野外孤立漂浮锚定无线智能水位计研究

高学臣，王晓晨，叶雨龙

（水利部机电研究所，天津301900）

1 引言

在水利水电自动化控制系统中对液位的监测必不可少，近些年随着我国社会的稳步发展，对水位监测手段和方法不断提出新的要求，现代电子技术、传感器技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水位监测技术的发展；特别是在野外恶劣环境下，由于安装、架线和后期维护都有一定难度，传统的测量方式已不能满足实际需求。

2 现状及解决方案

2.1 现状

传统的水位测量方式一般都是现场将投入式水位计探头安装在提前布置好的钢管内，采集到的水位信号（4～20 mA）通过电缆传输到监控中心，一旦传输距离过长就会造成信号衰减，致使测量的数据不真实；河流、湖泊、水库、山区等的水位监测站点普遍分布在野外，大部分野外环境较为恶劣，并且由于地处偏远，安装和架设供电线路以及信号传输都比较困难，建设成本高，后期设备维护也是难题。有些地方还在通过人工采集水位数据，这显然不能满足现代化水位监测的要求。随着无线通信技术的发展，近年来，GPRS无线通信技术在工业控制领域的应用日趋广泛，通过远程监测能使管理者及时了解现场信息，进行快速决策，并省去很多人力。

2.2 解决方案

野外孤立漂浮锚定无线智能水位计是针对市场需求而研发的一种适合野外恶劣环境下使用的新型无线智能水位计装置，采用水上浮筒固定水位计，基于GPRS无线通信技术[1-2]，以GRM200 G信号传输模块为核心，采用低功耗技术用太阳能供电，将水位计现场采集到的水位信号发送到控制中心，并具有手机APP功能，通过手机APP查看实时信息，提高管理效率。本设备完全防水，可长期应用于野外环境，基本解决水位计在野外布点安装、供电、信号传输和后期维护等方面存在的难题。

方案示意图如图1所示。

图1 方案示意图

3 组成与原理

野外孤立漂浮锚定智能水位计系统由监测中心、通信网络、监测设备、测量设备、供电设备、浮筒平台等6部分组成。

监测中心：电脑、手机终端。

通信网络：GPRS。

监测设备：无线传输模块。

测量设备：投入式水位计。

供电设备：太阳能板、蓄电池、控制器。

浮筒平台：浮筒、锚。

系统主要通过2只不锈钢锚将浮筒固定在水面，供电设备提供电源供给，投入式水位计固定在浮筒上，并投入水中采集水位信息，通过MODBUS通信将数据传输到无线传输模块，无线传输模块再通过GPRS网络将采集到的数据传输到监测中心，实现数据远程监控。

4 试验及成果分析

4.1 样机组装（图 2）

图2 样机组装效果

4.2 试验过程

4.2.1 实验目的

（1）验证水位、水温信号传输的稳定性、真实性。

（2）验证供电系统供电能力。

（3）验证浮筒在水上的稳定性。

4.2.2 试验工具

螺丝刀2把、万用表1台、数字式温度计（0～40℃）1只、手机卡（移动带流量）1个、笔记本电脑1台、手机1台。

4.2.3 试验过程

（1）试验一：验证水位、水温信号传输的稳定性、真实性。

1）首先将笔记本电脑安装好系统软件、手机安装好系统APP软件；将带流量的手机卡插入GRM200 G数据传输模块卡槽内，做好调试前准备。

2）向带刻度的有机玻璃管内注入100 cm清水，用数字温度计测量此时的水温为3.04℃，作好相应记录；将组装好的样机的水位计放到水桶中，用万用表测量供电装置输出电压为23.9 V；接通电源，各元器件工作正常；水位计采集水位信号，通过MODBUS通信传输给GSM200 G数据传输模块，GSM200 G数据传输模块再通过GPRS网络将数据传到准备好的笔记本电脑或手机上，监测到的数据如下：

