基于多傳感器的泵站水閘信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳業(yè)超

（中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

泵站水閘是用于調(diào)節(jié)水流的設(shè)施，通常安裝在泵站的出水口處。它可以控制泵站排放的流量和壓力，以保證整個(gè)供水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效[1]。同時(shí)，水閘還可以作為防洪設(shè)施，在洪災(zāi)來(lái)臨時(shí)關(guān)閉門(mén)板，將洪水擋住。泵站和水閘都是現(xiàn)代城市生活中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施之一。它們可以有效地解決城市用水問(wèn)題，并在自然災(zāi)害時(shí)提供重要的保護(hù)作用[2]。泵站和水閘的信息采集可以通過(guò)傳感器、監(jiān)控設(shè)備、自動(dòng)化系統(tǒng)等方式進(jìn)行。常見(jiàn)的信息采集項(xiàng)目有：①水位測(cè)量，使用水位計(jì)或超聲波傳感器來(lái)測(cè)量水位高度，以便確定泵站/水閘需要加注或放水的情況[3]；②流速監(jiān)測(cè)，使用流量計(jì)或渦輪流量計(jì)等設(shè)備來(lái)測(cè)定河流中的流速，并根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)整泵站/水閘開(kāi)啟程度；③溫度監(jiān)控，在特定區(qū)域安裝溫度傳感器，檢查是否存在過(guò)熱問(wèn)題，防止機(jī)械故障發(fā)生；④液壓壓力檢測(cè)，使用壓力表或其他專(zhuān)業(yè)儀器，在管道中監(jiān)控液體的壓力，確保不會(huì)出現(xiàn)漏洞或損壞；⑤能源消耗評(píng)估，記錄電能消耗和功率輸出數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，以優(yōu)化泵站/水閘運(yùn)行效率并減少能源消耗；⑥遠(yuǎn)程訪問(wèn)與報(bào)警功能，可以設(shè)置遠(yuǎn)程訪問(wèn)功能，從而方便工作人員實(shí)時(shí)查看和管理這些數(shù)據(jù)。同時(shí)也可以設(shè)置各種異常報(bào)警機(jī)制及處理方法，確保在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)第一時(shí)間得到相應(yīng)處理。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 單片機(jī)

單片機(jī)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主控芯片，對(duì)系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵的作用。面向泵站水閘信息采集領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用的主控芯片主要有51，STC，PIC，AVR，STM32，Arduino等。為滿足泵站水閘信息采集系統(tǒng)基本功能所需，減少外界環(huán)境、周?chē)娐返雀蓴_影響、滿足一次處理數(shù)據(jù)的寬度，秉持價(jià)格便宜、抗干擾強(qiáng)、加密性好、兼容性好、速度快、空間合理利用等原則，選用STC89C52RC單片機(jī)作為信息采集系統(tǒng)的主控芯片[4]。

單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路組成。其中電源電路獲取SV電源，為單片機(jī)供電，首先是將用戶交流220 V電壓轉(zhuǎn)換為SV直流電壓，然后再將SV電源轉(zhuǎn)換為3.3 V穩(wěn)定直流電壓供單片機(jī)使用，滿足設(shè)計(jì)需求。電路原理圖如圖1和圖2所示。

圖1 單機(jī)片連接電路原理圖

圖2 5~3.3 V電源原理圖

圖1中的U1是一個(gè)微型交流轉(zhuǎn)直流模塊，可以接入85~305 V范圍內(nèi)的交流電壓，通過(guò)U1把用戶交流220 V電壓整流成SV直流電源輸出。R8是NTC熱敏電阻，電阻值隨著溫度升高而下降，可以有效抑制接入交流電壓時(shí)的浪涌電流。R6是壓敏電阻，在電源輸入端通過(guò)R6和F1保險(xiǎn)絲起到過(guò)壓保護(hù)的作用，有效防止過(guò)電壓進(jìn)入電路[5]。C6和C9是X1等級(jí)的安規(guī)電容，接于兩電力線之間，用于抑制差模干擾。為了濾除信號(hào)線上輸入的共模電磁干擾以及自身向外的電磁干擾，抑制信號(hào)干擾，在電路中加入了共模電感Ll。

圖2中采用正向低壓降穩(wěn)壓器U10，將SV直流電源作輸入轉(zhuǎn)換成3.3 V穩(wěn)定直流電壓輸出，以供單片機(jī)其他模塊使用。其中C22是電源輸入濾波電容，C23是輸出濾波電容，減少輸出電壓的波動(dòng)并抑制自激振蕩。在電路設(shè)計(jì)中，R17和C23組成RC濾波電路，濾除電源端噪聲信號(hào)，提高信噪比，可以有效抑制信號(hào)干擾。設(shè)計(jì)中使用了瞬態(tài)抑制二極管DS，來(lái)保護(hù)電路安全。瞬態(tài)抑制二極管的反向截止電壓為5.8 V，擊穿電壓為6.45 V，能夠防止交流電源的浪涌電流、靜電放電以及開(kāi)關(guān)電源噪音帶來(lái)的損害，還可以抑制尖峰電壓，把電壓鉗制在SV。最后通過(guò)發(fā)光二極管LED表示電路能否正常工作[6]。

