楊 江1 王 敏

(1.湖北省地震局 地震預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 地球內(nèi)部多尺度成像湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074； 4.武漢地震科學(xué)儀器研究院有限公司，湖北 咸寧 437000)

水位監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水庫、 河流以及水井等領(lǐng)域， 能有效地動態(tài)監(jiān)測水位變化， 提前對自然災(zāi)害進(jìn)行防御[1]。 傳統(tǒng)的水位監(jiān)測儀大多僅具備簡單的測量或數(shù)據(jù)回傳功能， 應(yīng)用范圍窄， 儀器本身可操作性不強(qiáng)， 僅適合單點(diǎn)或少量監(jiān)測點(diǎn)的部署監(jiān)測[1-2]。 本文所述的基于B/S架構(gòu)的遠(yuǎn)程水位監(jiān)測系統(tǒng)在具體應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)單臺部署和多臺同時部署， 用戶可遠(yuǎn)程在局域網(wǎng)任一客戶端服務(wù)器上通過瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和下載等操作， 并在數(shù)據(jù)中心搭建一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲備份， 增強(qiáng)了整個水位監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)安全性和可靠性。

1 水位監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 水位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所述的水位監(jiān)測系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架(瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu))。這種結(jié)構(gòu)模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)部分集中到了服務(wù)器設(shè)備端上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用[3]。此外，水位監(jiān)測系統(tǒng)集成4.7英寸(11.9 cm)觸摸液晶屏，用戶可在現(xiàn)場直接對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置而不需要其他輔助工具(如筆記本等)。與傳統(tǒng)及現(xiàn)有的同類設(shè)備相比，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，也可在工程現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)配置，使用方便且集成度高。此外，設(shè)備具有后備電源供電接口，可保障設(shè)備在掉電后能持續(xù)正常運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行中將連續(xù)24 h實(shí)時測量數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，保障測量數(shù)據(jù)的安全性。

B/S構(gòu)架水位監(jiān)測系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為客戶端和本地服務(wù)器端2部分：客戶端(PC機(jī))可通過局域網(wǎng)采用WEB瀏覽器對服務(wù)器端(水位監(jiān)測儀)進(jìn)行訪問和程序升級；服務(wù)器端(水位監(jiān)測系統(tǒng))則進(jìn)行水位監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集和存儲，與此同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)按固定協(xié)議格式進(jìn)行數(shù)據(jù)流回傳。

B/S構(gòu)架系統(tǒng)中，服務(wù)器端(水位監(jiān)測儀)已對采集的水位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理和存儲，可提供分采樣和秒采樣2種數(shù)據(jù)存儲文件；客戶端(PC機(jī))WEB頁面則無須任何維護(hù)，只需接入相應(yīng)局域網(wǎng)絡(luò)則可正常接收和控制[4]。系統(tǒng)B/S架構(gòu)拓?fù)淇驁D如圖1所示。

圖1 水位監(jiān)測系統(tǒng)B/S架構(gòu)框圖 Fig.1 Block diagram of B/S structure of water level monitoring system

水位監(jiān)測系統(tǒng)除了可進(jìn)行本地服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲外，亦可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時回傳，從而對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。本地服務(wù)器自帶4 G存儲介質(zhì)(可依據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展)，可實(shí)現(xiàn)一個月的數(shù)據(jù)以天為單位進(jìn)行連續(xù)存儲，且掉電時也能保證數(shù)據(jù)不丟失；與此同時，在數(shù)據(jù)中心搭建一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，本地服務(wù)器端同時開辟一條水位監(jiān)測實(shí)時數(shù)據(jù)流鏈路，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則與該數(shù)據(jù)流鏈路進(jìn)行對接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理等工作。

1.2 WEB瀏覽器遠(yuǎn)程控制

水位監(jiān)測裝置通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)，通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)與局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信接入系統(tǒng)?，F(xiàn)場水位監(jiān)測裝置通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用戶可隨時進(jìn)行調(diào)用。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器端部署Server2008，能夠適合企業(yè)大量數(shù)據(jù)應(yīng)用，采用ADO.NET技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的調(diào)用[5-6]。

