀，丁明东，等.基于MSP430单片机的高精度压力变送器[J].仪表技术与传感器，2010(1)：32-35.

[3] 许景辉，何东健.基于GPRS的小型水文信息采集系统研究[J].水力发电，2007，33(2)：19-20.

[4] 辛艳辉，袁合才.水情数据远程采集系统设计[J].人民黄河，2010，32(3)：29-30.

[5] 邵江丽.基于GPRS技术的水情自动测报系统设计[J].华电技术，2009，32(2)：24-25.

[6] 胡胜利，万晋军.基于GPRS的地下水自动监测系统设计[J].水利水电技术，2011，42(1)：89-91.