基于現(xiàn)有使用井和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建及應(yīng)用

周幫平 毛潭 柴帥 梁清爽

[摘 要] 基于現(xiàn)有使用井和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由主機(jī)采集傳輸通信部分、太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)、液位壓力傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件四部分組成，并進(jìn)行了中試及推廣應(yīng)用，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性能好，適應(yīng)能力強(qiáng)，為科學(xué)利用地下水提供了技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞] 農(nóng)用機(jī)井；物聯(lián)網(wǎng)；地下水；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；工程應(yīng)用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.170

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，日益增長(zhǎng)的用水與水資源短缺之間的矛盾逐漸加劇，水資源的短缺已成為全球性的問(wèn)題。地下水作為優(yōu)良水資源也面臨著過(guò)度開(kāi)采和水位下降過(guò)快的問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)發(fā)展和科學(xué)利用，對(duì)地下水位進(jìn)行長(zhǎng)期、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)成為科學(xué)用水決策的必要條件。[1]水利信息化作為水利現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)水資源科學(xué)管理、高效利用和有效保護(hù)的基礎(chǔ)和前提。在此背景下，搭建地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)施縣區(qū)的地下水位遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，對(duì)水位信息進(jìn)行管理及分析，為科學(xué)利用地下水提供技術(shù)支撐。[2]

1 地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建

地下水遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)搭建系統(tǒng)主要有四大部分，分別為主機(jī)采集傳輸通信部分、太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)、液位壓力傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件部分。四大部分充分結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水監(jiān)測(cè)的科學(xué)化、現(xiàn)代化管理，是目前國(guó)內(nèi)農(nóng)村地下水監(jiān)測(cè)建設(shè)的系統(tǒng)解決方案。

1.1 主機(jī)采集傳輸通信部分

主要包括數(shù)據(jù)采集部分[2]和GPRS遠(yuǎn)程通信部分。[3]

數(shù)據(jù)采集部分主要包括I/V轉(zhuǎn)換電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。I/V轉(zhuǎn)換電路采用兩級(jí)運(yùn)算放大器可以使零點(diǎn)的處理更加方便，運(yùn)放選用整個(gè)信號(hào)范圍內(nèi)放大特性平坦的特點(diǎn)，同時(shí)單獨(dú)供電，解決了單片機(jī)和運(yùn)放器供電穩(wěn)定性問(wèn)題。A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，使用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程，電路精度可以達(dá)毫米級(jí)。

GPRS遠(yuǎn)程通信部分采用工業(yè)級(jí)低功耗、高性能嵌入式32位處理器，可靠處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)。內(nèi)嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協(xié)議棧；外置定時(shí)器，內(nèi)嵌看門狗，繼電器斷電管理，不死機(jī)、掉線自動(dòng)恢復(fù)；抗干擾設(shè)計(jì)，即使在硬件被鎖死，普通看門狗無(wú)法服務(wù)處理器和通信模塊的情況下仍然可以可靠地自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)；支持GSM撥號(hào)喚醒和永遠(yuǎn)在線的工作模式。通過(guò)GPRS模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，利用GSM網(wǎng)覆蓋面廣、運(yùn)行可靠、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本。

1.2 太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)

在項(xiàng)目應(yīng)用過(guò)程中，由于實(shí)施縣條件限制，大多是市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)。由于農(nóng)村電網(wǎng)停電、農(nóng)閑時(shí)間不供電、地域或人為因素等諸多客觀條件，致使市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)不能長(zhǎng)期有效供電。另外，單獨(dú)的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在遭遇惡劣天氣環(huán)境如陰天下雨，或因太陽(yáng)能板長(zhǎng)時(shí)間積雪、積塵致使轉(zhuǎn)化效率過(guò)低等情況，也不能保證供電系統(tǒng)百分百不間斷。為此，需要搭建市電（農(nóng)村電網(wǎng)）和太陽(yáng)能互補(bǔ)供電系統(tǒng)。其特點(diǎn)如下。

