引言

渠道實(shí)用的水位測(cè)量方法很多,但主要是依托建筑物設(shè)立相關(guān)的測(cè)量設(shè)施。常用的數(shù)位測(cè)量?jī)x器有浮子式、壓力式、超聲波式、雷達(dá)式水位計(jì),浮子式水位計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉,但需配建水位測(cè)井:超聲波與雷達(dá)式水位計(jì)測(cè)量精度高但造價(jià)昂貴且維護(hù)成本較高:壓力式水位計(jì)在保證測(cè)量精度的同時(shí)還具有成本低、便于維護(hù)安裝的特點(diǎn)。通過(guò)下位機(jī)與上位機(jī)相結(jié)合的模式,運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)渠道每個(gè)重要節(jié)點(diǎn)全過(guò)程、不間斷的監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)采集水位數(shù)據(jù)信息并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳至服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)獲取最新的數(shù)據(jù)信息。

1壓力式水位檢測(cè)原理

投入式壓力水位測(cè)量技術(shù)是將壓力傳感器放置于水底測(cè)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(jìn)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(cè)水體密度為p,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(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

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

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1電源電路

下位機(jī)采用12V鋰電池組供電,其可為變壓芯片提供一個(gè)較高的初級(jí)電壓,初級(jí)電壓為投入式壓力傳感器和信號(hào)處理電路進(jìn)行供電。初級(jí)電壓經(jīng)過(guò)MC7805電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5V電壓,進(jìn)而可以為GPRS等電路供電。5V電壓再經(jīng)過(guò)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(hào)處理電路

信號(hào)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(hào),在信號(hào)處理電路中采用線性光耦HCNR201進(jìn)行放大隔離,將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸入至MCU中進(jìn)行處理。為滿足HCNR201輸入小電流信號(hào)的要求,通過(guò)249Ω與100kΩ的電阻分流將輸入信號(hào)縮小400倍傳入HCNR201,然后通過(guò)后方的100kΩ電阻將信號(hào)放大10萬(wàn)倍并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入給MCU進(jìn)行處理。

2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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

主程序流程如下:首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,讀取當(dāng)前上報(bào)周期以及GPRS模塊啟動(dòng)周期。在達(dá)到啟動(dòng)周期時(shí)間后,啟動(dòng)GPRS模塊并為變送器供電進(jìn)行水位數(shù)據(jù)采集,通過(guò)DMA進(jìn)行A/D采樣,采集20個(gè)點(diǎn)的值。采用中值濾波算法處理采集數(shù)據(jù),首先對(duì)20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行排序,然后取中間值作為本次水位數(shù)值。通過(guò)GPRS模塊將水位數(shù)值傳輸?shù)缴衔粰C(jī),完成一次測(cè)量。

2.3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

上位機(jī)在接收到下位機(jī)啟動(dòng)后發(fā)送的心跳包后,解析心跳包數(shù)據(jù)識(shí)別設(shè)備編號(hào)。根據(jù)設(shè)備編號(hào)下發(fā)獲取當(dāng)前GPS坐標(biāo)與水位數(shù)值信息報(bào)文,解析下位機(jī)上傳報(bào)文得到當(dāng)前GPS坐標(biāo)與水位數(shù)值信息后,通過(guò)水位率定算法計(jì)算出水位數(shù)值并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存。

3試驗(yàn)結(jié)果

以水為待測(cè)液體進(jìn)行試驗(yàn),多次測(cè)量不同高度下的液位值,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。在200c.的測(cè)量范圍內(nèi),測(cè)得液位的誤差小于1c.,實(shí)現(xiàn)了較高精度的液位測(cè)量。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了可用于灌區(qū)渠道的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水位高精度檢測(cè)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸、用戶不同終端實(shí)時(shí)查看的一體化監(jiān)測(cè)方案。