程麗平，劉傳璽，譚永海

(山東科技大學，山東 泰安 271019)

基于AVR單片機和LabVIEW的礦井地表水文監(jiān)測系統(tǒng)的設計

程麗平，劉傳璽，譚永海

(山東科技大學，山東 泰安 271019)

礦井地表水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測存在兩個關鍵問題，一是遠距離數(shù)據(jù)的傳輸問題，二是監(jiān)測儀表的供電問題。利用西門子手機模塊TC35i和時鐘定時芯片，控制低功耗AVR單片機和手機模塊的工作時間，有效的解決了這兩個問題。同時用LabVIEW設計的上位機監(jiān)控界面簡單明了，能顯示實時數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)走勢曲線，進行預警處理；利用LabSQL與數(shù)據(jù)庫的連接，完成數(shù)據(jù)的網絡共享，使該監(jiān)控系統(tǒng)可以方便的成為整個煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的一個網絡節(jié)點。實際運行結果表明，該系統(tǒng)操作簡單，可控性好，可靠性高。

AVR單片機；短信息；低功耗；實時；虛擬儀器

水害是煤礦五大災害之一。隨著煤礦開采的不斷深入，礦井受水害威脅的程度越來越嚴重，需要正常觀測的水文項目也不斷增多，不但要監(jiān)測井下水位也要監(jiān)測地表水位。對井下水位的監(jiān)測多采用RS485通信，地表水位的監(jiān)測采用鉆孔水文監(jiān)測，鉆孔一般較分散，且離監(jiān)控中心較遠，我們針對這種情況采用西門子的短信息模塊進行無線通信，全天候把監(jiān)測到的鉆孔水位、水溫等各種參數(shù)，發(fā)送到監(jiān)控計算機上監(jiān)控和儲存，一旦出現(xiàn)險情，立即報警，以便及時采取措施，保證礦井及井下人員安全。

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)主要完成對地面地質鉆孔水位、水溫的監(jiān)測，主要包括鉆孔智能水文信息遙測發(fā)送分站和上位監(jiān)控主站兩大部分，系統(tǒng)總體結構見圖1。

礦井每個鉆孔裝設的智能水文信息遙測收發(fā)器(分站)均設有水位變送器、水溫傳感器、空心通氣電纜、短信息模塊TC35i、鋰電池。水文地質鉆孔水位、水溫的測量由安裝在各鉆孔內的基于GSM短信的智能水文信息遙測收發(fā)器完成。收發(fā)器按照設定的時間間隔測量水位、水溫，并通過短信方式將測量數(shù)據(jù)發(fā)送至上位監(jiān)控主站。

上位監(jiān)控主站由主站數(shù)據(jù)接口模塊和監(jiān)控計算機組成。主站接口模塊主要完成對各分站發(fā)送數(shù)據(jù)的接收，并通過RS232串口把接收的各分站數(shù)據(jù)送到監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機采用NI公司的圖形化編程系統(tǒng)LabVIEW進行監(jiān)控界面的設計，完成適時數(shù)據(jù)顯示，動態(tài)數(shù)據(jù)曲線顯示、報警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。LabVIEW利用LabSQL完成與數(shù)據(jù)庫的連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)永久保存、數(shù)據(jù)共享、報表的輸出等功能。

一旦出現(xiàn)異常情況，如：水位超限、水位變化速度超限、水位超出傳感器的量程、傳感器露出水面、鉆孔遭破壞、現(xiàn)場出現(xiàn)異常振動、供電電壓不足、手機欠費等，上位監(jiān)控主站會立即進行聲光報警，同時按照設定的TC35i的聯(lián)系人方式，以緊急短信的形式通知到管理人員，以便及時的處理問題。智能水文信息遙測收發(fā)器與上位監(jiān)控主站的無線通信采用公共移動網絡的手機短信方式實現(xiàn)，既可靠，費用又低。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)主要包括鉆孔智能水文信息遙測收發(fā)器和監(jiān)測主站兩大部分。遙測收發(fā)器和監(jiān)控主站的數(shù)據(jù)接口模塊均采用ATMEL公司生產的AVR高速8位Harward結構的單片機ATmega128，其內部資源豐富：Flash 128KB、EEPROM 4KB、RAM 4KB、I/O端口48個、中斷源16個、外中斷8個、SPI、UART、8路10位A/D、ISP功能。具有休眠省電功能(POWER DOWN)及閑置(IDLE)低功耗功能[1]，這更適合使用鋰電池供電的遙測分站的使用，遙測收發(fā)器的電路結構框圖如圖2(a)所示。