水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備端采用Mongoose作為輕量級嵌入式WEB服務(wù)器，該服務(wù)器具有跨平臺的能力，能在Windows、MacOS，以及大多數(shù)UNIX(包括Linux)系統(tǒng)中運(yùn)行。Mongoose占用空間小，在Linux操作系統(tǒng)中其執(zhí)行文件只占用40 kB。Mongoose WEB服務(wù)器的執(zhí)行是自滿足的，它不依賴于任何其他服務(wù)，其端口號等相關(guān)配置選項通過配置文件mongoose.conf設(shè)置。嵌入式WEB服務(wù)器作為用戶與水位監(jiān)測系統(tǒng)交互的接口達(dá)到人機(jī)交互，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式WEB服務(wù)器交互結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of embedded WEB server interaction

通過調(diào)用Mongoose的開源代碼頭文件，在入口函數(shù)中實(shí)現(xiàn)WEB服務(wù)器的啟動和對HTTP請求接口的分類處理，完成對水位監(jiān)測系統(tǒng)與用戶的各種交互。

遠(yuǎn)程WEB瀏覽器主界面和數(shù)據(jù)顯示界面如圖3所示。在WEB瀏覽器主界面設(shè)置有菜單欄，主要由“設(shè)備信息”“儀器控制”“實(shí)時數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)下載”等組成。其中，“設(shè)備信息”菜單可供用戶進(jìn)行設(shè)備IP和相關(guān)測量參數(shù)信息查詢；“儀器控制”菜單可供用戶對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，例如IP地址、子網(wǎng)掩碼等進(jìn)行手動設(shè)置，并通過設(shè)置通道參數(shù)選項對采集到的電壓值和水位之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果將保存到設(shè)備存儲介質(zhì)中，掉電不會丟失；用戶可通過“實(shí)時數(shù)據(jù)”菜單對當(dāng)前采集的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時查看，如圖3(b)所示。

圖3 遠(yuǎn)程WEB瀏覽器主界面和數(shù)據(jù)顯示界面Fig.3 Main interface of page setup and data display interface

水位監(jiān)測系統(tǒng)可進(jìn)行長期不間斷實(shí)時監(jiān)測，并進(jìn)行數(shù)據(jù)24 h不間斷實(shí)時存儲。每天晚上00：00自動進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建。設(shè)備采樣率按分鐘進(jìn)行采樣，單個數(shù)據(jù)文件合計可保存1 440個水位數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸安全

在實(shí)際應(yīng)用時，數(shù)據(jù)傳輸過程需要進(jìn)行加密處理，用于保障信息泄露而引起的安全性問題。因水位數(shù)據(jù)并非涉及隱私等重要信息，故選擇采用單向加密方式進(jìn)行單純的加密處理。通過采用MD5加密算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密獲得特征碼，用于確定原始數(shù)據(jù)的完整性。

圖4 遠(yuǎn)程水位監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of remote water level monitoring device

2 水位監(jiān)測裝置方案設(shè)計

遠(yuǎn)程水位監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，該系統(tǒng)包括液位變送器、供電電源、I/V變化、24位A/D采集卡、ARM9主控板、4.7英寸觸摸液晶屏以及網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。

系統(tǒng)水位探頭部分采用高精度液位變送器，輸出為電流型模擬信號(4～20 mA)，信號傳輸線纜長度為50 m。系統(tǒng)主機(jī)部分分為采集模塊和主控模塊2部分，其中，采集模塊主要實(shí)現(xiàn)對電流型信號I/V變化、24位A/D采集并通過PIC單片機(jī)與主控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。主控板主要實(shí)現(xiàn)對所接收到的數(shù)據(jù)處理、存儲、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋?/p>

