水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

黃 偉，郝潤科，尹 剛，奕 健

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

由于水電站兼具防洪、發(fā)電、航運等功能，根據(jù)不同的功能需求，對水電站蓄水容量的要求也不同，因此水電站的水位數(shù)據(jù)成為水電站運行時必須監(jiān)測的一個重要數(shù)據(jù)。為保證水電站安全運行，發(fā)揮水電站最大的經(jīng)濟效益，建立一套完善的水電站自動水位監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要［1－2］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水電站水位自動檢測系統(tǒng)需要滿足長時間無人職守的功能，能夠及時采集水位數(shù)據(jù)，并發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。為保證采集精度，本系統(tǒng)采用一主多從的形式，主機與從機在硬件上的區(qū)別是多了個第二代移動通信技術(shù)(Global System for Mobile Communications，GSM)模塊。數(shù)據(jù)采集終端將采集到的水位信息通過無線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，再通過GSM模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)指標(biāo)如下:(1)實現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的采集。(2)將水位數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端。(3)測量高度2～30 m，跨度100 m以內(nèi)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 水位傳感器選擇及其測距原理

設(shè)計選用超聲波傳感器作為系統(tǒng)的水位傳感器［3－4］。通過超聲波發(fā)射裝置向目標(biāo)液面發(fā)射一定頻率的超聲波，被水面反射回來的反射波被接收裝置探測接收，由于超聲波的傳播速度已知，因此通過計量超聲波從發(fā)射開始到接收到回波信號的時間，即可求得液面距離傳感器安裝位置的高度。測量示意圖如圖2所示。

圖2 測量示意圖

由圖可知，H=V×T/2。其中，H表示超聲波探頭距離液面的距離，為待求量;V表示超聲波的傳播速度，為已知量;T表示超聲波的傳播時間，需在工作時測得。由于兩探頭之間的安裝距離相對于H很小，因此可以將超聲波的傳播路徑近似認(rèn)為是與液面垂直的直線距離。

2.2 MCU芯片的選擇

由于水電站水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目的是實現(xiàn)水電站水位的無人監(jiān)守，因此設(shè)計在選取MCU和具體元器件時對功耗問題要進行特殊考慮。鑒于此，選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103作為本系統(tǒng)的MCU，其具有多種功耗管理模式，可以滿足不同工作狀態(tài)和環(huán)境下的需求。

2.3 無線通信模塊

由于水位采集終端與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的距離相隔比較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的有線傳輸顯得比較復(fù)雜甚至難以實現(xiàn)。為此，采用無線數(shù)據(jù)通信手段，具體選用nRF24L01無線通信模塊。nRF24L01是水位數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的數(shù)據(jù)通信工具，使各水位數(shù)據(jù)采集終端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

nRF24L01是一款融合了增強型ShockBurst技術(shù)的新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，僅通過程序即可配置其輸出功率和通信頻道。nRF24L01具有優(yōu)秀的功耗管理模式，而且在以－6 dBm的功率發(fā)射時工作電流只有9 mA，接收時工作電流12.3 mA，除此之外還有掉電模式、空閑模式等多種低功耗模式，使節(jié)能設(shè)計更加方便。nRF24L01與MCU通過SPI接口連接，其電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01電路圖

2.4 GSM模塊

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與遠(yuǎn)程終端之間的通信采用GSM［5］通信方式。GSM系統(tǒng)包括 GSM 900:900 MHz、GSM1800:1 800 MHz及GSM－1900:1900 MHz等幾個頻段，其傳輸距離遠(yuǎn)，可以容易地實現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)通信。無線GSM通信模塊主要通過應(yīng)用接口和其他終端進行連接通信。

2.5 超聲波檢測接口電路

超聲波測距電路［6］包括超聲波激勵電路和超聲波接收電路，其核心部件為超聲波發(fā)射與接收探頭，探頭性能直接影響超聲波的發(fā)射和接收特性。超聲波激勵電路的作用是用于激勵超聲波探頭使其將一定形式的激勵電壓加到超聲波探頭上，從而使探頭上的壓電晶片將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波信號。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