由于礦井水文監(jiān)測鉆孔離礦區(qū)較遠，分布在周邊農田里，遙測收發(fā)器的使用主要存在兩大問題，一是沒有專門的有線通信線路可供使用，因此我們采用公共移動網絡的手機短信方式，選用可靠性和集成度較高的西門子的GSM通信模塊TC35i完成通信任務。二是鉆孔邊沒有供電線路，我們采用的是鋰電池組完成對TC35i和CPU及外圍電路的供電，因此功耗問題就是亟待解決的問題，為降低功耗，收發(fā)器采用定時上電工作方式，每當定時時間到，由實時時鐘芯片SD2403產生一個中斷觸發(fā)ATmega128上電工作，測量水位、水溫，并計算水文數(shù)據(jù)的變化，如果水文數(shù)據(jù)變化超過存儲下限值，在EEPROM24C64中存儲水文數(shù)據(jù)和當時的時間并通過TC35i發(fā)送；如變化小于存儲下限值，則不存儲，但仍要發(fā)送數(shù)據(jù)，存儲上下限值可以根據(jù)當?shù)氐乩憝h(huán)境設置。同時還要測量TC35i和ATmega128的供電電壓并發(fā)送。如出現(xiàn)水位超限、水位變化速度超限時，水溫超限，供電電壓低時則立即發(fā)送報警短信，監(jiān)測主站立即啟動聲光報警[2]。

數(shù)據(jù)的存儲除了存儲在EEPROM外，遙測收發(fā)器中利用SPI總線還設計了SD卡接口電路，完成數(shù)據(jù)的備份，當TC35i不能工作時，仍然能從SD卡中把水文數(shù)據(jù)從現(xiàn)場讀取。

水位傳感器采用的是HG500T陶瓷電容液位傳感器水位，溫度傳感器采用的是PT100，水位變送器和水溫傳感器均需放入水下一定深度，傳感器的輸出信號經鋼絲電纜傳輸?shù)絾纹瑱C進行計算處理，因此使用中注意通氣管不要堵塞[3]。

監(jiān)測主站的數(shù)據(jù)接口模塊相對來說功能比較簡單，就是不斷查詢其內部手機模塊TC35i的接收短信情況，如發(fā)現(xiàn)新短信，則提取水位、水溫數(shù)據(jù)、供電電壓數(shù)據(jù)，通過RS232串行口與上位監(jiān)控計算機通信，監(jiān)控計算機通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存，并顯示、打印報表。數(shù)據(jù)接口模塊的硬件設計如圖2(b)所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

整個水位監(jiān)控軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相對應，包括水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序設計、監(jiān)控主站接口模塊數(shù)據(jù)接收和串口通信程序、上位機監(jiān)控界面各子VI和串口通信設計三部分部分。

水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序負責把鉆孔的水文數(shù)據(jù)、電池電壓數(shù)據(jù)進行采集后通過TC35i發(fā)送出去。主要包括ATmega128 I/0初始化子程序、定時器初始化子程序、UART口初始化子程序、設置器參數(shù)設置子程序、實時時鐘數(shù)據(jù)設置子程序、定時時間到中斷服務子程序、A/D轉換子程序、串行EEPROM數(shù)據(jù)存儲子程序、TC35i數(shù)據(jù)發(fā)送子程序等。

