基于無(wú)線通訊技術(shù)的渠道在線測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

基于無(wú)線通訊技術(shù)的渠道在線測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區(qū)都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測(cè)量設(shè)備新舊不一，先進(jìn)與落后并存，導(dǎo)致渠道水資源分配缺乏必要的數(shù)據(jù)支持。在分析渠道現(xiàn)有測(cè)流技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)了以壓力式流量計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成的渠道測(cè)流系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了渠道測(cè)流的自動(dòng)化，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)線通訊；渠道；灌區(qū)；在線測(cè)量

引言

農(nóng)業(yè)灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區(qū)都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測(cè)量設(shè)備新舊不一，先進(jìn)與落后并存，導(dǎo)致渠道水資源分配缺乏必要的數(shù)據(jù)支持?，F(xiàn)有的灌區(qū)量水方法主要有浮標(biāo)、水尺、流速儀等儀表，量水堰等特設(shè)設(shè)施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物。浮標(biāo)、水尺使用簡(jiǎn)單，成本低廉，但測(cè)量精度較低［1］。量水堰等特設(shè)設(shè)施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物，均可以根據(jù)對(duì)應(yīng)的理論公式和實(shí)測(cè)水流數(shù)據(jù)，求得相應(yīng)的流量。這種方法操作簡(jiǎn)單，但對(duì)建筑物的斷面形態(tài)，水流條件要求比較嚴(yán)格［2-3］。流速儀結(jié)合水位計(jì)可以測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)渠道斷面的流量，測(cè)量精度較高，但計(jì)算較為復(fù)雜，要求渠道斷面要順直光滑、水流穩(wěn)定均勻，水中無(wú)雜物。儀表類流量計(jì)由傳感器和測(cè)量?jī)x表組成，測(cè)量的流量較小，可以直接量出流量數(shù)值，精度較高［4］。隨著無(wú)線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、儀器儀表制造等技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量設(shè)備自動(dòng)測(cè)量、記錄數(shù)據(jù)，通過無(wú)線通訊技術(shù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)中，使管理者可以更合理地分配水量，實(shí)現(xiàn)水資源利用效益的最大化。目前，明渠流量的測(cè)量裝置主要有差壓式、電磁式、容積式、渦輪式和超聲波式流量計(jì)，這些裝置有精度、適用條件、或經(jīng)濟(jì)性等方面的不足之處［5-6］。本文利用壓力式流量計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)組成的渠道測(cè)流系統(tǒng)，改進(jìn)了上述測(cè)量裝置的弊端，優(yōu)化了測(cè)量效果。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

1測(cè)流系統(tǒng)的原理

隨著無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)量和記錄數(shù)據(jù)，管理者可以更合理地分配水量，實(shí)現(xiàn)資源利用最大化。本文設(shè)計(jì)的測(cè)流系統(tǒng)主要測(cè)量依據(jù)為“流速-面積法”。計(jì)算機(jī)通過無(wú)線通訊技術(shù)控制單片機(jī)，單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)相連并控制步進(jìn)電機(jī)在渠道斷面水平方向移動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)與水平機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，并控制壓力式測(cè)流裝置移動(dòng)和升降［7］。測(cè)流裝置上有10個(gè)壓力傳感器，在同一高度處2個(gè)為1組，共有5組，如圖2所示。

每組中一個(gè)平行水流方向、測(cè)量動(dòng)水壓力，一個(gè)垂直水流方向、測(cè)量靜水壓力，可以測(cè)出每一組所在位置的測(cè)點(diǎn)流速。將不同高度處的5組測(cè)點(diǎn)流速取平均值則可以得到測(cè)線流速，通過步進(jìn)電機(jī)控制測(cè)流裝置移動(dòng)可以測(cè)得斷面不同測(cè)線的流速，進(jìn)而求得測(cè)流斷面的流速，最后將數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算可以求得測(cè)流斷面的流量。使用伯努利方程即可確定流速與壓力的關(guān)系：

圖2測(cè)流裝置

式中：P—壓強(qiáng)，Pa；ρ—水的密度，kg/m3；v—流速，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2；h—水面高度，m；C—常數(shù)。

由式（1）可以得出，高度相同時(shí)，流速增加，壓力減小。本文設(shè)計(jì)的裝置在同一水平面安裝了2個(gè)壓力傳感器，分別平行和垂直于速度方向。測(cè)壓原理為：

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)通過測(cè)流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器測(cè)量流動(dòng)參數(shù)，通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)、升降，并測(cè)量出測(cè)點(diǎn)流速、測(cè)線流速，通過計(jì)算求得斷面流速和測(cè)流斷面流量。整個(gè)系統(tǒng)通過主控制器的電路、信號(hào)采集電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)流斷面數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。下文將重點(diǎn)對(duì)在線測(cè)流系統(tǒng)電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2在線測(cè)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1主控制器的電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)是測(cè)流系統(tǒng)的控制部分，它控制著電機(jī)等模塊的工作，進(jìn)行信號(hào)接收與數(shù)據(jù)處理，并輸出到計(jì)算機(jī)。其主要控制模塊如圖3所示。

圖3主控制板的主要模塊控制

主控制芯片可以將流量計(jì)采集的信號(hào)依序傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)，進(jìn)行處理后可以直接在顯示屏上顯示，也可以通過STC單片機(jī)控制的無(wú)線模塊傳輸?shù)诫娔X里，便于進(jìn)一步操作、處理，除采集信號(hào)外，還有驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)左右移動(dòng)的功能。主控芯片電路如圖4所示。通過微分型復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)前復(fù)位，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，避免死機(jī)，工作依時(shí)間順序進(jìn)行。

