周幫平 毛潭 柴帥 梁清爽

[摘 要] 基于現(xiàn)有使用井和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)，由主機采集傳輸通信部分、太陽能與市電互補供電系統(tǒng)、液位壓力傳感器和遠程監(jiān)控管理軟件四部分組成，并進行了中試及推廣應(yīng)用，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，適應(yīng)能力強，為科學利用地下水提供了技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞] 農(nóng)用機井；物聯(lián)網(wǎng)；地下水；遠程監(jiān)測；工程應(yīng)用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.170

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，日益增長的用水與水資源短缺之間的矛盾逐漸加劇，水資源的短缺已成為全球性的問題。地下水作為優(yōu)良水資源也面臨著過度開采和水位下降過快的問題，為了實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)發(fā)展和科學利用，對地下水位進行長期、準確的監(jiān)測成為科學用水決策的必要條件。[1]水利信息化作為水利現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，是實現(xiàn)水資源科學管理、高效利用和有效保護的基礎(chǔ)和前提。在此背景下，搭建地下水位遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實施縣區(qū)的地下水位遠程監(jiān)測，對水位信息進行管理及分析，為科學利用地下水提供技術(shù)支撐。[2]

1 地下水遠程監(jiān)測系統(tǒng)搭建

地下水遠程監(jiān)測搭建系統(tǒng)主要有四大部分，分別為主機采集傳輸通信部分、太陽能與市電互補供電系統(tǒng)、液位壓力傳感器和遠程監(jiān)控管理軟件部分。四大部分充分結(jié)合，可以實現(xiàn)對地下水監(jiān)測的科學化、現(xiàn)代化管理，是目前國內(nèi)農(nóng)村地下水監(jiān)測建設(shè)的系統(tǒng)解決方案。

1.1 主機采集傳輸通信部分

主要包括數(shù)據(jù)采集部分[2]和GPRS遠程通信部分。[3]

數(shù)據(jù)采集部分主要包括I/V轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。I/V轉(zhuǎn)換電路采用兩級運算放大器可以使零點的處理更加方便，運放選用整個信號范圍內(nèi)放大特性平坦的特點，同時單獨供電，解決了單片機和運放器供電穩(wěn)定性問題。A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，使用開關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過程，電路精度可以達毫米級。

GPRS遠程通信部分采用工業(yè)級低功耗、高性能嵌入式32位處理器，可靠處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)。內(nèi)嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協(xié)議棧；外置定時器，內(nèi)嵌看門狗，繼電器斷電管理，不死機、掉線自動恢復；抗干擾設(shè)計，即使在硬件被鎖死，普通看門狗無法服務(wù)處理器和通信模塊的情況下仍然可以可靠地自動恢復到正常狀態(tài)；支持GSM撥號喚醒和永遠在線的工作模式。通過GPRS模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用GSM網(wǎng)覆蓋面廣、運行可靠、抗干擾能力強等優(yōu)點，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本。

1.2 太陽能與市電互補供電系統(tǒng)

在項目應(yīng)用過程中，由于實施縣條件限制，大多是市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)。由于農(nóng)村電網(wǎng)停電、農(nóng)閑時間不供電、地域或人為因素等諸多客觀條件，致使市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)不能長期有效供電。另外，單獨的太陽能供電系統(tǒng)在遭遇惡劣天氣環(huán)境如陰天下雨，或因太陽能板長時間積雪、積塵致使轉(zhuǎn)化效率過低等情況，也不能保證供電系統(tǒng)百分百不間斷。為此，需要搭建市電（農(nóng)村電網(wǎng)）和太陽能互補供電系統(tǒng)。其特點如下。

兩個供電系統(tǒng)互相獨立，在太陽能供電時，市電（農(nóng)村電網(wǎng)）與此完全物理隔離。傳統(tǒng)的太陽能與市電互補供電系統(tǒng)一般采用太陽能與市電互補型充放電控制器，該方案存在一些不足及隱患，極易因市電（農(nóng)村電網(wǎng)）的瞬間沖擊引起控制器被燒壞，從而不能有效供電。而本供電系統(tǒng)采用物理隔離的方式，有效避免了該情況的發(fā)生。

兩個供電系統(tǒng)均受蓄電池電壓控制，切換嚴格。當蓄電池電池低于11.5V時，系統(tǒng)自動啟動市電（農(nóng)村電網(wǎng)）給蓄電池充電。當蓄電池電壓高于12.5V時，自動斷開市電（農(nóng)村電網(wǎng)）。對于市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)，采用優(yōu)質(zhì)電器配件，確保市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電穩(wěn)定。市電（農(nóng)村電網(wǎng)）充電過程迅速，避免農(nóng)村電網(wǎng)不穩(wěn)定沖擊。雙供電系統(tǒng)平時由太陽能供電，安全穩(wěn)定。如果遇極端天氣，如連續(xù)下雪，太陽能板上有積雪（10天以上無太陽能充電時），系統(tǒng)啟動市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電，充滿后自動斷開。該過程大約為4個小時。

1.3 液位傳感器

目前，國內(nèi)大部分的地下水監(jiān)測設(shè)備使用或需要使用專用的觀測井，其打井及維護費用耗資較大，而農(nóng)用機井的使用條件十分苛刻，例如農(nóng)村電網(wǎng)的寬幅波動、農(nóng)用電機的強電干擾、農(nóng)用機井安裝條件復雜苛刻等各種限制條件。為此我們對投入式液位傳感器的密封性進行了改進及應(yīng)用。[4]改進后的液位傳感器，適應(yīng)于專用監(jiān)測井和農(nóng)用井等多種類型監(jiān)測井的地下水資源監(jiān)測，實現(xiàn)了遠程地下水監(jiān)測低成本要求。

