基于GPRS的新疆區(qū)域水資源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

也爾盼·烏爾克西

（新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊水文勘測(cè)局，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆遠(yuǎn)離海洋，深居內(nèi)陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達(dá)，降水量少，氣候干燥。水資源成為制約新疆地區(qū)發(fā)展的重要因素。要在擁有這樣氣候的地區(qū)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，就必須充分利用水資源，最大程度減少水資源浪費(fèi)。

1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)控中心和測(cè)控點(diǎn)組成，是一種兩級(jí)控制體系。第一級(jí)是系統(tǒng)監(jiān)控中心，系統(tǒng)監(jiān)控中心由主CPRS[1]通信模塊和中心計(jì)算機(jī)（可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)）共同組成；第二級(jí)是各個(gè)測(cè)控點(diǎn)，測(cè)控點(diǎn)由水位傳感器、分CPRS通信模塊、控制器等組成。每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用分GPRS模塊將傳感器獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送到主GPRS模塊上，主GPRS模塊再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)，監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)將接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、整理，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，為區(qū)域用水提供自動(dòng)化計(jì)算、制定合理的用水調(diào)度方案。

2 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）傳輸工具選擇。因CPRS可以與指定的數(shù)據(jù)中心IP地址建立連接功能，可以在監(jiān)控中心和各測(cè)試點(diǎn)之間建立一條雙向傳輸?shù)臒o(wú)線連路，所以利用CPRS作為傳輸數(shù)據(jù)的工具。

（2）傳感器的選擇。超聲波水位傳感器是一種與被測(cè)介質(zhì)無(wú)接觸的測(cè)量裝置，基于傳感器本身的工作原理，在測(cè)量時(shí)不用考慮腐蝕、淤泥等因素，測(cè)量的數(shù)據(jù)相對(duì)比較穩(wěn)定。最終選擇超聲波水位傳感器。

（3）電源模塊的選擇。各個(gè)測(cè)試點(diǎn)所在地帶比較偏僻，無(wú)法選擇室內(nèi)供電，利用太陽(yáng)能為測(cè)量裝置供電是一種十全十美的方法。選擇合適的蓄電池以及太陽(yáng)能板是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟。水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總功率為5.5 W，即蓄電池容量應(yīng)大于5.5 Ah。考慮到遇上陰雨天氣以及可能會(huì)有殘留電，蓄電池選擇10 V，24 Ah的鉛酸蓄電池。考慮新疆地區(qū)有效光照時(shí)間、溫差、損耗等因素，最終選擇最大輸出功率為15 W，輸出電壓為24 V，輸出電流為l A的太陽(yáng)能板。同時(shí)，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)：考慮選用低功耗的芯片和器件；設(shè)計(jì)小功耗的硬件電路。有效控制電源的消耗，也需要重點(diǎn)考慮。根據(jù)新疆當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的供電情況，設(shè)計(jì)分區(qū)供電和間斷供電的方法控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，降低不必要的消耗功率。

3 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)

水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心是中心計(jì)算機(jī)程序的設(shè)計(jì)。中心計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)核心是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制軟件的開發(fā)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制軟件主要包括：文件管理模塊、用水系統(tǒng)模塊、用水需求模塊、配水計(jì)劃模塊、水量計(jì)量模塊、用水控制模塊、統(tǒng)計(jì)模塊、政策法規(guī)模塊、水費(fèi)管理模塊、優(yōu)化用水模塊。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在用戶錄入用水區(qū)以后，對(duì)不同用水區(qū)的基本屬性進(jìn)行定義，從而建立基本結(jié)構(gòu)。從干流開始，建立干流輸水結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立支流與用水區(qū)的配水結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)載入、數(shù)據(jù)整理、密碼管理、數(shù)據(jù)備份、操作記錄等功能。

3.2 水資源管理智能決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 用水預(yù)報(bào)與節(jié)約用水決策子系統(tǒng)

本系統(tǒng)由水資源原始數(shù)據(jù)、非充分用水信息、配調(diào)用水信息、交替用水信息、節(jié)約用水信息以及上述信息集成后的數(shù)據(jù)組成，立足水資源現(xiàn)狀，面向全城百姓。只需在控制系統(tǒng)中輸入此時(shí)的氣象、上壤等參數(shù)，就可以準(zhǔn)確、快速地作出用水預(yù)報(bào)與節(jié)約決策方案。

