長(zhǎng)期觀測(cè)井地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

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(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人口不斷增長(zhǎng)，對(duì)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(kāi)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(wèn)題[1]。在我國(guó)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(chǎng)為例，總耕地面積為126萬(wàn)畝，其中水田面積為80萬(wàn)畝，占總耕地面積的63.4%。由于國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)及產(chǎn)糧地區(qū)的高度重視，農(nóng)場(chǎng)逐年加大水田改造的力度。目前，水田面積的不斷擴(kuò)大導(dǎo)致地下水位逐年下降，水資源的不足已成為農(nóng)場(chǎng)水田發(fā)展所面臨的瓶頸。本文根據(jù)某農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)五口長(zhǎng)期觀測(cè)井進(jìn)行地下水位監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

長(zhǎng)期觀測(cè)井地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集站、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和信息監(jiān)測(cè)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(jì)算、存儲(chǔ)與現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)的G200設(shè)備通信傳輸。無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)完成遠(yuǎn)程采集站和信息監(jiān)測(cè)中心的通信和數(shù)據(jù)傳輸。信息監(jiān)測(cè)中心主要任務(wù)是接收來(lái)自各個(gè)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(chǔ)，打印，查詢，分析等。

2 硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 單片機(jī)STC90C516AD

處理核心選用宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、高可靠、低功耗的STC90C516AD單片機(jī)，片中包含中央處理器(CPU)、程序存儲(chǔ)器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、RRPROM、看門(mén)狗等模塊，功能強(qiáng)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(fù)責(zé)通過(guò)ADC2口對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過(guò)UART口對(duì)GPRS模塊控制進(jìn)行與信息監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信傳輸。

2.2 水位傳感器PT601

PT601采用進(jìn)口擴(kuò)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(kù)、水塔及容器等的液位測(cè)量與控制。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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)象小；穩(wěn)定性好，且功耗低、散熱好。為了提高測(cè)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(jī)STC90C516AD的ADC2口，即可完成水位數(shù)據(jù)的采集[2]。

2.3 無(wú)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(wú)線通信模塊，其操作簡(jiǎn)單，所有網(wǎng)絡(luò)信息交換都在模塊內(nèi)部自動(dòng)完成。它的特點(diǎn)：不用單獨(dú)擁有一個(gè)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(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)程序；還支持總線式的被動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)。模塊上有插入SIM卡插入卡座，在使用G200時(shí)，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(jī)的接口是TTL電平，則可直接相連；如果上位機(jī)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(jī)所需的電平。單片機(jī)STC90C516AD的串口與G200的串口相連，通過(guò)調(diào)用相關(guān)的AT指令來(lái)控制模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。[3]

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集站軟件設(shè)計(jì)

采集站的軟件設(shè)計(jì)主要包括地下水位信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送兩個(gè)部分。水位采集周期為1小時(shí)，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(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，當(dāng)上位機(jī)需要水位數(shù)據(jù)時(shí)，由上位機(jī)發(fā)送指令激活下位機(jī)的G200模塊，G200模塊喚醒單片機(jī)，之后單片機(jī)會(huì)控制繼電器開(kāi)啟傳感器電路的供電，采集水位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示。然后將水位數(shù)據(jù)和采集時(shí)間打包并發(fā)送，由于系統(tǒng)采用的是太陽(yáng)能供電方式，為了降低功耗，在測(cè)量空閑時(shí)，單片機(jī)切斷水位傳感器電源，使G200模塊進(jìn)入省電模式，單片機(jī)進(jìn)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(jì)設(shè)置的采集周期為1小時(shí)，所以待機(jī)1小時(shí)后，會(huì)再次循環(huán)。

3.2 無(wú)線傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

G200型GPRS模塊與計(jì)算機(jī)和單片機(jī)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(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，無(wú)校驗(yàn)位。系統(tǒng)采用STC90C516AD的內(nèi)部計(jì)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(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的模式，監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址是各個(gè)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)，而數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址是固定的信息監(jiān)測(cè)中心。因此，信息監(jiān)測(cè)中心的G200型GPRS模塊的工作方式的格式傳輸，各個(gè)數(shù)據(jù)采集站點(diǎn)的GPRS模塊的工作方式為透明傳輸。[4]

3.3 信息監(jiān)測(cè)中心軟件設(shè)計(jì)

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(zhǎng)期觀測(cè)井地下水監(jiān)測(cè)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)別的格式，并將數(shù)據(jù)保存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中。

2)數(shù)據(jù)分析處理模塊：進(jìn)入該模塊后，可以觀測(cè)實(shí)時(shí)的水位數(shù)據(jù)，還可按照站點(diǎn)名稱或編號(hào)、時(shí)間、參量等進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的高級(jí)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(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)以上多種靈活的手段對(duì)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、匯總、統(tǒng)計(jì)、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(cè)量的參量信息的設(shè)置和各測(cè)點(diǎn)的串口參數(shù)設(shè)置、水位測(cè)量基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置和采樣定時(shí)參數(shù)設(shè)置等。系統(tǒng)用戶管理的功能以默認(rèn)的系統(tǒng)管理員賬號(hào)添加、修改、刪除用戶，指定用戶類(lèi)型是普通用戶還是管理員；指定用戶對(duì)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(jì)方案，為建三江某農(nóng)場(chǎng)水利局成功開(kāi)發(fā)長(zhǎng)期觀測(cè)井地下水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用微軟Visual Studio 2005作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Windows XP作為操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server2000來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用.NET技術(shù)完成了軟件系統(tǒng)的開(kāi)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(cè)井，信息監(jiān)測(cè)中心配有一臺(tái)服務(wù)器。表1是系統(tǒng)地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果。

表1 系統(tǒng)地下水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能供電，環(huán)保無(wú)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(jī)STC90C516AD，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)上采用定時(shí)供電的方法進(jìn)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(wú)線通信模塊G200，更進(jìn)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(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守監(jiān)測(cè)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)資源，可以建立地下水位預(yù)測(cè)模型，對(duì)于空間上地下水位分布規(guī)律和變化進(jìn)行分析，觀測(cè)水位變化趨勢(shì)，為農(nóng)業(yè)灌溉提供數(shù)據(jù)支持。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳秀宏，錢(qián)東平，趙瑞明.基于掌上電腦的地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22(28)：256-258.

[2] 張建軍，李頎，丁明東，等.基于MSP430單片機(jī)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(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[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(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].華電技術(shù)，2009，32(2)：24-25.

[6] 胡勝利，萬(wàn)晉軍.基于GPRS的地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].水利水電技術(shù)，2011，42(1)：89-91.