水位遠程連續報測系統設計與實現

王衛兵 孫鐵波

(江蘇食品職業技術學院，江蘇 淮安 223003)

0 引言

當前，因洪水等自然災害所引發的突發事故危害巨大［1］。因此，對水位進行遠程動態監控，為工程和相關地區防洪工程提供安全保障顯得尤為重要。現階段我國主要使用浮子式自動水位計和非接觸式氣介水位計，采用測井法測量水位［2］。這就存在自動化程度低以及由于江河泥沙的淤積，影響水位檢測精度這兩方面的缺陷。

借鑒國外先進技術，提出了一種采用FWD-F系列磁致伸縮液位傳感器與TMS320F2812單片機系統配合設計的水位遠程連續報測系統［3］。磁致伸縮傳感器可直接置于水中，在傳感器周圍裝有穩流裝置［4］，無需標注高度;采集的水位數據通過GPRS通信傳送至信息主站，實現水位信息遠程自動監測，提高了水位報測速度和精度。

1 系統工作原理

水位遠程報測系統主要由磁致伸縮液位傳感器、運算放大器、TMS320F2812單片機、穩壓電源和GPRS模塊等組成［5］。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Principle of the system

將磁致伸縮液位傳感器置于水中，利用傳感器內兩個不同的磁聲相交，使其波導管發生波導扭曲，產生一個超聲波信號，然后計算這個信號被探測所需的時間周期，從而換算出準確的水位高度信號［6］。輸出的電壓信號經運算放大器LM324直接送至TMS320F2812單片機，使用單片機內部的A/D轉換完成信號采集處理后，輸出編碼信號，由異步串行通信接口送至GPRS模塊進行通信。PC機能實時地顯示各測量點的水位情況。

2 硬件設計

2.1 磁致伸縮液位傳感器

磁致伸縮線性液位傳感器主要由測桿、電子倉和套在測桿上的非接觸的磁環(浮球)組成，測桿內裝有磁致伸縮線(波導絲)。工作時，由電子倉內的電子電路產生起始脈沖。此起始脈沖在波導絲中傳輸的同時產生了沿波導絲方向前進的旋轉磁場。當這個磁場與磁環(浮球)中的永久磁場相遇時，波導絲發生扭動，產生扭動脈沖［7］。扭動脈沖被安裝在電子倉內的拾能機構所感知，并轉換成相應的電流脈沖，電流脈沖經積分后得到一個工業標準電壓信號，傳給TMS320F2812單片機。通過計算發送激勵脈沖的時間和接收到回波的時間，可計算出時間差ΔT，再根據超聲波的傳播速度v，可計算出檢出頭與液面之間的距離L0=v×ΔT，而測桿的總長度L1已知，則可得出水位L為:

2.2 運算放大電路

信號放大采用集成LM324N帶寬補償電路，如圖2所示。

圖2 運算放大電路Fig.2 Circuit of the operation amplifier

該電路為正比例放大電路，雙電源供電，交流耦合輸入、輸出放大倍數為G=1+Rf/R2。圖2中，C2、C4為電源濾波電容;C1、C3起到信號輸入、輸出的交流耦合作用;R1維持運算放大器同向、反向差分輸入級的對稱性;Rf、R2為反饋網絡電阻;C5為補償電容，帶寬補償主要通過調整電容C5的取值來實現。

在非理想運算放大電路的數學模型基礎上，推導出補償電容C5的理論計算公式為:

式中:ω0為低頻主極點對應的轉折頻率;K0為開環增益;Rf、R2為反饋網絡電阻值;ωb為需要補償的帶寬，從而可以在保持系統原有增益不變的情況下，擴展其頻帶，提高運放的時域響應速度。

2.3 單片機部分

系統采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812為核心，主要完成數據采集、處理及控制系統的工作，協調異步串口SCI向信息主站發送信息。使用單片機內部A/D完成信號采集。與外擴A/D相比，這能明顯降低產品成本，減少芯片數量，對降低功耗、提高可靠性也有好處［8］。上傳數據時需要附加時間信息，還要外擴帶SPI接口的時鐘芯片DS1305。同時，為保證斷電時信息不丟失，還需要外擴EEPROM芯片。