在節(jié)約用水實(shí)踐中，一般采用農(nóng)田用水平衡原理。如式（1）所示：

式中：I為T時(shí)段內(nèi)的所需水量，mm；P為T時(shí)段內(nèi)的降雨量，mm；G為T時(shí)段內(nèi)補(bǔ)的給地下水量，mm，ET為T時(shí)段內(nèi)的農(nóng)作物水分蒸發(fā)量，mm；D為地表滲漏量，mm；R為地表流量，mm；AWS為T時(shí)段土壤有效儲(chǔ)水量，mm。

預(yù)報(bào)未來(lái)用水時(shí)間，如式（2）所示：

式中：t為預(yù)報(bào)的未來(lái)用水間隔天數(shù)，d；Pe為預(yù)計(jì)降雨量，mm；Ge為T時(shí)段內(nèi)地下平均補(bǔ)給水量，mm/d；Etc為T時(shí)段內(nèi)平均農(nóng)作物水分蒸發(fā)量，mm/d。

根據(jù)己知的氣象信息推求ET值，由農(nóng)作物的種類、生長(zhǎng)周期或生長(zhǎng)所需溫差估算Kc值，從而可得Etc=Kc×ET；結(jié)合土壤中礦物質(zhì)種類、土壤滲入能力、地表初始時(shí)含水量以及地下水深度，計(jì)算降雨量Pe，地下平均補(bǔ)給水量Ge以及土壤儲(chǔ)水量AWS。Kc是影響農(nóng)作物自身特性需水量的因素，mm/d。在進(jìn)行用水決策時(shí)，除考慮農(nóng)作物所處的生育階段、適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤、以及適宜的水分外，影響最終決策的因素是：本次灌溉農(nóng)作物的收益是否大于所用水資源的成本。y為本次農(nóng)作物的增長(zhǎng)量，kg/hm2；Py為農(nóng)作物產(chǎn)品的預(yù)計(jì)銷售價(jià)格，元/kg；Px為水資源的價(jià)格，元/m3；x為本次每小時(shí)的用水，m3/hm2。

3.2.2 計(jì)劃用水區(qū)域與水量調(diào)配管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要用途是新疆區(qū)域的計(jì)劃用水管理和水量調(diào)配決策。其功能包含了新疆不同區(qū)域計(jì)劃用水的管理。主要包括平均年度降雨量、全渠系、干支渠段水源蒸發(fā)量和需水區(qū)域的用水計(jì)劃，分為兩個(gè)程序：

（1）進(jìn)行實(shí)際用水時(shí)各河流水量調(diào)配。主要包括就近配水、按比例配水、按需配水和河流干流支流優(yōu)化配水等配水方案，各個(gè)方案適用于不同用水情況。

（2）進(jìn)行區(qū)域用水總結(jié)。區(qū)域用水結(jié)束后需快速準(zhǔn)確地進(jìn)行各區(qū)域的用水量總計(jì)，與計(jì)劃用水量進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行本次用水總結(jié)。主要包括每次、每天、每月、每季和每年的用水總結(jié)，為各個(gè)區(qū)域?qū)嵤┕?jié)約用水管理提供決策。

4 水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制中心與各測(cè)點(diǎn)之間鏈接的準(zhǔn)確性。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用鏈接結(jié)果對(duì)比的做法，對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的正確性。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都有不同的地址編碼，當(dāng)控制中心向GPRS模塊發(fā)送（在監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝，作為遠(yuǎn)程通訊設(shè)備）一個(gè)地址編碼指令時(shí)，GPRS模塊將編碼傳送給測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)接收到該指令，比較是否與自身的地址編碼相同，如不相同則停止比較，如相同則表示目的地就是該測(cè)試點(diǎn)，并開始接收其他命令，見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程

本系統(tǒng)應(yīng)用于新疆地區(qū)的節(jié)水建設(shè)項(xiàng)目，在干流、支流、斗流布置24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用超聲波水位傳感器完成各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集以及處理，實(shí)現(xiàn)水資源的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)程序?yàn)檫h(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)→分GPRS模塊→主GPRS模塊→監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)完成基于CPRS的新疆區(qū)域水資源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)。監(jiān)控系統(tǒng)利用CPRS來(lái)完成數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采集以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)與控制中心的連接，形成動(dòng)態(tài)用水方案，有效地提高了區(qū)域水資源的利用率。該系統(tǒng)改善了過(guò)去難于動(dòng)態(tài)配水、水資源利用率低、收費(fèi)不合理等現(xiàn)象，降低了百姓的勞動(dòng)強(qiáng)度，最重要的是節(jié)約了寶貴的水資源，滿足了新疆地區(qū)對(duì)水資源的需求。