黃操軍，石莉莉

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，人口不斷增長，對水資源的需求量急劇增加。地下水又是水資源的重要組成部分，占水資源總量的1/3，已成為生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的重要供水水源。然而地下水資源不合理的開發(fā)與利用，已經(jīng)導(dǎo)致諸如地面沉降、地裂縫、海水入侵、地下水污染等一系列地質(zhì)環(huán)境問題[1]。在我國東北地區(qū)，特別是黑龍江墾區(qū)，農(nóng)田灌溉水源主要為地下水。以某農(nóng)場為例，總耕地面積為126萬畝，其中水田面積為80萬畝，占總耕地面積的63.4%。由于國家對農(nóng)業(yè)及產(chǎn)糧地區(qū)的高度重視，農(nóng)場逐年加大水田改造的力度。目前，水田面積的不斷擴大導(dǎo)致地下水位逐年下降，水資源的不足已成為農(nóng)場水田發(fā)展所面臨的瓶頸。本文根據(jù)某農(nóng)場現(xiàn)狀，設(shè)計了一種地下水監(jiān)測系統(tǒng)，對五口長期觀測井進行地下水位監(jiān)測。

1 系統(tǒng)的實現(xiàn)

長期觀測井地下水監(jiān)測系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集站、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息監(jiān)測中心三部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集站完成水位數(shù)據(jù)的采集、計算、存儲與現(xiàn)場顯示，同時與現(xiàn)場的G200設(shè)備通信傳輸。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)完成遠程采集站和信息監(jiān)測中心的通信和數(shù)據(jù)傳輸。信息監(jiān)測中心主要任務(wù)是接收來自各個數(shù)據(jù)采集站的數(shù)據(jù)包，將接收到的水位信息顯示，存儲，打印，查詢，分析等。

2 硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集站硬件電路設(shè)計主要由單片機STC90C516AD、水位傳感器PT601、無線通信模塊G200、繼電器、太陽能電池板以及蓄電池等組成。

2.1 單片機STC90C516AD

處理核心選用宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、高可靠、低功耗的STC90C516AD單片機，片中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、I/O接口、RRPROM、看門狗等模塊，功能強大。工作電壓為3.3V，支持空閑和掉電兩種低功耗模式。作為采集站的核心，STC90C516AD主要負責(zé)通過ADC2口對電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過UART口對GPRS模塊控制進行與信息監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信傳輸。

2.2 水位傳感器PT601

PT601采用進口擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體,全不銹鋼結(jié)構(gòu),主要適用于河流、地下水位、水庫、水塔及容器等的液位測量與控制。它的結(jié)構(gòu)特點是，敏感元件由彈性體和應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)合為一體。因此，它的靈敏度高、分辨力高；遲滯、蠕變、老化現(xiàn)象?。环€(wěn)定性好，且功耗低、散熱好。為了提高測量精度，將水位傳感器的電流輸出與線性有源高精度隔離變送器相連轉(zhuǎn)為電壓輸出，然后接入單片機STC90C516AD的ADC2口，即可完成水位數(shù)據(jù)的采集[2]。

2.3 無線通信模塊G200

G200是由北京捷麥公司生產(chǎn)的內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧的GPRS無線通信模塊，其操作簡單，所有網(wǎng)絡(luò)信息交換都在模塊內(nèi)部自動完成。它的特點：不用單獨擁有一個固定的IP地址；具有一般工作模式和省電工作模式，并且具有喚醒功能；與各種組態(tài)軟件直接連接不需要專用的驅(qū)動程序；還支持總線式的被動傳輸數(shù)據(jù)。模塊上有插入SIM卡插入卡座，在使用G200時，先安裝好具有GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能的SIM卡，保證模塊能夠正常工作。模塊的五芯口的電平是TTL，如果上位機的接口是TTL電平，則可直接相連；如果上位機的接口不是TTL電平，則要用到電平轉(zhuǎn)換線。此模塊配有兩種電平轉(zhuǎn)換線：TTL-232和TTL-485，它們的作用就是將TTL電平轉(zhuǎn)換成上位機所需的電平。單片機STC90C516AD的串口與G200的串口相連，通過調(diào)用相關(guān)的AT指令來控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。[3]

3 軟件設(shè)計

3.1 采集站軟件設(shè)計

采集站的軟件設(shè)計主要包括地下水位信號的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送兩個部分。水位采集周期為1小時，程序流程圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 程序流程圖

開機后首先進行系統(tǒng)初始化，當(dāng)上位機需要水位數(shù)據(jù)時，由上位機發(fā)送指令激活下位機的G200模塊，G200模塊喚醒單片機，之后單片機會控制繼電器開啟傳感器電路的供電，采集水位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)計算、存儲、顯示。然后將水位數(shù)據(jù)和采集時間打包并發(fā)送，由于系統(tǒng)采用的是太陽能供電方式，為了降低功耗，在測量空閑時，單片機切斷水位傳感器電源，使G200模塊進入省電模式，單片機進入休眠狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)需要可以靈活設(shè)置采集周期，本設(shè)計設(shè)置的采集周期為1小時，所以待機1小時后，會再次循環(huán)。

