基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的鉆孔水位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

閆茂印，徐樂(lè)年，郇志浩

（山東科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山東 青島266590）

目前廣泛應(yīng)用的水文遙測(cè)系統(tǒng)多采用人工投入壓力式傳感器測(cè)量水位埋深數(shù)據(jù)，然后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信形式無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)[1-3]。隨著通信運(yùn)營(yíng)商的技術(shù)改造升級(jí)，逐步實(shí)施2G退網(wǎng)計(jì)劃，導(dǎo)致部分地區(qū)的GSM網(wǎng)絡(luò)短信傳輸變得不穩(wěn)定，而且壓力式傳感器長(zhǎng)期處于水壓力環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精確度降低。為改進(jìn)上述技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的鉆孔水位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用電容式水位開(kāi)關(guān)檢測(cè)鉆孔水面位置，避免了投入式壓力傳感器的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，水位開(kāi)關(guān)的升降由微處理器STM32F103RCT6控制的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由編碼器記錄水位開(kāi)關(guān)的下降距離，通過(guò)程序綜合分析計(jì)算得到鉆孔水位標(biāo)高，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)至中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)OneNET，供監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)訪(fǎng)問(wèn)平臺(tái)水位數(shù)據(jù)，利用云平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全和大數(shù)據(jù)分析的平臺(tái)級(jí)服務(wù)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)目的，也能夠適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1，主要包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、監(jiān)測(cè)中心3部分?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分主要由孔口殼體裝置、大容量可充電鋰電池和太陽(yáng)能板、通信電纜、電容式水位開(kāi)關(guān)、直流電機(jī)組、編碼器、智能遙測(cè)儀和平衡重錘組成，數(shù)據(jù)傳輸部分包括移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和OneNET平臺(tái)，監(jiān)測(cè)中心部分主要由監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)和手機(jī)組成。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System composition diagram

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要針對(duì)礦井周?chē)@孔水位的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)智能遙測(cè)儀內(nèi)部的微處理器STM32F103RCT6控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，以此模擬人工測(cè)量時(shí)的下放、上提水位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，結(jié)合同步轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)式編碼器向智能遙測(cè)儀輸出自身角位移量信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔水位的智能測(cè)量。具體工作原理如下：系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能可充電鋰電池供電，智能遙測(cè)儀通過(guò)定時(shí)上電喚醒直流電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)抗拉伸通信電纜下放電容式水位開(kāi)關(guān)，當(dāng)水位開(kāi)關(guān)接觸水面時(shí)，產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)通過(guò)RS485總線(xiàn)方式傳送至智能遙測(cè)儀內(nèi)部的微處理器STM32F103RCT6，微處理器STM32F103RCT6隨即控制直流電機(jī)停轉(zhuǎn)，在通信電纜的牽引下同步轉(zhuǎn)動(dòng)的絕對(duì)式編碼器記錄水位開(kāi)關(guān)從初始位置下放至水面的距離，將角位移量信號(hào)傳遞給智能遙測(cè)儀內(nèi)部的微處理器STM32F103RCT6，用已知孔口標(biāo)高減去編碼器角位移量即得到鉆孔水位的標(biāo)高，通過(guò)程序綜合計(jì)算得到的水位數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)等待發(fā)送，智能遙測(cè)儀控制直流電機(jī)反轉(zhuǎn)將水位開(kāi)關(guān)上提至初始位置，等待下次定時(shí)測(cè)量。當(dāng)達(dá)到程序設(shè)定的發(fā)送時(shí)間時(shí)，由智能遙測(cè)儀內(nèi)部的NB-IoT通信模塊經(jīng)由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)，并進(jìn)行存儲(chǔ)，供監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)訪(fǎng)問(wèn)水位數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)超出設(shè)置報(bào)警限時(shí)，OneNET平臺(tái)會(huì)將預(yù)警信息發(fā)送至用戶(hù)預(yù)先設(shè)置的郵箱。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)還可以通過(guò)NB-IoT應(yīng)用服務(wù)器對(duì)智能遙測(cè)儀遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令，修改測(cè)量時(shí)間間隔、日期等相關(guān)參數(shù)；也支持現(xiàn)場(chǎng)人員手機(jī)近距離藍(lán)牙遙控模式對(duì)智能遙測(cè)儀進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括太陽(yáng)能板供電模塊、NB-IoT通信模塊、藍(lán)牙模塊、直流電機(jī)、絕對(duì)式編碼器、水位開(kāi)關(guān)、微處理器STM32F103RCT6及一些外圍電路模塊，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Monitoring system hardware logic structure