接下來(lái)選擇按鍵復(fù)位進(jìn)行復(fù)位電路設(shè)計(jì)，在無(wú)法正常運(yùn)行程序或由于單片機(jī)受到外部干擾造成寄存器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，通過(guò)RESET復(fù)位鍵，電容快速通過(guò)電阻回路放電，RST引腳的電位快速轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖?，維持到按鍵釋放，使程序重新開(kāi)始運(yùn)行。根據(jù)公式（1）和公式（2）可知，通電時(shí)，執(zhí)行一條單周期指令只需0.1 s，雙周期指令則需要0.2 s。其中單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)原理圖

1.2 傳感器

除了單片機(jī)以外，在該信息采集系統(tǒng)中多個(gè)傳感器相互配合運(yùn)作，傳感器的類(lèi)型主要有光電開(kāi)關(guān)傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、ARM傳感器以及紅外線傳感器。其中光電開(kāi)關(guān)傳感器，由接收器和發(fā)射器組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。漫反射式光電開(kāi)關(guān)、鏡反射式光電開(kāi)關(guān)、對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)以及槽式光電開(kāi)關(guān)為目前常用的光電開(kāi)關(guān)類(lèi)型，工作示意圖如圖4所示。

圖4 光電開(kāi)關(guān)工作示意圖

選擇對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)作為水位位置檢測(cè)傳感器，由發(fā)送端和接收端組成，結(jié)構(gòu)上兩者相互分離，在光束被中斷的情況下產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)變化。無(wú)物體遮擋的狀態(tài)下，接收器接收到發(fā)射器發(fā)射的光束，處于高電平狀態(tài)，而在有物體遮擋的狀態(tài)下光束被中斷，處于低電平狀態(tài)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器主要是檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的快慢及其運(yùn)動(dòng)方向，其內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路采用了H型的單橋?yàn)橹饕?qū)動(dòng)方式。該驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)通常是IRF4905或者IRF3205的晶體管，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器的芯片則是IRF1210，以便完成對(duì)整體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)控。內(nèi)部最主要的控制器則需要利用PWM信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，基本上可以維持著泵站水閘信息采集系統(tǒng)整體的正常工作狀態(tài)。

紅外線傳感器利用紅外感應(yīng)裝置來(lái)檢測(cè)在進(jìn)行信息采集過(guò)程中是否存在異常，從而根據(jù)反饋的結(jié)果來(lái)實(shí)現(xiàn)避讓以及運(yùn)行軌跡不被干擾。

在ARM傳感器運(yùn)行中，單片機(jī)起著數(shù)據(jù)交換的作用，圖5為傳感器與單片機(jī)之間關(guān)系圖。

圖5 傳感器與單片機(jī)之間關(guān)系圖

以上4種傳感器的使用，具體關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 系統(tǒng)硬件傳感器結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 泵站水閘信息預(yù)處理

在經(jīng)過(guò)對(duì)信息采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。首先需要對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理操作，預(yù)處理中運(yùn)用聚類(lèi)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，在聚類(lèi)空間中，數(shù)據(jù)分布分為低密度區(qū)域和高密度區(qū)域，通過(guò)公式（3）可以得到低密度區(qū)域的關(guān)系數(shù)值：

v為在給定函數(shù)所屬空間的位置信息；nr為當(dāng)前函數(shù)所屬空間的屬性值域；b為低密度區(qū)域中對(duì)象樣本個(gè)數(shù)。

如果聚類(lèi)空間中的數(shù)據(jù)類(lèi)型在低密度區(qū)域被分割,則高密度區(qū)域中的數(shù)據(jù)將會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。接下來(lái)根據(jù)公式（4）可以得到高密度區(qū)域的關(guān)系數(shù)值：

a1為高密度區(qū)域中對(duì)象個(gè)數(shù)。

接下來(lái)根據(jù)分析公式（3）和公式（4）的計(jì)算結(jié)果，可以得到泵站水閘信息數(shù)據(jù)經(jīng)篩選后得到的聚類(lèi)分析數(shù)據(jù)，關(guān)系式如下：

p代表區(qū)域經(jīng)分割后子區(qū)域數(shù)量；i代表屬性密度集中值。

2.2 泵站水閘信息特征量提取

經(jīng)過(guò)上述對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理操作之后，對(duì)泵站水閘信息進(jìn)行特征量提取，首先特征可以代表泵站水閘的物理信息，包括水位、水溫、容量等信息。接下來(lái)通過(guò)DS算法對(duì)特征進(jìn)行準(zhǔn)確提取，其中DS算法的原理見(jiàn)圖7。

