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基于GPRS的灌区水位智能监测系统设计

上传者:汪超亮
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上传时间:2015-04-21
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基于GPRS的灌区水位智能监测系统设计

2015年4月农机化研究第4期

基于GPRS的灌区水位智能监测系统设计

112

闻成章,董桂菊,李广军

(1.东北农业大学,哈尔滨

150030;2.尚志市电业局,黑龙江尚志150600)

要:为实现三江平原灌区地下水位数据的实时采集和监控,设计了基于无线传输的灌区水位监控系统。数

据采集终端使用超声波水位传感器对地下水位进行实时监测,使用GPRS无线通讯技术实现水位数据的远距离传输;水位监控中心接收、处理、存储并实时显示水位数据,同时绘制出水位变化折线图。试验结果表明,系统测量误差介于0.1~0.5cm之间,能完成对灌区地下水位的实时监测,运行十分稳定,为当地政府部门合理开发灌区地下水资源提供了宝贵的科学依据。关键词:地下水位;实时采集;无线传输;灌区中图分类号:S275.4

文献标识码:A

文章编号:1003-188X(2015)04-0215-04

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.04.051

0引言

地下水是大自然赐予人类的宝贵资源,随着社会

本系统中,硬件部分主要功能是对水位数据进行采集、显示,以及对数据处理并打包传输回系统上位机水位监控中心。硬件部分整体框图如图1所示

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发展和科技进步,地下水资源已被过度地开发利用,不合理地开采地下水资源已经引起地下水水位下降和一系列的环境问题。例如,地面沉降引起建筑物的破坏;沿海地区过量开采地下水,造成海水入侵和倒灌;干旱地区过量开采地下水,引起了土地荒漠化。大量的地表水被不合理地使用(如农田灌溉),地下水位上升近地表,使得土壤次生盐渍化;一些大坝工程的修筑使得库区附近地下水位抬升,也会引起斜坡不稳定。因此,对地下水的水位变化进行监测是地下水开发管理、预测与控制的一项重要任务。

为了合理开发利用三江平原的地下水资源,同时优化配置地下水资源,提高用水效率,必须要实时、有效地采集地下水水位数据,通过对地下水水位数据进行长期采集,为水文工作者、地方水利部门等提供最原始、最准确的数据,用以适时制定相应政策,实现灌区水资源的可持续开采和利用。本设计以三江平原绥滨农场灌区为例,对当地灌区水位进行实时监测,从而为当地政府部门合理开发地下水资源提供科学依据。

1.1

微控制器

系统选用STC12C5A60S2单片机作为硬件核心,它是宏晶公司生产的新一代增强型8051单片机。其指令代码完全兼容传统8051,但速度比传统的8051单片机快8~12倍;内部集成MAX810专用复位电8路高速10位A/D转换。路,1.2

传感器选择

水位信息传感器是水位数据采集系统的一个极其重要的组成部分,是实现水位监测系统自动监测和控制的首要环节。表1为几种常用水位信息采集传感器的特点和工作原理。通过对几种常用传感器比较分析,系统选用HW-C1000C20超声波式水位传感器来采集地下水位数据。1.3

无线传输模块

系统选择华为公司生产的GTM900-B无线通讯

收稿日期:2014-04-17

“863计划”基金项目:国家项目(810028)

(E-mail)作者简介:闻成章(1989-),男,黑龙江绥滨人,硕士研究生,

105381716@qq.com。

通讯作者:董桂菊(1967-),女,哈尔滨人,副教授,硕士生导师,硕士,

(E-mail)tsc@neau.edu.cn。

图1

系统硬件结构图

1系统硬件设计

模块,并采用公网动态IP+DNS解析方式进行组网。其解析方式原理图如图2所示。1.4

供电模块

水位数据采集终端工作在野外,系统选用独立的

·215·

2015年4月农机化研究第4

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期太阳能蓄电池为数据采集终端提供持续、稳定的电

源。供电模块的结构如图3所示。

表1

传感器

名称常用水位传感器特点比较压力式水位传感器超声波水位传感器③对串口信息、水位监测井信息、警戒水位等相关信息进行设置和修改。浮子式水位传感器

人为误差较

大,测量精

特点度较低,受

孔斜水位埋

深限制。人为误差较小,测量精度较高,受气压的影响明显。人为误差较小,测量精度较高,比较适用于大量程的测量。

依据水的浮

力来实现水

位采集。浮体

浮于水面随

工作原理水位上升或

下降,将浮体

随水位移的

信号转换成

电信号,实现

水位采集。当单晶硅受到水的压力后,其电阻率发生改变,且与水压成正比,通过压力与电信号的转换,实现水位数据测量。发射探头向水面发出超声波,部分声波被水反射回接收探头,通过计算超声波往返的时间来实现水位信息的采集

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图4水位数据采集子程序流程图

图2IP+DNS

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解析方式原理图

图3供电模块结构图

2

2.1系统软件设计数据采集终端软件

数据采集终端采用C语言编程,按功能的不同,

整个程序写成不同的子程序,程序整体上结构清晰且

易于调试和维护。图4为超声波传感器采集水位数

据的子程序流程图,图5为无线传输模块子程序流程图。

2.2水位监测中心软件

水位监测中心上位机软件基于VisualBasic(简称

VB)串口通信开发。VB是一种面向对象的程序设计

方法,即把程序和数据封装成为一个实体,直接针对

这些对象进行程序的设计,不需要重复编写大量代

码,缩短软件开发周期。软件实现了如下功能:①对

各水位监测井数据进行实时准确地接收和存储,并显

示其水位状态;②对各监测点的数据进行实时显示及

根据数据变化绘制折线图形,便于查看其变化趋势;