本系統(tǒng)采用壓力式水位傳感器，即通過壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理測量水位。傳感器為壓敏元件，當(dāng)傳感器固定在水下某一測點(diǎn)時，該壓力與水柱高度成正比關(guān)系，間接測出水柱高度，再通過水柱高度轉(zhuǎn)換成井孔水位埋深(水位埋深H，水位傳感器測量深度h，井口到水位傳感器底部的深度為Hk,H=Hk-h)。

3 硬件方案設(shè)計

水位監(jiān)測裝置主要由水位傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊和核心板卡構(gòu)成。水位監(jiān)測裝置實(shí)物如圖5所示。

圖5 水位監(jiān)測裝置實(shí)物Fig.5 Photo of water level monitoring device

3.1 水位傳感器采樣電路

測量探頭選用電流型輸出液位變送器，采用24 V直流電壓進(jìn)行供電，其輸出范圍4～20 mA，分別對應(yīng)水位深度0 m和10 m，其測量水柱深度滿量程為0～10 m，精度為0.2% Fscal(滿量程)，該傳感器抗干擾能力強(qiáng)且能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。傳感器輸出電流信號通過阻值為100 Ω(萬分之一精度)的金屬電阻后變換為輸出范圍400 mV～2 V的電壓信號，其與水位深度之間的比例關(guān)系為K=滿量程/輸出電壓變化量=10 000 mm/(2 000 mV-400 mV)=6.25 mm/mV。

圖6 數(shù)據(jù)處理模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of data processing module

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊功能結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要用于進(jìn)行水位數(shù)據(jù)采集、守時及數(shù)據(jù)組合傳輸?shù)裙δ堋２捎肧TM32F101RBT6微處理器進(jìn)行24位A/D采集控制，控制時鐘芯片進(jìn)行時間同步，按秒采樣將數(shù)據(jù)信息與時間封裝為一個數(shù)據(jù)包，通過串口與ARM9核心板卡進(jìn)行通訊。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

24位A/D采集卡主要包括有前端跟隨器電路、A/D控制電路以及時鐘源電路等。其原理如圖7所示。前置跟隨器選擇OPA2211，其等效輸入噪聲為1.1 nV/√Hz。為提高數(shù)據(jù)測量精度以及分辨率，選擇24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1281，其具有高分辨率、高精度等特性[7]。ADS1281的AINP和AINN端分別接如圖7(a)中的AIP0和AIN0。采用有源晶振CRY_C3391-4.096MHZ作為時鐘源，通過時鐘分頻器CDCLVC1108對主時鐘源進(jìn)行4分頻作為ADS1281的基準(zhǔn)時鐘信號，具體電路如圖7(b)所示。當(dāng)ADS1281完成A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換后，其DRDY引腳輸出為低電平，用于通知處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作[8]。

圖7 數(shù)據(jù)采集原理Fig.7 Principle of data collection

3.2.2 時鐘電路

水位測量裝置的時鐘芯片采用PCF8653，能夠提供日歷/時鐘數(shù)據(jù)，具有計時準(zhǔn)確、功耗低及體積小等特點(diǎn)，如圖8所示。STM32F101RBT6通過I2C總線進(jìn)行通訊，PCF8653提供中斷輸出和掉電檢測，所有數(shù)據(jù)和寄存器操作地址都通過I2C總線進(jìn)行傳輸[9]。

圖8 時鐘電路Fig.8 Clock circuit

3.2.3 系統(tǒng)供電切換機(jī)制

為保證設(shè)備能實(shí)現(xiàn)持續(xù)24 h不間斷工作，系統(tǒng)供電電源有主電源和備用電源2類。其中，主供電電源接入220 V交流電并經(jīng)由電源適配器提供+15 V供電電壓，備用電源采用2塊12 V、100 Ah容量的蓄電瓶進(jìn)行供電。主備電源電路連接如圖9所示，當(dāng)220 V交流市電供電正常時，二極管不導(dǎo)通，此時主要由+15 V對設(shè)備進(jìn)行供電；當(dāng)220 V交流市電供電斷開時，二極管導(dǎo)通，此時主要由+12 V對設(shè)備進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)了主備電源自動切換的功能[10]。

