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[导读]摘要:随着农业生产中对水资源利用率重视程度的不断提升,农业用水的灌溉效率与灌溉渗漏系数测定准确化与规范化越来越重要。为实现渠道水位测量的精确化与自动化,研制开发出一种基于GPRS的渠道水位监测系统。对投入式压力水位检测方法进行了研究,介绍了其工作原理及系统结构。以STM32F103ZET6为控制器,设计了信号采集、电源、GPRS信息发送与接收等电路。基于C#语言进行上位机软件设计,主要功能包括数据采集、数据处理与数据存储。该设计为河渠水位监测提供了一种高精度的自动化监测方法,实现了河渠水位监测的远程观测与操控。

引言

渠道实用的水位测量方法很多,但主要是依托建筑物设立相关的测量设施。常用的数位测量仪器有浮子式、压力式、超声波式、雷达式水位计,浮子式水位计结构简单、价格低廉,但需配建水位测井:超声波与雷达式水位计测量精度高但造价昂贵且维护成本较高:压力式水位计在保证测量精度的同时还具有成本低、便于维护安装的特点。通过下位机与上位机相结合的模式,运用物联网技术可实现对渠道每个重要节点全过程、不间断的监测,实时采集水位数据信息并通过互联网上传至服务器实现数据共享,实现通过网络随时获取最新的数据信息。

1压力式水位检测原理

投入式压力水位测量技术是将压力传感器放置于水底测得压力P,环境大气压力为P0,在压力传感器上有与大气压力接触的进气管,所以传感器的压力就等于水位高度所产生的压力P-P0。假定所测水体密度为p,环境重力加速度为g,则液位高度可由式(1)得出:

2系统构建与实现

2.1系统整体设计

下位机由投入式压力水位变送器与水位监测设备组成,水位监测设备包括主芯片控制模块、信号处理模块、太阳能充电模块、GPS模块与GPRS模块。上位机采B/S结构,wEB浏览器是客户端最主要的应用软件,将系统功能实现的核心部分集中到服务器上。下位机与上位机遵循TCP/1P协议进行通信,采用报文传输的形式进行数据传输与设备控制。

2.2硬件电路设计

2.2.1电源电路

下位机采用12V锂电池组供电,其可为变压芯片提供一个较高的初级电压,初级电压为投入式压力传感器和信号处理电路进行供电。初级电压经过MC7805电压转换芯片转换成5V电压,进而可以为GPRS等电路供电。5V电压再经过LM1117电压转换芯片转换为3.3V电压,主要为STM32F103ZET6芯片供电。

2.2.2信号处理电路

信号处理电路如图1所示。投入式水位压力变送器输出4~20mA电流信号,在信号处理电路中采用线性光耦HCNR201进行放大隔离,将电流信号转化为电压信号输入至MCU中进行处理。为满足HCNR201输入小电流信号的要求,通过249Ω与100kΩ的电阻分流将输入信号缩小400倍传入HCNR201,然后通过后方的100kΩ电阻将信号放大10万倍并转换成电压信号输入给MCU进行处理。

2.3软件设计

2.3.1下位机软件设计

下位机软件设计包括主程序、GPRS子程序、GPS子程序、A/D采样子程序设计。

主程序流程如下:首先进行系统初始化,读取当前上报周期以及GPRS模块启动周期。在达到启动周期时间后,启动GPRS模块并为变送器供电进行水位数据采集,通过DMA进行A/D采样,采集20个点的值。采用中值滤波算法处理采集数据,首先对20个点进行排序,然后取中间值作为本次水位数值。通过GPRS模块将水位数值传输到上位机,完成一次测量。

2.3.2上位机软件设计

上位机软件设计框图如图2所示。

上位机在接收到下位机启动后发送的心跳包后,解析心跳包数据识别设备编号。根据设备编号下发获取当前GPS坐标与水位数值信息报文,解析下位机上传报文得到当前GPS坐标与水位数值信息后,通过水位率定算法计算出水位数值并存入数据库中进行保存。

3试验结果

以水为待测液体进行试验,多次测量不同高度下的液位值,试验数据如表1所示。在200c.的测量范围内,测得液位的误差小于1c.,实现了较高精度的液位测量。

4结语

本文设计了可用于灌区渠道的水位监测系统,通过系统硬件与软件的设计实现了水位高精度检测、数据网络传输、用户不同终端实时查看的一体化监测方案。

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