智能傳感系統(tǒng)在地下水動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

劉耀峰

（山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001）

1 系統(tǒng)概述

地下水動態(tài)是指地下水的變化和趨勢，包括水位、水量、水質(zhì)和水溫，在自然和人為因素的共同作用下，地下水存儲空間隨時間變化的規(guī)律。然而，地下水中的這些變化必須有計劃、系統(tǒng)地去監(jiān)測并長期記錄，才能了解并掌握。

21世紀以來，我國地下水監(jiān)測水平有了顯著提高，但與發(fā)達國家相比仍存在較大差距。地下水監(jiān)測是水利建設(shè)和地下水資源開發(fā)利用中的一項基礎(chǔ)性工作。在地下水開發(fā)利用、規(guī)劃、設(shè)計、施工、管理和科研等各個方面，首先要尋求一個自動、可靠、準確的監(jiān)測系統(tǒng)。

地下水監(jiān)測系統(tǒng)采用GPRS通信技術(shù)，可靠性高、覆蓋范圍廣、不受地域限制、按流量計費，不僅能保證數(shù)據(jù)傳輸及時、準確，而且系統(tǒng)運行成本也會降到最低。另外，該系統(tǒng)很好地解決了因增加監(jiān)測項目而使數(shù)據(jù)量增加對成本的影響。地下水監(jiān)測井大多遠離城市，環(huán)境復(fù)雜，拆除已有管道系統(tǒng)和管道安裝都比較困難，而且其準確性也會受到很大影響。因此，系統(tǒng)在監(jiān)測點采用傳感器的形式，利用GPRS無線數(shù)據(jù)通信。該傳輸機制網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸高效，通信質(zhì)量高，誤碼率低，有很好的安全性和可靠性，安裝方便，信息流的計費和用戶成本較低，可以解決監(jiān)測點較為分散、數(shù)據(jù)量大等問題，并易于更新和維護控制系統(tǒng)。監(jiān)測中心的管理軟件能夠采集遠程數(shù)據(jù)，實時進行遠程監(jiān)控，并將所有監(jiān)測到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，同時生成各種報表和曲線。

數(shù)據(jù)收集器和服務(wù)器管理中心是系統(tǒng)的兩大組成部分，包括流量計和GPRSDTU（數(shù)據(jù)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸單元）組件數(shù)據(jù)收集站。DTU首先注冊到移動的網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送建立SOCKET的請求包給移動，移動再將此請求發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。流量計通過傳感器測出管內(nèi)液體的開采量信息，并按照特定的協(xié)議代碼通過RS232串口發(fā)送到GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元。

在地下水開發(fā)利用中，就空間和時間而言，開采量具有累加性而不具有連續(xù)性，水位和水質(zhì)具有連續(xù)性而不具有累加性，在一定時間（或空間）內(nèi)，測量地下水開采量不能以點代面，而測量地下水水位在一般情況下都可以。因此，動態(tài)監(jiān)測地下水開采量與監(jiān)測地下水水位或水質(zhì)的方法完全不同，主要體現(xiàn)在監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用和監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)布置上，如地下水開采量統(tǒng)計采用累加法，而地下水水位與水質(zhì)的統(tǒng)計則采用平均法。因此，本系統(tǒng)采用時差法流量計測量管道內(nèi)被測液體的流量。

2 基于GPRS的地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)具有自身獨特的特點：數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器測出管道內(nèi)水體的流量，并經(jīng)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)服務(wù)器。一方面，信號采集模塊發(fā)出調(diào)取數(shù)據(jù)命令，同時將傳感器發(fā)回的時間差模電信號轉(zhuǎn)化成水體流速的數(shù)字信號回傳到用戶終端。另一方面，水流量監(jiān)測模塊將累計計算的水流量數(shù)據(jù)按時間累積，將結(jié)果傳送到終端顯示。通訊模塊接收GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元返回的調(diào)取命令并將其發(fā)送到微處理模塊，再按命令從存儲模塊中讀出數(shù)據(jù)將其發(fā)給串口信號采集模塊，最后由串口信號采集模塊經(jīng)GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元返回服務(wù)器中心。在系統(tǒng)供電方面，電源模塊把24V直流電源轉(zhuǎn)換成5V和3.3V的工作電壓。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上，串口到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通過和流量計連接的GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元實行雙向轉(zhuǎn)換，同時實現(xiàn)自動登錄、重撥，定期進行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等，另外也可通過設(shè)備的串行端口對設(shè)備進行調(diào)試和設(shè)置。

3 系統(tǒng)軟件及通信協(xié)議

在軟件方面，該系統(tǒng)采用地下水監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件和B/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)管理員負責管理，其他人員被授權(quán)后可通過局域網(wǎng)訪問服務(wù)器。同時該軟件可在互聯(lián)網(wǎng)上公開，經(jīng)過授權(quán)后可在任何地方的計算機通過Internet訪問和系統(tǒng)操作。系統(tǒng)服務(wù)器利用流量計發(fā)回的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后能夠繪制成歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)的直觀曲線圖，并按時間生成規(guī)范報表同時存入數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)的通信方式采用由服務(wù)器中心定時向GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元發(fā)送符合ASCII模式的調(diào)取命令，流量計模塊接到指令后將數(shù)據(jù)以同樣的模式通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)回中心服務(wù)器，從而提高了通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性和GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元驅(qū)動軟件編寫的完善性。

4 供電方式

地下水監(jiān)測點大多設(shè)在野外，一般不具備供電電源。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)頻率，供電方式可選擇太陽能或鋰電池供電。若數(shù)據(jù)上報比較頻繁，可使用太陽能供電；若數(shù)據(jù)上報不頻繁，建議使用鋰電池供電。

太陽能供電適用于有站房的監(jiān)測井，由太陽能充電控制器、鉛酸蓄電池和太陽能光電池板三部分組成。根據(jù)現(xiàn)場用電設(shè)備（包括現(xiàn)場采集設(shè)備與微功耗測控終端）的功率來選擇蓄電池的容量與光電池板的大小。使用鋰電池供電適用于沒有站房的監(jiān)測井，內(nèi)置一組鋰電池組作為工作電源，特別適合于沒有外部電源供電的現(xiàn)場環(huán)境、微功耗設(shè)計，鋰電池組正常情況下可以工作2~5年。

5 結(jié)語

智能傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可廣泛用于地質(zhì)、水文等領(lǐng)域，能很好地適用于交通、電力不便，環(huán)境復(fù)雜的偏遠山區(qū)，可從根本上改變?nèi)斯けO(jiān)測客觀性差、可靠度低的現(xiàn)狀，實現(xiàn)區(qū)域地下水動態(tài)監(jiān)測自動化控制的目標，提高區(qū)域水資源管理水平和工作效率，具有較高的推廣與應(yīng)用價值。