圖9 系統(tǒng)供電切示意圖Fig.9 Principle of power supply and power cut of the system

3.2.4 系統(tǒng)電源開關(guān)控制模塊

整個裝置電源按鍵選擇為非自鎖式，人工按下后將自動彈起。利用JK觸發(fā)器74HC109和雙刀雙擲G6K-2F-Y型繼電器來實(shí)現(xiàn)控制通斷電的功能，電路如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)電源開關(guān)控制電路Fig.10 Circuit of power switch control of the system

利用JK觸發(fā)器74HC109的輸出翻轉(zhuǎn)功能，將1J和1K同時置為高電平，當(dāng)按下S9，將在引腳1CLK產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)上升沿信號，從而觸發(fā)1Q的輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制繼電器AK1產(chǎn)生通斷動作，此時VCC將與POUT輸出連通并給后級電路進(jìn)行供電，且該狀態(tài)一直保持到1CLK引腳再次產(chǎn)生上升沿。當(dāng)繼電器AK1處于斷開狀態(tài)時，電池僅給74HC109供電，整個儀器處于低功耗模式，有較長待機(jī)時間。

圖11 核心板卡組成結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of core card

3.3 核心板卡

核心板卡組成結(jié)構(gòu)如圖11所示，主要由三星2440最小系統(tǒng)構(gòu)成，通過RS-232串口進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)包，并通過TCP/IP通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)流的實(shí)時傳輸，與此同時，在每晚00:00創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件用于存儲24 h的測量數(shù)據(jù)。由于采用秒采樣，因此1個完整文件記錄將包含有86 400個數(shù)據(jù)點(diǎn)，該數(shù)據(jù)文件存儲在SD卡中，可連續(xù)存儲1個月的數(shù)據(jù)文件。

3.3.1 網(wǎng)卡模塊

網(wǎng)卡模塊采用DM9000AEP，該芯片自帶以太網(wǎng)MAC控制器和一般處理接口，具有10/100 M自適應(yīng)PHY和4K的DWORD值的SRAM，能支持8位、16位和32位接口進(jìn)行內(nèi)部存儲器的訪問。

3.3.2 SD卡接口電路

整個裝置采用SD卡作為存儲介質(zhì)，并采用FAT32文件格式進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的存儲。SD卡的操作模式主要有SD和SPI兩種方式，SD模式接口電路如圖12所示。采用SD模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速度要優(yōu)于SPI工作模式，采用SD的4BIT模式通過DAT0—DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中將DAT1復(fù)用作為中斷信號。

圖12 SD卡接口電路Fig.12 Circuit of SD card interface

3.4 觸摸液晶屏

在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便現(xiàn)場工作人員進(jìn)行設(shè)備的參數(shù)設(shè)置和調(diào)試，可以通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互，能實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、水位模式選擇、設(shè)備狀態(tài)信息查詢及設(shè)備參數(shù)更新等操作。其操作優(yōu)先級要優(yōu)于通過WEB頁面進(jìn)行上述相關(guān)操作。選用PS-LCD(可編程智能LCD)，可編程智能LCD是一種包含TFT LCD顯示屏、LCD控制器、觸摸屏、人機(jī)界面處理系統(tǒng)和通訊接口于一體的智能顯示組。該模組內(nèi)部集成了32位人機(jī)界面處理軟硬件系統(tǒng)，配合專用組態(tài)式界面設(shè)計工具，能快速生成圖形界面。

PS-LCD采用Designer圖形化編程器，用Java腳本進(jìn)行程序編寫。PS-LCD通過RS-232串口模塊與ARM9進(jìn)行通訊，來實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)和當(dāng)前時間的實(shí)時更新，并根據(jù)需要對設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和更新[11]。其中，主要的通訊命令有：主界面數(shù)據(jù)更新(實(shí)時秒數(shù)據(jù)傳輸)、設(shè)備IP參數(shù)設(shè)置和通道參數(shù)設(shè)置等。串口接收操作如下：