·216·图5GPRS传输模块的程序流程图3系统应用本系统于2013年5月在黑龙江省绥滨县绥滨农

2015年4月农机化研究第4期

场灌区进行了应用试验。试验结果显示:系统的灵敏度高,能实时监测水位的动态信息,系统的整体误差介于0.1~0.5cm之间,符合《水位观测标准GB/T50138-2010》的要求。本文由于篇幅限制,表2列出2013年5月1日10:00-12:00人工测量与系统测量得到的部分水位数据进行对比。

表2

时间10:0010:0510:1010:1510:2010:2510:3010:3510:4010:4510:5010:5511:0011:0511:1011:1511:2011:2511:3011:3511:4011:4511:5011:5512:00

人工测量与系统测量水位值对比

系统水位值12.14112.14112.13612.13512.13112.12512.12212.11612.11412.11012.10412.10312.09612.09312.09012.08812.08512.08412.08212.08012.08612.08412.06912.05812.053

绝对误差-0.002-0.0010.001-0.0010-0.0010.0010.0030.0010.0020.003-0.0010.0020.0020.002-0.0010.0010.0010.0010.002-0.0020.001-0.003-0.001-0.002

mm

人工水位值12.13912.14012.13712.13412.13112.12412.12312.11912.11512.11212.10712.10212.09812.09512.09212.08712.08612.08512.08312.08212.08412.08512.06612.05712.051

解决了传统人工测量不能进行实时监测的问题,同时弥补了压力式传感器受大气压影响、浮子式传感器受水中泥沙干扰等实际应用时存在的缺陷。

2)根据绥滨农场灌区的特殊环境,本系统应用GPRS无线数据传输技术,实现了灌区水位数据的实时采集和远距离传输。

3)本系统上位机监测软件完成了准确接收数据、对数据的大容量存储、实时显示数据,并且实时绘制水位数据变化折线图。图6、图7为2013年5月1日10:00-11:00与11:00-12:00的水位变化折线图

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图610:00-11:00

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水位变化折线图

图711:00-12:00水位变化折线图

参考文献:

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4结论

1)本系统设计的基于超声波水位数据采集终端,

·217·

2015年4月农机化研究第4期

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TheDesignofanIntelligentWirelessBasedWaterLevelMonitoring

SystemforIrrigatedLandArea

WenChengzhang1,DongGuiju1,LiGuangjun2

(1.NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China;2.ShangzhiCityElectricPowerBureau,Shangzhi150600,China)

Abstract:InordertomonitorandgatherthegroundwaterleveldataofirrigatedlandareainSanjiangPlaininrealtime,awirelessbasedwaterlevelmonitoringsystemisdesigned.Ultrasonicsensorisusedaspartoftheterminaltocollectandmonitorthewaterlevelinreal-time.GPRSnetworkisutilizedtotransportthewaterleveldatafromterminalstothemo-nitoringcenter.Waterleveldataarethenprocessed,storedanddisplayedalongwiththeautomaticallygeneratedfiguresandcurvesaboutwater-levelchanges.Theexperimentresultshowsthatthemeasurementerrorisbetween0.1cmand0.5cm.Thesystemproofstobecapableofmonitoringthewaterlevelofirrigatedlandareainreal-timewhilework-inginaverystablecondition.Andthesystemisalsovaluableofprovidingscientificevidenceforthelocalauthoritiestowiselyandrationallydevelopthegroundwaterresourcesintheirrigatedlandarea.

Keywords:groundwaterlevel;real-timemonitoring;wirelessnetwork;irrigatedlandarea

(上接第192页)

AbstractID:1003-188X(2015)04-0188-EA

ExperimentalStudyandSawingMechanicalModelofthe

Soil-RootCompositeswithpasture

LiHui1,GuoYuming2,XueShuping1,YanJinshun1,LiuLi1,MaBiao1

(1.LvliangUniversity,Lvliang033000,China;2.ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:Accordingtotheforcesituationwhenroot-cutterisworking,asawingmechanicalmodelofthesoil-rootcompositeisbuilt.Thesawingmechanicalfunctionofsoil-rootcomposite/complexwhichismainlyconstitutedbychinensisrootsisputintoexperimentsontheelectricaluniversaltestingmatchingwithahomemadesawing-styleroot-cutter.Itisinferredthat:Responsesurfacemathematicalmodeloftheworkingresistanceperroot-cutter’swidthisac-quiredbyregressionfits,thus,aconstantcanbeconcludesbycomparedwiththesawingmechanicalmodelandbeusedtocalculatetheresistancethroughthemechanicalmodle.Penetrationdepthshowsapositiverelationshipcomparedwithpenetrationresistance.Theworkingresistancesbetweenupstreamanddownstreamareinconsistentwhentheroot-cutterisinreciprocationmotion;theformerresistanceislargerthanthelatterone.

Keywords:soil-rootcomposite;Sawingcharacteristics;root-cuttingprocess;mechanicalmodel

·218·

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