系統(tǒng)工作時由STM32的高級定時器將兩路占空比為50%、50 kHz的互補PWM信號輸入至MAX232的T1IN、T2IN引腳，由于MAX232的片載電荷泵具有升壓和電壓極性反轉(zhuǎn)的能力，因此能夠產(chǎn)生+6 V和－6 V的電壓，于是在T1OUT和T2OUT處能產(chǎn)生12 V的電壓，從而驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出40 kHz的超聲波。

發(fā)射電路通過三極管實現(xiàn)對MAX232的開關(guān)控制。為了降低發(fā)射電路對接收電路的干擾和電路損耗，在開始發(fā)射前打開MAX232的電源，延遲一段時間待電路穩(wěn)定后開始發(fā)射，發(fā)射結(jié)束后關(guān)斷MAX232的電源。

超聲波接收電路的作用是將接收器接收的超聲波信號轉(zhuǎn)換為可供MCU識別使用的電平信號。由于超聲波在傳播的過程中會有能量的衰減，到達反射面時也會因為存在能量的吸收和散射使得反射回來的回波信號非常微弱，對信號不能直接使用，因此要能檢測到有效的回波信號，必須進行濾波放大等一系列處理。水電站水位監(jiān)測電路的超聲波接收電路如圖5示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

圖5 超聲波接收電路圖

系統(tǒng)軟件部分包括nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序、超聲波數(shù)據(jù)采集程序、GSM短信程序以及LCD顯示程序。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，將各部分所要完成的任務(wù)分模塊分別進行編寫和調(diào)試，本文主要給出nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序和超聲波數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計流程圖。圖6為nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序流程圖，圖7為超聲波數(shù)據(jù)采集程序流程圖。

圖6 nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序流程圖

圖7 超聲波數(shù)據(jù)采集程序流程圖

4 實驗結(jié)果與分析

實驗環(huán)境是根據(jù)水電站實際工作情況在實驗室進行模擬的。系統(tǒng)的軟件調(diào)試部分在RealView MDK 4.7.2環(huán)境下實現(xiàn)。通過軟件編程產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號和模塊所發(fā)射的信號分別如圖8和圖9所示。

圖8 軟件編程產(chǎn)生的脈沖信號

圖9 發(fā)射電路發(fā)出的超聲波信號

由于接收到的超聲波信號很微弱，幅值都在100 mV以內(nèi)，而且噪聲很多，因此需要對超聲波信號能夠進行檢測、濾波以及放大，接收到的超聲波信號如圖10所示。

圖10 接收電路接收到的超聲波信號

接收到的超聲波信號經(jīng)過放大電路和倍壓檢波電路后，將信號送給比較電路，然后輸出只有高低電平信號的數(shù)字信號，供單片機接收使用。經(jīng)過比較電路后的輸出信號如圖11所示。

圖11 比較電路的輸出信號

超聲波測距模塊工作時，超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波信號，信號被液面反射后將信號反射給超聲波接收器，被接收電路接收后經(jīng)過處理，最后將信號以高電平形式輸出，高電平信號保持時間的長短即反應(yīng)發(fā)生與接收信號之間的時間差，通過計算時間差就可以計算出與目標(biāo)物體之間的距離。圖12為距離是70 cm時的波形，圖13是100 cm時的波形。圖中“1”號線表示發(fā)出的40 kHz的脈沖信號，“2”表示通過接收電路處理后的輸出信號，高電平時間即表示從超聲波發(fā)射到接收的時間差?？梢钥闯龈唠娖匠掷m(xù)的時間與距離成正比。

圖12 距離為70 cm時的接收信號

圖13 離為100 cm時得到接收信號

表1為對同一距離進行多次測量所得的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，雖然所測距離與實際距離有一定的誤差，但均在精度要求范圍內(nèi)，因此符合設(shè)計要求。

表1 探測距離數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

水位數(shù)據(jù)是保證水電站安全可靠運行而必須監(jiān)測的一個重要數(shù)據(jù)。本文利用超聲波技術(shù)設(shè)計了一主多從結(jié)構(gòu)的水位自動監(jiān)測系統(tǒng)，實驗表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水電站水位的監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽⑶蚁到y(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)精度高，能較好地達到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

［1］水質(zhì)環(huán)境無線自動檢測系統(tǒng)的研究和開發(fā)學(xué)［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2004(1):50－52.

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［4］郭偉.超聲檢測［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［5］韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［6］袁易全.近代超聲原理與應(yīng)用［M］.南京:南京大學(xué)出版社，1996.