地下水取用水量水位测控系统的设计与实现

刘文贵，李岩，孙雪峰，郑荣杰

(1.河北水利电力学院，沧州市重庆路1号 061001；2.河北省高校水利自动化与信息化应用技术研发中心，沧州市重庆路1号 061001；3.河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，石家庄市石清路69号 050000)

地下水是水资源的重要组成部分，对保障我国城乡居民生活和生产、支撑经济社会发展意义重大。20世纪70年代以来，地下水不合理的开发利用，造成了地下水位持续下降，形成了地下水降落漏斗、地面沉降、水质恶化等[1]，引发了一系列生态环境地质问题。2013年1月2日，国务院办公厅以国办发〔2013〕2号公开印发《实行最严格水资源管理制度考核办法》，2020年2月，水利部办公厅发布了《关于开展地下水管控指标确定工作的通知》及《地下水管控指标确定技术要求(试行)》，要求各级水行政主管部门要切实提高政治站位，从经济社会发展全局、大局出发，充分认识地下水管控指标确定工作的重要性和紧迫性，科学划定地下水取用水总量、水位控制指标，明确地下水取用水计量率、监测井密度、灌溉用机井密度等管理指标，推动实现地下水合理开发和可持续利用，维护区域生态安全。因此，设计一种基于物联网技术的地下水取用水量水位测控系统，实现地下水取用水量和水位控制指标以及地下水管控和水资源可持续利用目标具有重要的现实意义和推广价值。

1 系统结构

基于物联网技术的地下水取用水量水位测控系统，主要由电气回路、传感器、测控电路、通信模块、物联网平台及客户端组成，如图1所示。传感器将监测到的水泵状态、水泵实时转速、水泵实时流量及地下水水位等数据上传到测控电路中，测控电路根据预设的地下水年度取用水量允许值及地下水水位阈值要求对电气回路进行控制，当年度取用水量超过年度允许值或水位低于水位阈值最低限定水位时，实现水泵停泵或闭锁启泵，从而实现地下水取用水量和水位双控制。现地测控电路通过通信模块将水泵状态、水泵实时转速、水泵实时流量等数据上传到物联网平台，实现对水泵运行状态数据的远程监控、存储、报表和分析等，物联网平台也可以根据预先设定的控制策略，实现对水泵的启停控制。客户端可以从物联网平台获得实时数据，便于用户了解水泵状态、取用水量、水位等数据。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

2 硬件电路

2.1 测控电路

测控电路包括隔离变压器、开关电源、主控制芯片、光耦隔离芯片、执行继电器、触摸屏等。根据项目实际需要，本系统的主控制芯片选用ATMEL公司的ATMEGA 328P。ATMEGA 328P具有32kBEEPROM存储器容量，2kB内存，2个外部中断，8路A/D转换，同时具有多路数字输入输出引脚[2]，可以较好地满足控制需求。为适应现场控制环境，主控制芯片与输入端子、执行继电器全部使用光耦隔离。在测控电路中，除主控制芯片外，其他电路均使用24V进行信号传输，具有较强的抗干扰能力。测控电路通过执行继电器对电气回路进行控制，当年度取用水量超过年度允许值或水位低于水位阈值最低限定水位时对取水水泵进行启泵闭锁或停泵。测控电路中通信口使用RS232标准接口，通过MODBUS协议与触摸屏进行连接，连接方便、牢固，具有较强的抗干扰能力，满足现场控制要求。测控电路功能框图如图2所示。

图2 测控电路功能框图Fig.2 Functional block diagram of measurement and control circuit

2.2 电气回路

电气回路由主回路和控制回路组成，电气回路图如图3所示，负责控制380V水泵电机的运行和停止(对于大功率水泵电机可采用降压启动方式)。主回路由断路器、接触器、热继电器及水泵电机等组成，控制回路由熔断器、启停按钮、停泵中间继电器触点、热继电器触点及接触器线圈及辅助触点等组成。

图3 电气控制电路Fig.3 Electrical control circuit

测控电路控制中间继电器KA2的线圈，通过KA2常闭触点，实现对水泵电机的停泵和闭锁。只在需要对水泵电机进行停泵或闭锁情况下断开触点，可以有效延长中间继电器KA2的使用寿命，保证长期可靠运行。通过接触器的一对常开辅助触点的开闭状态，将信号送给测控电路，实现对水泵的工作状态的实时监测。

2.3 传感器

系统采用转速传感器及液位传感器对水泵转速、流量及地下水水位进行监测。

转速传感器采用霍尔效应传感器，由安装在水泵泵体传感器及泵轴磁片组成。当水泵运行时，由于霍尔效应，转速传感器会产生连续脉冲信号，脉冲信号的频率与水泵转速成正比。假定在时间T(s)内，控制芯片获取N个脉冲信号，水泵转速为R(r/min)。水泵转速可以使用公式(1)进行计算。

(1)

测控电路中控制芯片的工作频率为16MHz，根据采样定理，测控电路可以较为精确地获取8MHz以内的连续脉冲信号。实际测控电路中，由于光耦隔离芯片最大工作频率为10kHz，因此，系统可以准确地获取10kHz以内的连续脉冲信号并通过公式(1)计算出水泵转速。由于大部分水泵电机额定转速都在2800r/min左右，因此，测控电路可以准确获取转速传感器产生的脉冲信号并计算出水泵转速。