圖4主控芯片電路

時(shí)鐘電路是控制單片機(jī)內(nèi)部工作電路最重要的部分，可以改變觸發(fā)器狀態(tài)，使內(nèi)部電路穩(wěn)定有序進(jìn)行，對(duì)每個(gè)指令進(jìn)行檢測(cè)。STC12C5A60S2的時(shí)鐘信號(hào)可以由外部時(shí)鐘信號(hào)引入或利用自身振蕩電路產(chǎn)生。當(dāng)多個(gè)單片機(jī)組成系統(tǒng)時(shí)，使用外部時(shí)鐘信號(hào)。本次選用內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。

2.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)流要求，測(cè)流系統(tǒng)共需測(cè)量20路電壓信號(hào)，需要設(shè)計(jì)1個(gè)20選1的選擇器。采集系統(tǒng)由2片CD4097和1片CD4052組合而成，無(wú)需人工錄入，節(jié)約了人力資源和成本，避免了人為因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，具有很高的工作效率和錄入準(zhǔn)確度。CD4052是雙4選1的多路模擬選擇開關(guān)，負(fù)責(zé)4個(gè)電壓值的采集，包括A、B輸入端和INH輸入。CD4097是雙8選1的數(shù)字控制模擬開關(guān)，負(fù)責(zé)5個(gè)電壓值的采集，包括A、B、C輸入端和INH輸入。CD4052具有電壓范圍廣、導(dǎo)通阻抗低、截止阻抗高、靜態(tài)功耗低、可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字與模擬電平轉(zhuǎn)換和解碼二進(jìn)制地址，并且能開關(guān)匹配等特點(diǎn)。CD4097具有低導(dǎo)通阻抗、低截止電流、內(nèi)部譯碼、導(dǎo)通電阻穩(wěn)定，且可以形成數(shù)控網(wǎng)絡(luò)、多路分配器等特點(diǎn)。

2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的，而步進(jìn)電機(jī)則是由單片機(jī)控制的，在控制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間設(shè)置光耦隔離電路，可以提高2者連接的穩(wěn)定性和可靠性。光耦隔離電路的原理是經(jīng)過其隔離的脈沖信號(hào)傳入驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的晶體管電路，將電阻兩端分別串聯(lián)晶體管集電極和電機(jī)繞組，從而實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)泄放電路，能迅速釋放繞組里的電流。根據(jù)測(cè)流系統(tǒng)的要求，選用兩相步進(jìn)電機(jī)。

3無(wú)線電通訊技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸

3.1無(wú)線模塊的選擇

無(wú)線通訊模塊和通信模塊電路可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前，信號(hào)傳輸方式主要為有線傳輸和無(wú)線傳輸2種方式。有線傳輸具有速度快、信號(hào)穩(wěn)定、帶寬大、輻射輕微等優(yōu)點(diǎn)，但是也有成本高、鋪設(shè)施工困難、周期長(zhǎng)、維修難度大等缺點(diǎn)。與有線傳輸相比，無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展、易維護(hù)等方面，但是與有線傳輸相比也有如速度不夠快、安全性較低等缺點(diǎn)。目前常用的無(wú)線傳輸技術(shù)主要有藍(lán)牙、紅外、超帶寬、Wi-Fi、射頻和紫蜂等。這些技術(shù)有著各自不同的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)，適用范圍也不同。由于測(cè)流系統(tǒng)多布設(shè)于野外環(huán)境中，考慮到工程進(jìn)度、施工難度和經(jīng)濟(jì)性等方面，選用無(wú)線傳輸中的射頻技術(shù)作為信號(hào)傳輸?shù)姆绞剑x用nRF24L01射頻模塊，由內(nèi)置發(fā)生器、放大器、振蕩器、調(diào)制解調(diào)器等部分組成。

3.2通信模塊電路

單片機(jī)通過控制測(cè)流裝置采集信號(hào)和通過IO口控制無(wú)線模塊傳輸信號(hào)，并將數(shù)據(jù)通過串口顯示到電腦。無(wú)線模塊的電路如圖5所示。

單片機(jī)的工作電壓為5V，nRF24L01射頻模塊的工作電壓為3.3V，存在電壓差，不能直接連接，為此在2者之間設(shè)置了正向低壓降穩(wěn)壓器，以平衡2者之間的壓差。單片機(jī)通過串口RS232與上位機(jī)進(jìn)行通信，但串口與單片機(jī)的邏輯電平不匹配，上位機(jī)輸出的是EIA電平，單片機(jī)則是TTL電平。通過DS232A-N芯片可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換，建立通信聯(lián)系。DS232A-N芯片在不另接電源的情況下，通過2個(gè)內(nèi)置的電荷泵，可以將電壓由+5V變?yōu)椤?0V，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的電平轉(zhuǎn)換。

圖5nRF24L01控制電路

4結(jié)論

在分析渠道測(cè)流技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向，設(shè)計(jì)了以壓力式流量計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)等組成的渠道測(cè)流系統(tǒng)。通過測(cè)流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器，以及單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)和升降，可以測(cè)出點(diǎn)流速、測(cè)線流速，進(jìn)而求得斷面流速，經(jīng)過計(jì)算可以求得測(cè)流斷面的流量。通過主控制器的電路、信號(hào)采集電路、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)流斷面數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。通過對(duì)無(wú)線通訊模塊的選擇和通信模塊電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了渠道測(cè)流的自動(dòng)化，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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1008-1305（2016）03-0010-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.006

2016-04-02

買買提明·肉孜（1980年—），男，工程師。