兩個(gè)供電系統(tǒng)互相獨(dú)立，在太陽(yáng)能供電時(shí)，市電（農(nóng)村電網(wǎng)）與此完全物理隔離。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)一般采用太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)型充放電控制器，該方案存在一些不足及隱患，極易因市電（農(nóng)村電網(wǎng)）的瞬間沖擊引起控制器被燒壞，從而不能有效供電。而本供電系統(tǒng)采用物理隔離的方式，有效避免了該情況的發(fā)生。

兩個(gè)供電系統(tǒng)均受蓄電池電壓控制，切換嚴(yán)格。當(dāng)蓄電池電池低于11.5V時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)市電（農(nóng)村電網(wǎng)）給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池電壓高于12.5V時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)市電（農(nóng)村電網(wǎng)）。對(duì)于市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電系統(tǒng)，采用優(yōu)質(zhì)電器配件，確保市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電穩(wěn)定。市電（農(nóng)村電網(wǎng)）充電過(guò)程迅速，避免農(nóng)村電網(wǎng)不穩(wěn)定沖擊。雙供電系統(tǒng)平時(shí)由太陽(yáng)能供電，安全穩(wěn)定。如果遇極端天氣，如連續(xù)下雪，太陽(yáng)能板上有積雪（10天以上無(wú)太陽(yáng)能充電時(shí)），系統(tǒng)啟動(dòng)市電（農(nóng)村電網(wǎng)）供電，充滿后自動(dòng)斷開(kāi)。該過(guò)程大約為4個(gè)小時(shí)。

1.3 液位傳感器

目前，國(guó)內(nèi)大部分的地下水監(jiān)測(cè)設(shè)備使用或需要使用專用的觀測(cè)井，其打井及維護(hù)費(fèi)用耗資較大，而農(nóng)用機(jī)井的使用條件十分苛刻，例如農(nóng)村電網(wǎng)的寬幅波動(dòng)、農(nóng)用電機(jī)的強(qiáng)電干擾、農(nóng)用機(jī)井安裝條件復(fù)雜苛刻等各種限制條件。為此我們對(duì)投入式液位傳感器的密封性進(jìn)行了改進(jìn)及應(yīng)用。[4]改進(jìn)后的液位傳感器，適應(yīng)于專用監(jiān)測(cè)井和農(nóng)用井等多種類型監(jiān)測(cè)井的地下水資源監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程地下水監(jiān)測(cè)低成本要求。

液位傳感器采用316不銹鋼材料經(jīng)特種工藝制造、激光修正而成，采用隔離型擴(kuò)散硅敏感元件，利用壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和線性修正，轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。傳感器含有高性能信號(hào)調(diào)整電路，獨(dú)特的密封工藝，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地在水下及其他液體中使用。它既有自動(dòng)零點(diǎn)校正和滿量程線性調(diào)整功能，又有主動(dòng)非線性校正和頻率響應(yīng)整形技術(shù)，確保傳感變送器有較高的測(cè)量精度。該傳感器內(nèi)置專用防雷電路，即使在雷電頻發(fā)現(xiàn)場(chǎng)也可正常工作。

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件部分

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)管理中心包括遠(yuǎn)程監(jiān)控管理軟件和下位機(jī)動(dòng)態(tài)水位/靜態(tài)水位判定軟件。[5]后臺(tái)服務(wù)軟件以VC為構(gòu)架，SQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理，動(dòng)態(tài)顯示水位圖形，內(nèi)容豐富，可實(shí)現(xiàn)地下水靜水位/動(dòng)水位變化的判定。

2 系統(tǒng)性能

系統(tǒng)主要具有以下性能。

（1）動(dòng)態(tài)水位/靜態(tài)水位判定功能：可根據(jù)動(dòng)靜水位判定思想判定當(dāng)前水位狀態(tài)，為地下水資源進(jìn)行評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)利用提供基礎(chǔ)依據(jù)。