测控电路可以利用水泵转速R进一步计算得到实时流量Q。假定水泵电机的额定转速为Re(r/min)，水泵额定流量为Qe(m3/h)，则实时流量Q(m3/h)可通过公式(2)进行计算。

(2)

地下水水位传感器采用开关量固定液位传感器和模拟量连续液位传感器。当水位高于、低于预设水位时，开关量固定液位传感器产生高、低电平信号，控制水泵电机启停。模拟量连续液位传感器采用压力传感器，当传感器在水下时，根据水位高低，产生一个0～10V连续电压值，控制芯片获取电压值，经过A/D转换、计算得到地下水水位值。

2.4 通信模块

通信模块采用安信可A9G GPRS通信模块。A9G GPRS通信模块是一个完整的四频GSM/GPRS+GPRS/GPS通信模块，具有I2C、UART、ADC等多种接口，是物联网应用中高性价比解决方案之一[3]。本系统开发了基于A9G的GPRS-UART透传通信模块，主控制芯片只需通过UART接口将监测数据发送给A9G通信模块，A9G即可自动将数据通过GPRS网络传送至物联网平台。通信模块使用灵活方便，可靠性高。

3 系统软件

3.1 主控制芯片软件设计

主控制芯片软件设计分为4个部分：ATMEGA328P主控芯片驱动传感器并获取数据；对获取的传感器数据进行运算，并与预设年度取用水量允许值及地下水水位阈值进行比较，当年度取用水量超过年度允许值或水位低于水位阈值最低限定水位时，水泵停泵或闭锁启泵；将测控数据传送给通信模块，由通信模块上传至物联网平台；按照MODBUS协议与显示屏进行数据通信，将测控数据传递到屏幕进行显示，并获取用户通过屏幕设置的参数。主控制芯片程序流程图如图4所示。

图4 主控制芯片程序流程图Fig.4 Main control chip program flow chart

3.2 通信模块软件设计

通信模块是物联网测控系统的重要组成部分，本系统使用A9G GPRS通信模块实现测控电路与物联网平台之间的通信。测控电路与物联网平台的数据通信使用工业级物联网通信协议MQTT。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议，MQTT协议轻量、简单、开放、易于实现，是物联网系统中应用最为广泛的通信协议之一。A9G通信模块使用RTOS实时操作系统，通过多线程程序运行及系统级事件响应实现GPRS网络连接、MQTT协议栈运行、UART数据收发等功能。测控系统的通信模块可完成以下任务：自动连接GPRS通信网络；使用MQTT协议自动连接物联网平台，并通过心跳包保持长连接；将接收到的监测数据转发到物联网平台；定时与NTP服务器进行时间同步，并通过UART端口发送到主控制器进行时间校准。通信模块程序流程图，如图5所示。

图5 通信模块程序流程图Fig.5 Communication module program flow chart

3.3 物联网平台设计

ThingsBoard是一个开源物联网平台，用于收集和可视化物联网设备的数据，平台支持MQTT、COAP等多种物联网协议，并可将数据存储在本地数据库中[4]。为保证物联网平台安全及数据可控，本系统在自有服务器上搭建了基于ThingsBoard的物联网平台。ThingsBoard物联网平台的每一个虚拟设备对应一台现地测控设备，为保证多设备运行时数据传输的一致性，现地设备需配置与物联网平台虚拟设备相一致的设备识别码。

ThingsBoard物联网平台采用B/S架构，管理员可以在任意浏览器中对数据进行远程实时监控。本系统在ThingsBoard物联网平台框架下开发用户UI界面，可以在电子地图中显示现地测控设备位置和实时监测数据，如图6所示，单击位置图标，可以进入设备实时数据显示界面，如图7所示。

图6 物联网平台设备位置页面Fig.6 IOT platform device location page

图7 物联网平台数据显示页面Fig.7 IOT platform device location page

为了使用户可以更加直观地查看地下水取用水量、水位测控系统状态，在设备位置监控界面设计中，使用3种颜色图标对测控系统状态进行区分，灰色图标代表测控系统处于离线状态，绿色图标代表目前测控系统所在位置符合地下水取用水量和水位双控制取水条件，紫色图标代表目前测控系统所在位置不符合取水条件。使用代码如下所示。

var res={

url:images[3],

size:50

}

varisactive=dsData[dsIndex][“active”];

if (isactive===“true”){

var value=dsData[dsIndex][“low_sensor”];

if(typeof value!==undefined){

if(value===“高液位”){

res.url=images[2];

}else if (value===“低液位”){

res.url=images[1];

}

}

}else if(isactive===“false”){

res.url=images[3];

}

4 结论

基于物联网技术的地下水取用水量水位测控系统通过电气回路、传感器、测控电路相互配合，实现了地下水取用水总量和地下水水位双控制。通信模块将监测数据实时上传到物联网平台，用户可以通过WEB客户端对水泵状态、水泵实时转速、水泵实时流量、年度累计流量、水位等数据进行远程监控。经过实际测试，本系统具有成本低，实时性强，性能稳定，易于扩展等优点，对实现地下水取用水量和水位控制指标以及地下水管控和水资源可持续利用目标具有重要的现实意义和推广价值。