(1) 定義局部變量數(shù)組data0和data1，其中，data0主要用于存放主界面實(shí)時更新數(shù)據(jù)，data1主要用于存放設(shè)備參數(shù)。var data0=new Array(38)；data1=new Array(114)。

(2) 設(shè)備參數(shù)回讀命令sysCom0.write(0xaa,0xbb,0xcc,0xdd,0x0b,0x10,0x0b,0x11,0x11,0x11,0x11)。

(3)等待接收相關(guān)參數(shù)，其中，當(dāng)PS-LCD處于實(shí)時數(shù)據(jù)更新時，則處于被動接收態(tài)，當(dāng)檢測到串口接收緩存有數(shù)據(jù)，則進(jìn)行讀取和校驗(yàn)，有效數(shù)據(jù)共31 B，數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面如圖13所示。

圖13 PS-LCD實(shí)時顯示界面Fig.13 PS-LCD real-time display interface

當(dāng)通過PS-LCD進(jìn)行設(shè)備參數(shù)查詢或參數(shù)設(shè)置操作時，PS-LCD會主動向ARM9發(fā)送設(shè)備參數(shù)回讀命令，發(fā)送完畢后，PS-LCD會通過讀取串口緩存器進(jìn)行命令校驗(yàn)，確認(rèn)此時為設(shè)備參數(shù)信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，參數(shù)信息共107 B。

4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證本文所述水位監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)測量指標(biāo)，分別就測量精度和穩(wěn)定性2方面進(jìn)行測試。

4.1 系統(tǒng)水位測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度測試

測試環(huán)境選擇溫度和濕度分別為27 ℃和82%的室內(nèi)進(jìn)行，所用相關(guān)工具為直徑5 cm、深度2 m的透明玻璃管與卷尺。

進(jìn)行測試試驗(yàn)時，首先將透明玻璃管注滿純凈水，并將卷尺與玻璃管進(jìn)行表貼固定，每間隔20 cm進(jìn)行標(biāo)定測量一次，一共測量5組數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水位實(shí)際值與測量值對比Table 1 Comparison between actual and measured values of water level

4.2 現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用

將水位測量裝置安裝于三峽水體流動地震前兆監(jiān)測臺網(wǎng)丁家坪，將水位探頭安放至距水面深度約5 m左右，并對信號線纜進(jìn)行固定，待安裝完成后，進(jìn)行長期數(shù)據(jù)觀測。選取其中24 h數(shù)據(jù)文件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其數(shù)據(jù)曲線如圖14所示。

圖14 24 h水位變化曲線Fig.14 Water level fluctuation in 24 hours monitoredby the system

由于地下水觀測深度屬于地球表層，所以地球表層的潮汐應(yīng)力分布勢必影響井水位變化。地球表層潮汐應(yīng)力大小隨地球天體在運(yùn)動中相對位置的變化而有規(guī)律地變化。當(dāng)潮汐應(yīng)力增大時，含水巖層發(fā)生膨脹，含水層的孔隙水壓降低，井水位下降；當(dāng)潮汐應(yīng)力變小時，含水巖層發(fā)生體壓縮，含水層的孔隙水壓升高，井水位上升[12]。上述水位數(shù)據(jù)曲線與地球固體潮汐的變動完全吻合，當(dāng)天水位變化量約為0.06 m。

5 結(jié) 語

本文所介紹的B/S構(gòu)架水位監(jiān)測裝置的測量精度和穩(wěn)定度基本滿足當(dāng)前水文勘察、鉆孔測量等工程類應(yīng)用領(lǐng)域的要求，其性能指標(biāo)不低于同類儀器。該監(jiān)測裝置能進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，在一定程度上解決了原有的人工現(xiàn)場操作讀數(shù)所帶來的各種問題。該水位監(jiān)測裝置已應(yīng)用在三峽井網(wǎng)水體流動觀測站，并長期運(yùn)行進(jìn)行井水固體潮觀測，目前已經(jīng)正常運(yùn)行1 a。