3.2 無線傳輸?shù)能浖O(shè)計

G200型GPRS模塊與計算機和單片機的通信是靠串口連接的，串口傳輸數(shù)據(jù)的幀格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無校驗位。系統(tǒng)采用STC90C516AD的內(nèi)部計數(shù)器T1作為波特率發(fā)生器，波特率設(shè)置為9600bps。該監(jiān)控系統(tǒng)采用點對多點的模式，監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址是各個數(shù)據(jù)采集站點，而數(shù)據(jù)采集站點發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址是固定的信息監(jiān)測中心。因此，信息監(jiān)測中心的G200型GPRS模塊的工作方式的格式傳輸，各個數(shù)據(jù)采集站點的GPRS模塊的工作方式為透明傳輸。[4]

3.3 信息監(jiān)測中心軟件設(shè)計

軟件采用了B/S結(jié)構(gòu)，有效地提高了系統(tǒng)的效率和安全性[5]。長期觀測井地下水監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要功能模塊如下。

1)數(shù)據(jù)采集模塊：通過標準通信接口，將接收的信息數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)處理模塊，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識別的格式，并將數(shù)據(jù)保存在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。

2)數(shù)據(jù)分析處理模塊：進入該模塊后，可以觀測實時的水位數(shù)據(jù)，還可按照站點名稱或編號、時間、參量等進行水位數(shù)據(jù)的高級查詢，查詢結(jié)果以列表、曲線圖形式顯示，也可以將查詢結(jié)果導(dǎo)入到EXCEL中。此監(jiān)測系統(tǒng)可以通過以上多種靈活的手段對水位數(shù)據(jù)進行查詢、匯總、統(tǒng)計、分析、打印等。

3)系統(tǒng)管理模塊：系統(tǒng)的基本信息管理包括測量的參量信息的設(shè)置和各測點的串口參數(shù)設(shè)置、水位測量基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置和采樣定時參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)用戶管理的功能以默認的系統(tǒng)管理員賬號添加、修改、刪除用戶，指定用戶類型是普通用戶還是管理員；指定用戶對某一功能模塊的操作權(quán)限。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，為建三江某農(nóng)場水利局成功開發(fā)長期觀測井地下水監(jiān)測系統(tǒng)。采用微軟Visual Studio 2005作為開發(fā)環(huán)境，C#為開發(fā)語言，Windows XP作為操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000來存儲數(shù)據(jù)，利用.NET技術(shù)完成了軟件系統(tǒng)的開發(fā)[6]。在主要的生產(chǎn)單位、生活用水區(qū)和農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)安裝配置了五口地下水監(jiān)測井，信息監(jiān)測中心配有一臺服務(wù)器。表1是系統(tǒng)地下水位實時監(jiān)測的部分數(shù)據(jù)結(jié)果。

表1 系統(tǒng)地下水位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

該系統(tǒng)利用太陽能供電，環(huán)保無污染，配合使用具有空閑和掉電兩種工作方式的低功耗單片機STC90C516AD，同時在軟件設(shè)計上采用定時供電的方法進行數(shù)據(jù)采集和傳輸，大大降低了系統(tǒng)的耗電量；在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面選擇了覆蓋范圍廣的GPRS無線通信模塊G200，更進一步降低了系統(tǒng)的功耗，且省去了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用，實現(xiàn)了無人值守監(jiān)測。經(jīng)實驗表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠，且低功耗，為水資源可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫資源，可以建立地下水位預(yù)測模型，對于空間上地下水位分布規(guī)律和變化進行分析，觀測水位變化趨勢，為農(nóng)業(yè)灌溉提供數(shù)據(jù)支持。

[參考文獻]

[1] 陳秀宏，錢東平，趙瑞明.基于掌上電腦的地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)軟件的研究[J].微計算機信息，2006，22(28)：256-258.

[2] 張建軍，李頎，丁明東，等.基于MSP430單片機的高精度壓力變送器[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010(1)：32-35.

[3] 許景輝，何東健.基于GPRS的小型水文信息采集系統(tǒng)研究[J].水力發(fā)電，2007，33(2)：19-20.

[4] 辛艷輝，袁合才.水情數(shù)據(jù)遠程采集系統(tǒng)設(shè)計[J].人民黃河，2010，32(3)：29-30.

[5] 邵江麗.基于GPRS技術(shù)的水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計[J].華電技術(shù)，2009，32(2)：24-25.

[6] 胡勝利，萬晉軍.基于GPRS的地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].水利水電技術(shù)，2011，42(1)：89-91.