手机APP监测数据：水位1.03m，温度3.1℃（图3）。

图3 手机APP界面

手机短信检测到的数据：水位1.03 m，温度3.1℃（图 4）。

图4 手机短信界面

笔记本电脑检测数据：水位1.03 m，温度3.1℃（图5）。

图5 电脑界面

（2）试验二：验证供电系统供电能力

2018年12月13日天津蓟州区日照充足，在14日人为将供电输入端拆除，仅用蓄电池供电，在14～17日期间，水位计采集到的水位信号在监测终端24 h显示正常，这说明供电系统完全满足4 d无日照供电要求。

（3）实验三：验证浮筒在水上的稳定性

将整个样机放入事先注满水的水池内，通过观察，浮筒平台没有发生倾斜现象，2个锚抓地牢固，人为搅动水面，浮筒没有发生明显偏移，锚抓地牢固。

4.3 性能与特点

4.3.1 浮筒平台

用高分子聚乙烯浮筒作为水上平台，浮筒上搭载电气控制箱和太阳能板，浮筒用2只2.5 kg不锈钢锚在水下固定，将投入式水位计固定在浮筒上并配有重锤，防止液位变送器随水流漂动，提高测量精度和稳定性，解决了水位计野外不易安装问题。

4.3.2 供电技术

设计低功耗电路板，采用太阳能供电，解决偏远地区布线供电难题；供电系统由太阳能板、硅胶蓄电池和充电控制器组成。

考虑南方多雨气候，太阳能板200 W大功率，满足全天2 h、4 d完全无日照供电；硅胶蓄电池为2块12 V 80 Ah，在-30℃～60℃环境下免维护连续工作5年后蓄电池容量衰减不超过30%，基本满足北方高寒环境；充电控制器采用工频变压器隔离方式，DC与AC全隔离，具有安全可靠保护功能：蓄电池接反、欠压、过压、过热、输出过载、输出短路、蓄电池过放电、蓄电池过充、夜间防反充等一系列报警和保护功能。

4.3.3 无线通信传输

用GRM200 G无线通信模块作为远程监控的测控终端，接收并发送水位计采集到的水位信号，同时具备GPRS和短信通信功能功能。

图6 无线通信示意

GPRS基于移动运营商现有的通信网络，主要用来进行数据传输，利用GPRS和GRM200 G模块，可以非常方便的实现分布在各地的设备的联网，值班人员可利用组态软件通过电脑，手机网页浏览，电脑网页浏览查看水位信息。GPRS作为主流的通信方式可以轻松应对大部分应用，但是其不足之处在于，当基站覆盖的区域语音业务比较繁忙时可能导致GPRS信号中断，此时即可通过手机短信监控远程设备，值班人员手机也可以通过短信查看数据,随时随地了解设备状,更重要的是，设备出现故障时，可以发出报警短信通知，真正可靠保障设备安全，实现无人值守；使用简单，无需搭建服务器，无需固定IP或动态域名，模块内置手机网页，客户使用组态软件或手机，即可轻松完成无线监控自带组态软件远程监控（查看数据，历史数据报表，趋势图等）；稳定安全，专门针对组态软件OPC驱动优化设计永远在线，稳定性高，确保数据安全；无距离限制，有移动网络的地方，即可监测。

实现现场数据的无线传输，解决野外布线困难的问题，节省人力及施工成本。

4.3.4 适用领域

利用此平台装置除可监测水位、水温外，还可实现多样化监测，如压力、水质、视频信号等监控。只需将投入式水位计换成相应所需变送器即可，操作简单，实用性强，可满足绝大多数恶劣场合的监测要求。

4.4 成果分析

通过对以上试验数据的分析，充分验证 了野外孤立漂浮锚定无线智能水位计在实际野外恶劣、复杂环境中应用的可行性。但该水位计还未能大范围推广，下一步将通过实际应用验证该水位计的性能，并对实际应用中发现的问题不断进行改正，最终为水利行业提供一种经济、稳定、可靠的水位监测产品。

5 结论

野外孤立漂浮锚定无线智能水位计基本解决了水位计在野外布点安装、供电、信号传输和后期维护等方面存在的难题，降低了建设成本，方便后期维护，可广泛用于野外、高寒、偏远地区，具有非常广阔的市场前景，随着科技的进步，水位监测技术也将更加先进，我们愿为水利事业做出应有的贡献。