2.4 GPRS 傳輸

2.4.1 GPRS 的選擇

通用分組無線服務技術(general packet radio service，GPRS)是建立在GSM網絡上，為用戶提供高速分組交換數據的新網絡業務，采用中國移動的虛擬專用網絡(virtual private network，VPN)。網絡中的每個GPRS模塊需要安裝一張SM卡，每張SM卡綁定中國移動分配的一個IP地址，并且擁有獨立上網的接入點(access point name，APN)。所有數據都是在VPN專網中傳輸，安全性得到充分保證［9］。西門子公司的MC55模塊是目前最小的三頻GSM/GPRS模塊，具有很高的可靠性和易用性，很適合在移動終端中作無線通信模塊。

2.4.2 MC55 單元電路

MC55單元完成無線上網數據傳輸功能。一方面通過RS-232接口與信息采集處理主控電路TMS320F2812連接;另一方面撥號登錄至GPRS網絡，實現數據采集終端和GPRS無線網絡的互聯。硬件電路如圖3所示。

圖3 MC55硬件電路Fig.3 MC55 hardware circuit

主控電路通過RS-232選擇時鐘信號。當無信號或沒有插入SM卡時，SYNC引腳輸出脈寬為600 ms、占空為1∶1的時鐘信號，LED均勻閃爍;當登錄到GPRS網絡時，SYNC引腳輸出高電平脈寬為75 ms、低電平脈寬為3 s的時鐘信號，LED長滅短亮。

MC55提供的SM卡接口可直接驅動SM卡座。當SM卡座中插入卡時，CCN引腳輸出高電平，MC55工作;撥出SM卡時，CCN輸出低電平，MC55關閉。

主控電路的通用I/O口G1引腳與MC55引腳VDD連接，實現掉電異常檢測。模塊開機時，VDD輸出高電平，關機時，VDD輸出低電平。因此，系統通過監測VDD引腳電平判斷模塊是否掉電。模塊掉電時要重新啟動，同時MC55模塊的內核需由IGT引腳以預定的時序激活，才能進入正常工作狀態。MCSS模塊啟動時序如圖4所示。

圖4 啟動時序圖Fig.4 Diagram of sequencing startup

3 GPRS通信數據的處理

GPRS的數據傳輸模式和命令模式均是通過AT命令來實現的，通過標準RS-232串口和外部控制器進行數據通信［10］，通過軟件置位完成對MC55的操作，即GPRS連接服務的建立和相關的數據傳輸。GPRS的數據傳輸流程如圖5所示。

圖5 數據傳輸流程圖Fig.5 Flowchart of data transmission

圖5中，MC55的通信方式和任何通信相關的參數均利用AT命令通過串口本地更改設置。本設計將MC55模塊上線設置的AT命令放入二維數組modim command中。

其中，Socket通信主要完成終端歷史數據、實時水位信息和控制中心命令的傳輸等。

4 系統主要功能

本設計在淮河水利工程中進行了GPRS組網運行試驗。經安裝和調試，系統運行正常，通信傳輸良好。

4.1 實時監控功能

系統可動態地從數據庫中獲取數據，實時顯示各監測點的水情，主要包括水位、雨量監測數據實時變化。其中，數據后綴的紅燈表示警戒狀態、綠色表示正常狀態，報警上下限可以在功能區進行修改。狀態欄顯示時間和接收狀態，顯示燈呈綠色表示接收水情數據正常，紅色則表示異常。

4.2 數據查詢功能

水位雨量曲線可以根據時間和監測點名稱進行數據查詢。點擊任何一個監測點上的實時曲線繪制按鈕，即可實時顯示水位、雨量曲線信號，同時自動繪制雨量、水位曲線圖形，如圖6所示。

圖6 水位雨量曲線Fig.6 Curves of the water level and rainfall

5 結束語

利用磁致伸縮液位傳感器與TMS320 F2812單片機配合設計的水位數據采集，通過GPRS無線傳輸技術實現了遠程水位信息監測，可在無人職守的情況下自動地通過GPRS網絡向控制中心發送水情信息。整套系統可靠性高，數據實時性好，具有很好的應用前景。

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