基于無線通訊技術的渠道在線測流系統設計

買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

基于無線通訊技術的渠道在線測流系統設計

買買提明·肉孜

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆莎車縣844700）

我國是一個農業大國，農業灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測量設備新舊不一，先進與落后并存，導致渠道水資源分配缺乏必要的數據支持。在分析渠道現有測流技術的基礎上，結合目前發展現狀和未來的發展方向，設計了以壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機等組成的渠道測流系統，實現了渠道測流的自動化，具有良好的推廣應用價值。

無線通訊；渠道；灌區；在線測量

引言

農業灌溉的水資源利用率還較低，許多灌區都存在水資源分配和利用不均衡的問題，各種渠道的測量設備新舊不一，先進與落后并存，導致渠道水資源分配缺乏必要的數據支持。現有的灌區量水方法主要有浮標、水尺、流速儀等儀表，量水堰等特設設施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物。浮標、水尺使用簡單，成本低廉，但測量精度較低［1］。量水堰等特設設施和渠道上的閘、渡槽等水工建筑物，均可以根據對應的理論公式和實測水流數據，求得相應的流量。這種方法操作簡單，但對建筑物的斷面形態，水流條件要求比較嚴格［2-3］。流速儀結合水位計可以測量標準渠道斷面的流量，測量精度較高，但計算較為復雜，要求渠道斷面要順直光滑、水流穩定均勻，水中無雜物。儀表類流量計由傳感器和測量儀表組成，測量的流量較小，可以直接量出流量數值，精度較高［4］。隨著無線通訊技術、計算機信息技術、儀器儀表制造等技術的發展，測量設備自動測量、記錄數據，通過無線通訊技術可以實時傳輸到管理系統中，使管理者可以更合理地分配水量，實現水資源利用效益的最大化。目前，明渠流量的測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，這些裝置有精度、適用條件、或經濟性等方面的不足之處［5-6］。本文利用壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機組成的渠道測流系統，改進了上述測量裝置的弊端，優化了測量效果。系統的結構框架如圖1所示。

圖1系統結構框架

1測流系統的原理

隨著無線通訊技術的發展，測量設備實現了自動測量和記錄數據，管理者可以更合理地分配水量，實現資源利用最大化。本文設計的測流系統主要測量依據為“流速-面積法”。計算機通過無線通訊技術控制單片機，單片機與步進電機相連并控制步進電機在渠道斷面水平方向移動，步進電機與水平機械傳動機構相連，并控制壓力式測流裝置移動和升降［7］。測流裝置上有10個壓力傳感器，在同一高度處2個為1組，共有5組，如圖2所示。

每組中一個平行水流方向、測量動水壓力，一個垂直水流方向、測量靜水壓力，可以測出每一組所在位置的測點流速。將不同高度處的5組測點流速取平均值則可以得到測線流速，通過步進電機控制測流裝置移動可以測得斷面不同測線的流速，進而求得測流斷面的流速，最后將數據傳入計算機，經計算可以求得測流斷面的流量。使用伯努利方程即可確定流速與壓力的關系：

圖2測流裝置

式中：P—壓強，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。

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

本文設計的測量系統通過測流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器測量流動參數，通過單片機控制步進電機，進而控制機械傳動機構移動、升降，并測量出測點流速、測線流速，通過計算求得斷面流速和測流斷面流量。整個系統通過主控制器的電路、信號采集電路、傳動機構電路的設計，實現了測流斷面數據的自動采集。下文將重點對在線測流系統電路部分進行設計。

2在線測流系統設計

2.1主控制器的電路設計

單片機是測流系統的控制部分，它控制著電機等模塊的工作，進行信號接收與數據處理，并輸出到計算機。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采集的信號依序傳輸到單片機內，進行處理后可以直接在顯示屏上顯示，也可以通過STC單片機控制的無線模塊傳輸到電腦里，便于進一步操作、處理，除采集信號外，還有驅動步進電機左右移動的功能。主控芯片電路如圖4所示。通過微分型復位電路和時鐘電路，單片機可以實現啟動前復位，保持系統穩定，避免死機，工作依時間順序進行。

圖4主控芯片電路

時鐘電路是控制單片機內部工作電路最重要的部分，可以改變觸發器狀態，使內部電路穩定有序進行，對每個指令進行檢測。STC12C5A60S2的時鐘信號可以由外部時鐘信號引入或利用自身振蕩電路產生。當多個單片機組成系統時，使用外部時鐘信號。本次選用內部時鐘信號。

