基于液面检测传感器的水位自动监测系统研究

屠佳佳，沈 冰，张永超

（1.浙江机电职业技术学院自动化学院，浙江 杭州 310053；2.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310052）

1 问题的提出

我国水利信息化建设发展迅速，每年投资力度越来越大。随着科学技术水平不断提高，水利信息化技术也在持续提升与更新[1-2]。例如，在水利工程最基础的水位数据测量中，测量方式已经由接触式转向非接触式，传感器也由压力式演变到超声波再演变到雷达波等[3]，使水利工程的水位监测变得灵活、方便、简单。但是技术发展的同时也必须考虑到一些问题，比如设备成本，数据准确性、稳定性、维护成本以及更适用的技术等[4]。

目前，利用非接触式水位计测量水位的监测站点应用广泛，但点多分散、技术资源紧缺、维护难[5]。而且非接触式水位计长时间使用易产生数据漂移，使得水位监测站点面临“重建轻管”的局面，长期运行会导致水位数据不准，特别是在汛期极易引起重大事故。因此，本文研究一种基于液面检测传感器的水位自动监测系统，尝试解决上述问题。

2 系统设计

2.1 系统结构

水位自动监测系统结构见图1。其中，水位控制器作为系统核心硬件设备，一方面定时启动水位自动测量；另一方面实时采集液面检测传感器和限位传感器信号，根据信号情况控制步进电机的运动并实时记录运行距离，最后换算成水位数据，通过数据传输单元实时上传至管理中心监控平台。摄像头一方面监控装置的自身安全，实时监视水位测量全过程，如果出现问题，管理人员可以实时掌握情况；另一方面监控装置附近的水情安全情况，如是否有人落水，是否突发洪灾等。

图1 水位自动监测系统结构图

2.2 硬件设计

根据系统结构设计的基于液面检测传感器的水位自动监测装置结构见图2。装置中的滑台模组包括步进电机、滑台、滑块等；设备箱内安装水位遥测终端、充放电控制器、蓄电池等。

图2 水位监测装置结构图

该装置结构简洁明了，采用的硬件设备均为常用产品，因此具有采购方便、成本低的优势，同时具备滑台模组精度高、运行稳定的优点，基本可实现免维护、免校准。

位于偏远地区的水位监测站点，无法接入市电或者市电接入困难，因此设计可拆卸的太阳能发电系统。在无市电的站点直接采用太阳能发电系统供电；在有市电且重点监测的站点则采用市电供电，太阳能发电系统作为备用电源，以保证系统稳定运行；在有市电且一般监测的站点则直接采用市电供电，不安装太阳能发电系统，节省成本。

2.3 水位测量原理

水位测量原理见图3。图2中，滑块在滑台上的行程H1为上限位传感器和下限位传感器之间的距离，也就是液面检测传感器下降的最大高度，是固定不变的。图3中，H2为液面检测传感器到河道、渠道或者水库底部的距离，装置安装完成后也是固定不变的。h1是当前实际水位高度，h2则是液面检测传感器到液面的高度，h1、h2的值分别随液面的变化而变化，但是和不变，即H2=h1+h2。

图3 水位测量原理图

测量水位时，液面检测传感器随着步进电机带动滑块一起向下运动，接触到液面的瞬间，液位传感器发生信号变化，水位控制器监测到信号后，立即控制步进电机停止运动，并计算步进电机的行进圈数，换算成液面检测传感器下降的高度，即液面检测传感器到当前液面的高度h2'，当前水位即为h1'=H2-h2'。

测量和计算的过程都非常简便，耗时仅十几秒，测量精度高。每次测量完毕，步进电机带动滑块和液面检测传感器回到上限位，水位控制器则控制步进电机归零复位。因此，没有累积误差，可以保证水位测量的高精度、高稳定性，实现基本免维护和免校准，只是水位测量的量程具有一定局限性。

3 硬件选型

3.1 水位控制器

水位控制器基于STM32单片机自主研发，采用ARM Cortex-M3架构，具有超低功耗，休眠模式运行功能，适用于野外太阳能供电的工作环境。水位控制器主要功能见表1。

表1 水位控制器主要功能表

3.2 液面检测传感器

液面检测传感器利用红外光学原理，将检测的液位、液面信号通过光学信号传递，转换为电信号输出，再通过传感器电路采集的电压信号判别液位情况。该传感器设计紧凑，体积小巧，防水，圆锥外形方便钻孔，测量精度高，支持低功耗工作，传感器头部光顺，不易沾污，遇水容易清洗，可以进一步保证水位监测精度和准确度。另外，价格低廉，性价比高。液面检测传感器性能指标见表2。

表2 液面检测传感器性能指标表

3.3 滑台模组

滑台模组也称直线模组，应用广泛。一般利用步进电机带动滚珠丝杆转动，使滚珠丝杆上的滑块做直线运动，将旋转运动转换成直线运动；也可以通过多个单元组合实现负载的直线、曲线运动，使轻负载的自动化更加灵活、定位更加精准。实验装置采用型号为FSL40的滚珠新丝扛滑台，铝合金材质，有效行程为500.00 mm，单轴定位精度0.03 mm。

4 实验测试

根据系统结构和硬件设备，搭建基于液面检测传感器的水位监测实验装置（见图4）。根据水位监测要求，该装置支持定时上报和预警上报2种模式。正常情况下，水位控制器按照要求定时控制步进电机转动，带动液面检测传感器下降，完成水位测量。测完后如果没有异常情况，即水位数据变化不大，则装置处于休眠状态，等间隔时间到再唤醒设备进行水位测量。如果前一次测完后发现水位数据变化较大，则上报预警信号，并立即再次测量，以确定水位是否突涨或者突降。

图4 水位自动监测实验装置图

装置搭建完成后，进行现地/远程控制上报、定时上报和预警上报等测试实验。定时上报实验中，设置上报时间为5 min；预警上报实验中，设置水位变化为5 cm。实验结果表明，该装置运行稳定，与刻度尺测量的水位数据相比，系统水位测量数据准确，精度高。水位数据处于正常情况下，测试结束立即进入低功耗休眠状态；水位数据处于异常情况下，能连续重复测试3次并发出实时预警信息。该系统实际测试效果良好，能够在淤积少、水位高程稳定的渠道或河道的水位监测中进行推广应用。

5 结 语

水位作为水利工程中最基础的数据之一，在防洪抗旱和灌溉中有着非常重要的地位，保证水位监测的准确性与当初建设水位监测站一样，应受到高度重视[6]。目前国内建设了大量水位监测站，监测设备包括超声波和雷达水位计，不仅价格昂贵，而且长期不校准会导致数据漂移、水位测不准，正常维护需要大量资金和技术资源。本文提出的水位自动监测装置虽然存在测量量程较小的问题，但价格低廉、运行稳定、测量精度高、基本免维护，在淤积少、水位高程稳定的渠道或河道水位监测中具有一定的应用价值。