引言

渠道實用的水位測量方法很多,但主要是依托建筑物設(shè)立相關(guān)的測量設(shè)施。常用的數(shù)位測量儀器有浮子式、壓力式、超聲波式、雷達式水位計,浮子式水位計結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉,但需配建水位測井:超聲波與雷達式水位計測量精度高但造價昂貴且維護成本較高:壓力式水位計在保證測量精度的同時還具有成本低、便于維護安裝的特點。通過下位機與上位機相結(jié)合的模式,運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)對渠道每個重要節(jié)點全過程、不間斷的監(jiān)測,實時采集水位數(shù)據(jù)信息并通過互聯(lián)網(wǎng)上傳至服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,實現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)隨時獲取最新的數(shù)據(jù)信息。

1壓力式水位檢測原理

投入式壓力水位測量技術(shù)是將壓力傳感器放置于水底測得壓力P,環(huán)境大氣壓力為P0,在壓力傳感器上有與大氣壓力接觸的進氣管,所以傳感器的壓力就等于水位高度所產(chǎn)生的壓力P-P0。假定所測水體密度為β,環(huán)境重力加速度為g,則液位高度可由式(1）得出:

2系統(tǒng)構(gòu)建與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計

下位機由投入式壓力水位變送器與水位監(jiān)測設(shè)備組成,水位監(jiān)測設(shè)備包括主芯片控制模塊、信號處理模塊、太陽能充電模塊、GPS模塊與GPRS模塊。上位機采B/S結(jié)構(gòu),wEB瀏覽器是客戶端最主要的應用軟件,將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上。下位機與上位機遵循TCP/1P協(xié)議進行通信,采用報文傳輸?shù)男问竭M行數(shù)據(jù)傳輸與設(shè)備控制。

2.2硬件電路設(shè)計

2.2.1電源電路

下位機采用12V鋰電池組供電,其可為變壓芯片提供一個較高的初級電壓,初級電壓為投入式壓力傳感器和信號處理電路進行供電。初級電壓經(jīng)過MC7805電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5V電壓,進而可以為GPRS等電路供電。5V電壓再經(jīng)過LM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為3.3V電壓,主要為STM32F103ZET6芯片供電。

2.2.2信號處理電路

信號處理電路如圖1所示。投入式水位壓力變送器輸出4～20mA電流信號,在信號處理電路中采用線性光耦HCNR201進行放大隔離,將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號輸入至MCU中進行處理。為滿足HCNR201輸入小電流信號的要求,通過249Ω與100kΩ的電阻分流將輸入信號縮小400倍傳入HCNR201,然后通過后方的100kΩ電阻將信號放大10萬倍并轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入給MCU進行處理。

2.3軟件設(shè)計

2.3.1下位機軟件設(shè)計

下位機軟件設(shè)計包括主程序、GPRS子程序、GPS子程序、A/D采樣子程序設(shè)計。

主程序流程如下:首先進行系統(tǒng)初始化,讀取當前上報周期以及GPRS模塊啟動周期。在達到啟動周期時間后,啟動GPRS模塊并為變送器供電進行水位數(shù)據(jù)采集,通過DMA進行A/D采樣,采集20個點的值。采用中值濾波算法處理采集數(shù)據(jù),首先對20個點進行排序,然后取中間值作為本次水位數(shù)值。通過GPRS模塊將水位數(shù)值傳輸?shù)缴衔粰C,完成一次測量。

2.3.2上位機軟件設(shè)計

上位機軟件設(shè)計框圖如圖2所示。

上位機在接收到下位機啟動后發(fā)送的心跳包后,解析心跳包數(shù)據(jù)識別設(shè)備編號。根據(jù)設(shè)備編號下發(fā)獲取當前GPS坐標與水位數(shù)值信息報文,解析下位機上傳報文得到當前GPS坐標與水位數(shù)值信息后,通過水位率定算法計算出水位數(shù)值并存入數(shù)據(jù)庫中進行保存。

3試驗結(jié)果

以水為待測液體進行試驗,多次測量不同高度下的液位值,試驗數(shù)據(jù)如表1所示。在200cm的測量范圍內(nèi),測得液位的誤差小于1cm,實現(xiàn)了較高精度的液位測量。

4結(jié)語

本文設(shè)計了可用于灌區(qū)渠道的水位監(jiān)測系統(tǒng),通過系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計實現(xiàn)了水位高精度檢測、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、用戶不同終端實時查看的一體化監(jiān)測方案。