圖7 DS算法的原理圖

根據(jù)圖7可知，各個(gè)區(qū)間分別代表數(shù)據(jù)特征信任程度，其中合成規(guī)則是DS算法中證據(jù)理論最為重要的一項(xiàng)操作。通過(guò)DS算法可以對(duì)泵站水閘物理信息特征進(jìn)行信任度判斷，并進(jìn)行提取[7]。

2.3 多傳感器對(duì)泵站水閘信息采集

上述提到的多種傳感器相互配合運(yùn)作，其主要目的是將水閘特征量信息進(jìn)行初始化，將連續(xù)的特征轉(zhuǎn)化為離散特征。需要先對(duì)特征屬性進(jìn)行排序，排列順序?yàn)橛纱蟮叫。怀跏嫉膬蓚€(gè)斷點(diǎn)之間會(huì)構(gòu)成一個(gè)新的區(qū)間；根據(jù)確定的離散狀態(tài)特征進(jìn)行斷點(diǎn)區(qū)間的衡量，從而可以更加合理地對(duì)其進(jìn)行選擇或者分割；按照一定的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，以此來(lái)防止數(shù)據(jù)信息的丟失[8]。

在此項(xiàng)操作中，以DS算法的理論依據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器采集到的信息需滿足下式：

式中，J代表泵站水閘物理特征系數(shù)；R代表電力驅(qū)動(dòng)傳感器驅(qū)動(dòng)效率。

通過(guò)固定的算法，對(duì)數(shù)據(jù)信息的特征量進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)一定運(yùn)算可以得到相互融合的結(jié)果，將所得到的結(jié)果與預(yù)先設(shè)置進(jìn)行對(duì)比之后，可以實(shí)現(xiàn)利用多傳感器對(duì)泵站水閘的相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。至此基于多傳感器的泵站水閘信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3 測(cè)試試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)說(shuō)明

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于多傳感器的泵站水閘信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)具有可使用性，進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該測(cè)試試驗(yàn)環(huán)境見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境配置信息

測(cè)試系統(tǒng)功能之前，首先要通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)電能信息采集終端的系統(tǒng)參數(shù)和基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成命令下發(fā)任務(wù)。其中系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括主站中心服務(wù)器的IP和端口號(hào)、APN和報(bào)警主機(jī)等?；緟?shù)設(shè)置包括采集終端的設(shè)備號(hào)、采集上報(bào)時(shí)間設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、表計(jì)和方案管理。注意網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的IP地址要和本機(jī)網(wǎng)絡(luò)在同一網(wǎng)段下，才能進(jìn)行以太網(wǎng)通信。表計(jì)管理添加測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)時(shí)，必須要根據(jù)電表通信參數(shù)來(lái)設(shè)置測(cè)點(diǎn)，系統(tǒng)測(cè)試采用的電表為三相四線式智能電表，測(cè)試所用電表的通信地址為70，通信協(xié)議可以選擇MODBUS或者DL/T 645-2007，波特率為2 400，校驗(yàn)方式為8E10。一個(gè)表計(jì)測(cè)點(diǎn)下最多支持50個(gè)采集方案。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

此次試驗(yàn)中，將系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)延遲時(shí)間和壓力值誤差作為對(duì)比數(shù)據(jù)，其結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于多傳感器的泵站水閘信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)在第一次試驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)延遲時(shí)間為0.25 s，其壓力值誤差為0.96%。已知延遲時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)為3.7 s，因此可以得出本文方法在系統(tǒng)功能上延遲時(shí)間符合系統(tǒng)功能標(biāo)準(zhǔn)要求。為防止試驗(yàn)具有偶然性，在進(jìn)行的其他兩次測(cè)試中，基于多傳感器的泵站水閘信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)延遲時(shí)間分別為2.15 s和1.79 s，壓力值誤差分別為1.06%和1.34%。經(jīng)過(guò)上述數(shù)據(jù)的對(duì)比可以得到，本文方法延時(shí)時(shí)間和壓力值誤差方面在符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下效果更好，因此在泵站水閘信息采集中更具有實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究泵站水閘信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后基于傳感器相互配合實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集。但此次設(shè)計(jì)還存在很多不足，泵站水閘可能會(huì)由于一些客觀因素影響水位的變化以至于信息數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，在這一方面還需要深入研究。