監(jiān)控主站接口模塊數(shù)據(jù)接收程序負責把TC35i接收到的短信息數(shù)據(jù)進行提取、計算、存儲，達到報警點時啟動聲光報警，串口通信程序負責把存儲的水文數(shù)據(jù)上傳到上位監(jiān)控主站。主要包括ATmega128I/0初始化子程序、UART口初始化子程序、TC35i接收子程序、短信息存儲子程序、讀取TC35i數(shù)據(jù)子程序、報警子程序、計算機通訊服務子程序等[4]。

監(jiān)控主站監(jiān)控界面采用圖形化編程軟件LabVIEW編程完成，登陸界面和各個監(jiān)控子界面可以方便快速的設計。串口通信設計直接利用LabVIEW功能模塊Instrument I/0的Serial子模塊，在該子模塊程序庫中完成串行通信的一些功能參數(shù)設置，如：波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位、緩沖區(qū)大小等，方便快捷。通過串口讀取上來的數(shù)據(jù)在監(jiān)控界面得表格里進行顯示，并給出水位水溫的曲線圖顯示，同時工作人員可以選擇不同的鉆孔進行數(shù)據(jù)顯示，也可以查詢某一個時間段內的數(shù)據(jù)，以便工作人員根據(jù)自己的需要及時地了解每個鉆孔的情況[5]。

4 小結

系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：一是用多種形式完成數(shù)據(jù)的存儲，利用LabSQL與數(shù)據(jù)庫的連接，完成數(shù)據(jù)的網絡共享，較好地滿足了礦用及水文監(jiān)測的技術要求；二是利用LabVIEW設計登陸界面和各監(jiān)控及參數(shù)設置界面簡單直接，利用其串口模塊，方便的完成了與AVR單片機數(shù)據(jù)的上傳下達。該裝置已經在一些礦上投入使用，使用過程表明，該礦井水文監(jiān)控系統(tǒng)智能化程度高、功耗小，數(shù)據(jù)傳送可靠，能根據(jù)不同的地理環(huán)境進行相應設置。運行數(shù)據(jù)表明，如果設置每隔1小時發(fā)送一個數(shù)據(jù)，電池可以達到8個月更換一次，如果設置每隔3分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)，電池也能持2個月，得到用戶的好評。

該系統(tǒng)稍作修改后也可用于工業(yè)現(xiàn)場液位測量、水文測量與監(jiān)控、大江大壩水位測量、農業(yè)水利建設、地下水測量、污水處理系統(tǒng)等。

[1] 馬潮.AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[2] 馬福昌,郭建珠.地下水位動態(tài)監(jiān)測新技術[J].山西水利,2005，21(1):59-60.

[3] 趙新民.智能儀器儀表設計[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社,2006.

[4] 張建中,尚效周,劉延芳，等.基于智能傳感器的礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].礦山機械,2010，38(5):7-9.

[5] 郭天石.控制系統(tǒng)的虛擬儀器仿真.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

Design of surface water monitoring based on AVR microcontroller and LabVIEW

CHENG Li-ping，LIU Chuan-xi，TAN Yong-hai

(Shandong University of Science and Technology，Taian 271019，China)

Two key problems must be solved in the surface water monitoring，one is long-distance data transmission problems，the other is the power to the monitor.In order to solve these two problems effectively，the design used Siemens TC35i module and clock timing chips to control the working hours of low-power AVR microcontroller and phone modules.The PC-monitor-interface used LabVIEW software was also simple and clear，it can display real-time data；analyzes the trend of the data-curve；warns much earlier；LabVIEW uses LabSQL connected to the database，completes network share of data，makes the monitoring system easily becoming a network node.The practical of result shows that the design is simple，good controllability，high reliability.

AVR microcontroller；short message；low-power；real-time；visual instrument

2014-04-16

程麗平(1976-)，女，山東濟寧人，山東科技大學機電工程系講師，主要從事智能控制方面的研究工作。E-mail: skdclp@163.com。

TP223

A

1004-4051(2015)01-0146-03