（2）設(shè)置功能：對(duì)設(shè)備內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)，如量程、水位標(biāo)高、通信參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

（3）采集功能：采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位數(shù)據(jù)，A/D精度16-bit，采樣率為66kbps，線性誤差+1LSB（max）。

（4）顯示功能：顯示各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、工作狀態(tài)等，內(nèi)容豐富、直觀。

（5）存儲(chǔ)功能：大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄歷史數(shù)據(jù)，斷電數(shù)據(jù)保存十年。

（6）查詢功能：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件可以下載查詢各種歷史記錄。

（7）遠(yuǎn)程通信功能：內(nèi)置GPRS模塊，工業(yè)級(jí)低功耗、高性能嵌入式處理器，內(nèi)嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協(xié)議棧，支持GSM撥號(hào)喚醒和永遠(yuǎn)在線的工作模式。

（8） 遠(yuǎn)程更新功能：遠(yuǎn)程程序更新遵循XModem協(xié)議，程序更新過(guò)程中出現(xiàn)異常不會(huì)破壞主程序，可有效實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序更新。

（9） 報(bào)警功能：包括輸入信號(hào)超限報(bào)警和設(shè)備自診斷報(bào)警，報(bào)警值可設(shè)上下限，可擴(kuò)展防盜報(bào)警、防拆報(bào)警。

（10）停電數(shù)據(jù)發(fā)送功能：停電時(shí)，有備用電源提供GPRS模塊發(fā)送停電等異常錯(cuò)誤信息到控制中心。

（11）定時(shí)功能：定時(shí)采集、定時(shí)上報(bào)水位數(shù)據(jù)，時(shí)間間隔可任意設(shè)置。

（12）擴(kuò)展功能：前端設(shè)備有多種擴(kuò)展槽，可接入各種水量、水溫及監(jiān)測(cè)儀表的信號(hào)，適用更多物理量監(jiān)測(cè)，如溫度、濕度、位移、傾角等。

3 系統(tǒng)中試及應(yīng)用

本系統(tǒng)在搭建過(guò)程中，充分進(jìn)行了試驗(yàn)，并積極改進(jìn)，最終完成系統(tǒng)定型設(shè)計(jì)。主要試驗(yàn)內(nèi)容包括設(shè)備內(nèi)部器件技術(shù)性試驗(yàn)，如分別在-30°C和60°C下保溫2小時(shí)的耐高低溫實(shí)驗(yàn)、防電磁干擾測(cè)試等；整體設(shè)備在各種惡劣環(huán)境下運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)、太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)試驗(yàn)、配電箱的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)等。如圖1至圖4所示。

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間歷時(shí)一年多，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，具備完善的耐低溫、耐高溫、防雷（防雷等級(jí)：可抗50A 8/20浪涌信號(hào)的沖擊）、防水（密封等級(jí)：外殼IP67 ，傳感器IP68）和防電磁干擾等措施。外殼封裝堅(jiān)固小巧，同時(shí)采用太陽(yáng)能與市電（農(nóng)村電網(wǎng)）互補(bǔ)雙供電系統(tǒng)供電，具有高可靠工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，適合各種惡劣環(huán)境全天候工作。

本系統(tǒng)應(yīng)用于山西省全省地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系建設(shè)項(xiàng)目中，共布監(jiān)測(cè)點(diǎn)1540個(gè)，覆蓋全省115個(gè)農(nóng)業(yè)縣區(qū)，加強(qiáng)了全省地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)控，實(shí)行地下水用水總量控制和水位控制，促進(jìn)全省地下水止降返升，為省政府目標(biāo)責(zé)任制考核提供科學(xué)依據(jù)。

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[基金項(xiàng)目] 2015年北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)骨干計(jì)劃；北方工業(yè)大學(xué)2017年優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)：XN019012）。

[作者簡(jiǎn)介]周幫平（1990—），北方工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)；毛潭（1982—），碩士，北方工業(yè)大學(xué)副教授，研究方向：數(shù)字化制造技術(shù)與裝備。