2.1 水位開(kāi)關(guān)

水位開(kāi)關(guān)是根據(jù)電容原理設(shè)計(jì)的一種開(kāi)關(guān)裝置，只在系統(tǒng)測(cè)量時(shí)接觸水面，有效避免了壓力式傳感器長(zhǎng)期處于水壓力作用下產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移問(wèn)題,它通過(guò)判定液面的位置，向微處理器STM32F103RCT6傳遞開(kāi)關(guān)警示信號(hào)。在下降的過(guò)程中水位變化到達(dá)水位開(kāi)關(guān)倉(cāng)體閾值時(shí)微處理器STM32F103RCT6向直流電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，使直流電機(jī)停轉(zhuǎn)，編碼器記錄下水位開(kāi)關(guān)下降的距離。PCAP01是一款帶有單片機(jī)處理單元的專(zhuān)用電容測(cè)量芯片，通過(guò)充放電來(lái)測(cè)量電容變化，該芯片將采集到的液位以24位的數(shù)字信號(hào)輸出，通過(guò)I2C串行總線(xiàn)傳送給微處理器STM32F103RCT6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4]。

2.2 編碼器模塊

系統(tǒng)采用MAA58AF數(shù)字化多回轉(zhuǎn)絕對(duì)型編碼器，測(cè)量范圍大，能夠記錄水位開(kāi)關(guān)下降位移并直接輸出數(shù)字量，在安裝時(shí)不必要找零點(diǎn)，編碼器的光碼盤(pán)上有許多刻線(xiàn)，每道刻線(xiàn)以固定格式編排，極大增加了編碼器的抗干擾特性及數(shù)據(jù)的可靠性，通過(guò)讀取每道刻線(xiàn)的通道，獲得1組從1到2n的二進(jìn)制編碼（格雷碼）[5]。因編碼器的碼盤(pán)機(jī)械位置決定每個(gè)刻度盤(pán)對(duì)應(yīng)的唯一數(shù)據(jù)值，所以無(wú)需掉電記憶及設(shè)置參考點(diǎn)，這樣在儀器斷電后，仍可以對(duì)上電時(shí)的水位值進(jìn)行測(cè)量記錄，無(wú)需重新標(biāo)定，也不會(huì)發(fā)生漏圈等誤差現(xiàn)象，降低了安裝和調(diào)試的難度。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3，U1芯片L9110S的引腳IA和IB與微處理器STM32F103RCT6連接，通過(guò)微處理器STM32F103RCT6向IA、IB引腳寫(xiě)入高低電平可使芯片L9110S的OA與OB引腳控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)或停止。當(dāng)IA引腳為高，IB引腳為低時(shí)，電機(jī)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)IA引腳為低，IB引腳為高時(shí)，電機(jī)向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)IA和IB引腳都為低時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Motor drive circuit

2.4 NB-IoT通信模塊

系統(tǒng)采用了移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)NB-IoT通信模組BC95，支持通過(guò)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET透明傳輸，每1個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)作為1個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，每個(gè)終端各連接1個(gè)BC95，BC95將終端采集的水位數(shù)據(jù)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)專(zhuān)用核心網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于云端，供監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)和手機(jī)隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)?；诜涓C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的NB-IoT技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn)[6]：①信號(hào)覆蓋面積廣泛，滿(mǎn)足野外監(jiān)測(cè)設(shè)備通信需求，相比LTE和GPRS基站，NB-IoT基站所提供的增益提高了20dB，使得野外信息傳輸更加穩(wěn)定可靠；②更低的設(shè)備功耗，NB-IoT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)野外低功耗測(cè)量工作；③NB-IoT技術(shù)支持大連接能力，1個(gè)扇形區(qū)能夠連接10萬(wàn)個(gè)終端設(shè)備，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)終端裝置安裝數(shù)量要求。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Program design flow chart