液位傳感器采用316不銹鋼材料經(jīng)特種工藝制造、激光修正而成，采用隔離型擴散硅敏感元件，利用壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標準電信號。傳感器含有高性能信號調(diào)整電路，獨特的密封工藝，能夠長期穩(wěn)定地在水下及其他液體中使用。它既有自動零點校正和滿量程線性調(diào)整功能，又有主動非線性校正和頻率響應(yīng)整形技術(shù)，確保傳感變送器有較高的測量精度。該傳感器內(nèi)置專用防雷電路，即使在雷電頻發(fā)現(xiàn)場也可正常工作。

1.4 遠程監(jiān)控管理軟件部分

系統(tǒng)監(jiān)測管理中心包括遠程監(jiān)控管理軟件和下位機動態(tài)水位/靜態(tài)水位判定軟件。[5]后臺服務(wù)軟件以VC為構(gòu)架，SQL數(shù)據(jù)庫管理，動態(tài)顯示水位圖形，內(nèi)容豐富，可實現(xiàn)地下水靜水位/動水位變化的判定。

2 系統(tǒng)性能

系統(tǒng)主要具有以下性能。

（1）動態(tài)水位/靜態(tài)水位判定功能：可根據(jù)動靜水位判定思想判定當前水位狀態(tài)，為地下水資源進行評價和開發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

（2）設(shè)置功能：對設(shè)備內(nèi)的各項參數(shù)，如量程、水位標高、通信參數(shù)等進行設(shè)置。

（3）采集功能：采集各監(jiān)測點水位數(shù)據(jù)，A/D精度16-bit，采樣率為66kbps，線性誤差+1LSB（max）。

（4）顯示功能：顯示各種監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)等，內(nèi)容豐富、直觀。

（5）存儲功能：大容量數(shù)據(jù)存儲，記錄歷史數(shù)據(jù)，斷電數(shù)據(jù)保存十年。

（6）查詢功能：監(jiān)測系統(tǒng)軟件可以下載查詢各種歷史記錄。

（7）遠程通信功能：內(nèi)置GPRS模塊，工業(yè)級低功耗、高性能嵌入式處理器，內(nèi)嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協(xié)議棧，支持GSM撥號喚醒和永遠在線的工作模式。

（8） 遠程更新功能：遠程程序更新遵循XModem協(xié)議，程序更新過程中出現(xiàn)異常不會破壞主程序，可有效實現(xiàn)遠程程序更新。

（9） 報警功能：包括輸入信號超限報警和設(shè)備自診斷報警，報警值可設(shè)上下限，可擴展防盜報警、防拆報警。

（10）停電數(shù)據(jù)發(fā)送功能：停電時，有備用電源提供GPRS模塊發(fā)送停電等異常錯誤信息到控制中心。

（11）定時功能：定時采集、定時上報水位數(shù)據(jù)，時間間隔可任意設(shè)置。

（12）擴展功能：前端設(shè)備有多種擴展槽，可接入各種水量、水溫及監(jiān)測儀表的信號，適用更多物理量監(jiān)測，如溫度、濕度、位移、傾角等。

3 系統(tǒng)中試及應(yīng)用

本系統(tǒng)在搭建過程中，充分進行了試驗，并積極改進，最終完成系統(tǒng)定型設(shè)計。主要試驗內(nèi)容包括設(shè)備內(nèi)部器件技術(shù)性試驗，如分別在-30°C和60°C下保溫2小時的耐高低溫實驗、防電磁干擾測試等；整體設(shè)備在各種惡劣環(huán)境下運行穩(wěn)定性試驗、太陽能與市電互補供電系統(tǒng)試驗、配電箱的設(shè)計及試驗等。如圖1至圖4所示。

本系統(tǒng)實驗時間歷時一年多，實驗結(jié)果證明，具備完善的耐低溫、耐高溫、防雷（防雷等級：可抗50A 8/20浪涌信號的沖擊）、防水（密封等級：外殼IP67 ，傳感器IP68）和防電磁干擾等措施。外殼封裝堅固小巧，同時采用太陽能與市電（農(nóng)村電網(wǎng)）互補雙供電系統(tǒng)供電，具有高可靠工業(yè)級設(shè)計，適合各種惡劣環(huán)境全天候工作。

本系統(tǒng)應(yīng)用于山西省全省地下水動態(tài)監(jiān)控體系建設(shè)項目中，共布監(jiān)測點1540個，覆蓋全省115個農(nóng)業(yè)縣區(qū)，加強了全省地下水動態(tài)監(jiān)控，實行地下水用水總量控制和水位控制，促進全省地下水止降返升，為省政府目標責任制考核提供科學依據(jù)。

參考文獻：

[1] 謝和平，許唯臨，劉超，等.地下水利工程戰(zhàn)略構(gòu)想及關(guān)鍵技術(shù)展望[J].巖石力學與工程學報，2018，37（4）：781-791.

[2] 張從鵬，賀慧蕾.基于ARM9的地下水位遠程監(jiān)測儀的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（4）：102-104.

[3] 徐堯錚，毛潭，段震.基于GPRS的地下水位監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（15）：49-51.

[4] 毛潭，張廣濤，張勇杰，等.投入式液位計的密封性改進實驗研究[J].科技視界，2016（21）：76-77.

[5]LI W，WANG X M，LUO X K.Wide range undergroud water level dynamic information monitorin network system [J]. Applied mechanics and materials，2013（373）：743-751.

[基金項目] 2015年北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)骨干計劃；北方工業(yè)大學2017年優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃（項目編號：XN019012）。

[作者簡介]周幫平（1990—），北方工業(yè)大學碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)；毛潭（1982—），碩士，北方工業(yè)大學副教授，研究方向：數(shù)字化制造技術(shù)與裝備。