2.2信號采集電路設計

根據測流要求，測流系統共需測量20路電壓信號，需要設計1個20選1的選擇器。采集系統由2片CD4097和1片CD4052組合而成，無需人工錄入，節約了人力資源和成本，避免了人為因素導致的數據錯誤，具有很高的工作效率和錄入準確度。CD4052是雙4選1的多路模擬選擇開關，負責4個電壓值的采集，包括A、B輸入端和INH輸入。CD4097是雙8選1的數字控制模擬開關，負責5個電壓值的采集，包括A、B、C輸入端和INH輸入。CD4052具有電壓范圍廣、導通阻抗低、截止阻抗高、靜態功耗低、可以實現數字與模擬電平轉換和解碼二進制地址，并且能開關匹配等特點。CD4097具有低導通阻抗、低截止電流、內部譯碼、導通電阻穩定，且可以形成數控網絡、多路分配器等特點。

2.3傳動機構電路設計

傳動機構是通過步進電機帶動的，而步進電機則是由單片機控制的，在控制電路和驅動電路之間設置光耦隔離電路，可以提高2者連接的穩定性和可靠性。光耦隔離電路的原理是經過其隔離的脈沖信號傳入驅動步進電機的晶體管電路，將電阻兩端分別串聯晶體管集電極和電機繞組，從而實現快速啟動，在驅動電路中增設泄放電路，能迅速釋放繞組里的電流。根據測流系統的要求，選用兩相步進電機。

3無線電通訊技術數據傳輸

3.1無線模塊的選擇

無線通訊模塊和通信模塊電路可實現單片機與上位機之間的數據傳輸。目前，信號傳輸方式主要為有線傳輸和無線傳輸2種方式。有線傳輸具有速度快、信號穩定、帶寬大、輻射輕微等優點，但是也有成本高、鋪設施工困難、周期長、維修難度大等缺點。與有線傳輸相比，無線傳輸的優勢主要表現在成本低、適應性強、可擴展、易維護等方面，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。目前常用的無線傳輸技術主要有藍牙、紅外、超帶寬、Wi-Fi、射頻和紫蜂等。這些技術有著各自不同的標準和特點，適用范圍也不同。由于測流系統多布設于野外環境中，考慮到工程進度、施工難度和經濟性等方面，選用無線傳輸中的射頻技術作為信號傳輸的方式，選用nRF24L01射頻模塊，由內置發生器、放大器、振蕩器、調制解調器等部分組成。

3.2通信模塊電路

單片機通過控制測流裝置采集信號和通過IO口控制無線模塊傳輸信號，并將數據通過串口顯示到電腦。無線模塊的電路如圖5所示。

單片機的工作電壓為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者之間設置了正向低壓降穩壓器，以平衡2者之間的壓差。單片機通過串口RS232與上位機進行通信，但串口與單片機的邏輯電平不匹配，上位機輸出的是EIA電平，單片機則是TTL電平。通過DS232A-N芯片可以實現單片機與上位機之間的電平轉換，建立通信聯系。DS232A-N芯片在不另接電源的情況下，通過2個內置的電荷泵，可以將電壓由+5V變為±10V，從而實現單片機與上位機之間的電平轉換。

圖5nRF24L01控制電路

4結論

在分析渠道測流技術的基礎上，結合目前發展現狀和未來的發展方向，設計了以壓力式流量計、步進電機、機械傳動裝置、單片機和計算機等組成的渠道測流系統。通過測流裝置平行和垂直水流方向的多組壓力傳感器，以及單片機控制步進電機進而控制機械傳動機構移動和升降，可以測出點流速、測線流速，進而求得斷面流速，經過計算可以求得測流斷面的流量。通過主控制器的電路、信號采集電路、傳動機構電路的設計，實現了測流斷面數據的自動采集。通過對無線通訊模塊的選擇和通信模塊電路的設計，實現了單片機與上位機之間的數據傳輸，實現了渠道測流的自動化，具有良好的推廣應用價值。

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［6］陳立革，張傳剛，張體剛.位山灌區進水閘量水方法應用探討［J］.水利技術監督，2013（04）：42-44.

［7］曾國雄.一體化測控閘門自動化系統在疏勒河昌馬灌區的應用［J］.水利規劃與設計，2014（05）：41-45.

TV698.1+6

B

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。