系統(tǒng)基于微處理器STM32F103RCT6來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)比對(duì)計(jì)算對(duì)采集的水位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在信息采集時(shí)，首先要對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行初始化過(guò)程，對(duì)STM32F103RCT6定時(shí)器設(shè)置包括時(shí)間、數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送時(shí)間設(shè)置。系統(tǒng)采用時(shí)鐘定時(shí)上電的工作方式[7]。當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，遙測(cè)儀上電控制直流電機(jī)正轉(zhuǎn)下放水位開(kāi)關(guān)測(cè)量水位數(shù)據(jù)，到達(dá)水面后電機(jī)停轉(zhuǎn)，絕對(duì)式編碼器的角位移量數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器STM32F103RCT6處理后暫存于微處理器的存儲(chǔ)器中，然后判斷是否到達(dá)的設(shè)定的發(fā)送時(shí)間或者是否超存儲(chǔ)上限。若有，則置位發(fā)送標(biāo)志位；若無(wú)，信息將被繼續(xù)存儲(chǔ)，等待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足設(shè)定的要求，然后置位發(fā)送標(biāo)志位。開(kāi)啟NB-IoT模組，向OneNET平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)水位數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)先設(shè)置的預(yù)警值時(shí)，平臺(tái)將向預(yù)先設(shè)置的郵箱發(fā)送預(yù)警郵件。

3.2 智能化信息管理平臺(tái)軟件

系統(tǒng)的信息管理平臺(tái)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)，此平臺(tái)為面向連接智能終端設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)[8]，支持以太網(wǎng)通信、WiFi通信和蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信3種通信方式，由于本系統(tǒng)面向野外測(cè)量工作，所以采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信方式。OneNET平臺(tái)提供公開(kāi)協(xié)議產(chǎn)品和私有協(xié)議產(chǎn)品2種，其中公開(kāi)協(xié)議產(chǎn)品有HTTP、MODBUS、EDP、MQTT 等多種協(xié)議選擇，選用HTTP協(xié)議[9]。將智能終端接入OneNET平臺(tái)時(shí)，首先在注冊(cè)O(shè)neNET平臺(tái)賬號(hào)，在開(kāi)發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，然后在產(chǎn)品中添加智能終端設(shè)備，為設(shè)備添加數(shù)據(jù)流，最后添加觸發(fā)器和新建應(yīng)用。

4 誤差分析

1）通信電纜受力拉伸引起的誤差。通信電纜與水位開(kāi)關(guān)和平衡重錘通過(guò)物理連接在一起，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)上下運(yùn)動(dòng)，通信電纜在平衡重錘重力和水位開(kāi)關(guān)重力的影響下會(huì)發(fā)生一定的形變，導(dǎo)致水位測(cè)量誤差。

2）儀器誤差。系統(tǒng)儀器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、粗糙的加工工藝等因素都是引起測(cè)量誤差的原因。例如水位開(kāi)關(guān)，由于加工精度及安裝的問(wèn)題，可能內(nèi)外兩電極之間任意位置存在間距不等的非線(xiàn)性關(guān)系，且每個(gè)電極板的長(zhǎng)度也不一定能做到嚴(yán)格的相等，在一定程度上會(huì)造成測(cè)量誤差[10]。由通信電纜與旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的誤差：通信電纜通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，從而帶動(dòng)編碼器運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)可能會(huì)由于自身慣性在瞬間，通信電纜可能打滑與轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，也可能導(dǎo)致水位測(cè)量誤差。

3）外界因素帶來(lái)的誤差。水位開(kāi)關(guān)檢測(cè)水位時(shí)，由于在不同溫度下被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致水位開(kāi)關(guān)向微處理STM32F103RCT6發(fā)送開(kāi)關(guān)警示信號(hào)的時(shí)間略有差別，從而會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

綜上所述，后續(xù)需要對(duì)抗拉伸通信電纜進(jìn)行新材料選型消除形變誤差影響、儀器機(jī)械部分精加工消除粗大誤差、改進(jìn)電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和對(duì)傳感器測(cè)量結(jié)果公式推導(dǎo)補(bǔ)償被測(cè)介質(zhì)的溫漂對(duì)測(cè)量精確度的誤差。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的鉆孔水位智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用將智能遙測(cè)儀、旋轉(zhuǎn)絕對(duì)型編碼器、直流電機(jī)水位開(kāi)關(guān)和平衡重錘結(jié)合的方式，模擬人工測(cè)量方法，對(duì)動(dòng)態(tài)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)采集。數(shù)據(jù)傳輸方式采用支持遠(yuǎn)距離、大連接、低功耗的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將NB-IoT通信模組與微處理器STM32F103RCT6相結(jié)合，通過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商廣覆蓋的蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)，利用云平臺(tái)數(shù)據(jù)智能統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)可能出現(xiàn)的礦井水災(zāi)害做出及時(shí)預(yù)警，為煤礦安全生產(chǎn)提供更全面的數(shù)據(jù)支撐。