基于GPRS的超声波水位监测系统设计

崔　庆，解晓蕾

（1.德州市潘庄灌区管理局，山东 禹城 251200；2.东营市东营区住建局，山东 东营 257000）

基于GPRS的超声波水位监测系统设计

崔庆1，解晓蕾2

（1.德州市潘庄灌区管理局，山东 禹城 251200；2.东营市东营区住建局，山东 东营 257000）

为完成对潘庄灌区总干渠实时水位数据的收集、传输和监控，设计了基于GPRS的超声波灌区水位监测系统，利用超声波水位计对总干渠水位信息进行实时监测。试验证明，监测系统测量误差在0.1～0.5 cm之间，能很好地完成对灌区总干渠水位的实时监测，性能较好，为潘庄灌区合理利用引黄水资源提供了保障。

潘庄灌区；水位计；GPRS；超声波

潘庄灌区位于德州市西北部，是全国大型引黄灌区之一，设计引水流量120 m3/s，灌溉面积33.3万hm2，干渠总长91.3 km。为了合理调度引黄水资源，提高灌区引用水效率，需实时、有效地采集总干渠水位数据，通过对引黄干渠水位数据进行长期实时采集和数据分析，为灌区管理者提供准确及时数据，根据水位变化及时调整用水调度方案，保障引黄水资源的可持续开发利用。

1　监测系统设计方案

该水位监测系统的功能是通过超声波水位计采集水位数据信息，再经由单片机处理这些信息并通过GPRS通讯上报到远程端的监控中心，实现实时采集、有效快速传输数据。灌区水位监测系统主要由超声波水位计、数据处理器、GPRS通讯、太阳能供电等部分组成。

1.1超声波水位计

超声波水位计由水位测量发射端机和水位数据接收端机两部分组成，水位测量发射端机安装在前端观测点用于采集水位数据，主要由超声波传感器、天线、信号发射器、钢杆、太阳能电板等部分组成。水位数据接收端机安装在中心机房内用于接收和处理水位数据，包括：无线数据接收机、处理机、天线以及计算机。

超声波水位计利用前段探头发射超声波，当超声波到干渠水面时有部分声波被反射回接收探头，通过来回时间计算水位数据。设超声波来回的时间为t，水面到水位计发射端的距离为H，超声波在空气中的传播速度为v，H1为水位计安装高程，则干渠水位值h为：

1.2数据处理器

数据处理器采用低功耗完全集成的C8051F410单片机，它选用8051兼容微控制器为内核，内部集成的接口资源丰富，功能强大，使用单片机内部12位ADC进行水位计的模拟信号采集，用户可通过软件设计将ADC置于关断状态以节省功耗。

检测系统设计软件采用Visual Basic串口通信，把程序和数据封装成为一个实体，有针对性直接设计，不需要重复编写大量代码，缩短软件开发周期。软件实现的功能：对水位数据进行实时接收、储存并显示在屏幕上；系统可设置监测水位、警戒水位、相关参数等信息。报警功能主要是通过放大输出信号，当出现高低警戒水位时系统会发出“嘀，嘀，…”的报警声音，警告管理人员及时发现水位的变化情况，及时汇报并采取相应措施应对，避免发生险情。

1.3GPRS通讯

灌区测水点一般距管理中心较远，为实现信息的实时快速传递，本系统无线通讯选用GPRS DTU，具有延迟时间短、建造及运行成本低、通信不受距离及地理位置限制等特点。它是实现串口设备数据通过GPRS无线网络传输的设备，通过特定接口连接远程测控终端从而进行数据传输，除具备DTU均具备的支持TCP/UDP协议，也支持动态域名通信方式和固定IP地址访问。

GPRS通信的使用中首先应加入网络，初始化过程中会判断GPRS通信入网是否连接成功。如果登陆成功，则初始化成功，然后与设备建立TCP连接，保证采集数据传输的可靠性，采集的数据再利用GPRS无线网络可实现水位数据的快速实时传输到数据监控中心，供灌区管理局工作人员使用。

1.4太阳能供电

系统终端采取蓄电池和太阳能双重供电模式，以蓄电池供电为主，太阳能给蓄电池充电为辅。太阳能供电系统主要由太阳能电池板、充电控制电路、蓄电池和电源调理电路等4部分组成。太阳能电池板是由多个太阳能电池单元组合而成，充电控制电路的作用是将太阳能电池输出的不稳定的电能转换为稳定的电压电流，传感器采用12-24V供电，GPRS通信采用12V供电；蓄电池的功能是存储电能，并向设备提供稳压；电源调理电路的功能主要是是稳定电压并将其输送到其他设备。

2　系统应用

该系统应用在德州市潘庄灌区管理局齐河中心所进行数据的采集传输并与人工观测值作对比试验，试验参数设置闸前探头编号为1，高程为34.18 m，最小高程差为2.88 m，最大高程差为5.38 m；闸后探头编号为2，高程为33.46 m，最小高程差为2.61 m，最大高程差为4.81 m，试验中选取黄海水平面为基准水位。选取2015年6月数据与人工观测数据资料进行比对见表1。

通过表1数据对比分析得出，由监测系统显示的水位数据与人工观测值相差甚小，部分数据出现微小差别，产生的原因主要有以下几点：1）对比试验时出现下雨刮风天，干渠水面波浪起伏较大，造成测量读取数据时出现一定影响；2）干渠里程较大不免出现漂浮物，在测量期间干扰了超声波水位计的感应，造成出现短时错觉数据；3）总干渠两岸农业灌溉用水也会影响水位的动态变化，造成试验产生误差；4）人工观测也存在一定的误差。本文基于GPRS的水位监测系统性能高，能及时有效监测水位的动态变化，产生的误差介于0.1～0.5 cm之间，满足《水位观测标准GB/T50138-2010》的条件。

表1　齐河中心所闸前闸后2 h实时水位实测对比数据表 m

3　结语

本系统设计的基于GPRS通讯的超声波水位数据采集终端，选用的处理器是C8051F410单片机，解决了传统人工测量不能进行实时有效监测的问题，同时利用GPRS通信技术完成了灌区对水位数据的实时快速远距离传输，并能准确接收信息、存储信息、实时显示数据的 功能，该系统也为灌区引黄水利工作提供科学依据，为灌区合理利用引黄水资源提供科学保障。

（责任编辑张玉燕）

TP29

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1009-6159（2016）-05-0010-02

2015-10-15

崔庆（1987—），男，助理工程师