基于GPRS的超聲波水位監測系統設計

崔　慶，解曉蕾

（1.德州市潘莊灌區管理局，山東 禹城 251200；2.東營市東營區住建局，山東 東營 257000）

基于GPRS的超聲波水位監測系統設計

崔慶1，解曉蕾2

（1.德州市潘莊灌區管理局，山東 禹城 251200；2.東營市東營區住建局，山東 東營 257000）

為完成對潘莊灌區總干渠實時水位數據的收集、傳輸和監控，設計了基于GPRS的超聲波灌區水位監測系統，利用超聲波水位計對總干渠水位信息進行實時監測。試驗證明，監測系統測量誤差在0.1～0.5 cm之間，能很好地完成對灌區總干渠水位的實時監測，性能較好，為潘莊灌區合理利用引黃水資源提供了保障。

潘莊灌區；水位計；GPRS；超聲波

潘莊灌區位于德州市西北部，是全國大型引黃灌區之一，設計引水流量120 m3/s，灌溉面積33.3萬hm2，干渠總長91.3 km。為了合理調度引黃水資源，提高灌區引用水效率，需實時、有效地采集總干渠水位數據，通過對引黃干渠水位數據進行長期實時采集和數據分析，為灌區管理者提供準確及時數據，根據水位變化及時調整用水調度方案，保障引黃水資源的可持續開發利用。

1　監測系統設計方案

該水位監測系統的功能是通過超聲波水位計采集水位數據信息，再經由單片機處理這些信息并通過GPRS通訊上報到遠程端的監控中心，實現實時采集、有效快速傳輸數據。灌區水位監測系統主要由超聲波水位計、數據處理器、GPRS通訊、太陽能供電等部分組成。

1.1超聲波水位計

超聲波水位計由水位測量發射端機和水位數據接收端機兩部分組成，水位測量發射端機安裝在前端觀測點用于采集水位數據，主要由超聲波傳感器、天線、信號發射器、鋼桿、太陽能電板等部分組成。水位數據接收端機安裝在中心機房內用于接收和處理水位數據，包括：無線數據接收機、處理機、天線以及計算機。

超聲波水位計利用前段探頭發射超聲波，當超聲波到干渠水面時有部分聲波被反射回接收探頭，通過來回時間計算水位數據。設超聲波來回的時間為t，水面到水位計發射端的距離為H，超聲波在空氣中的傳播速度為v，H1為水位計安裝高程，則干渠水位值h為：

1.2數據處理器

數據處理器采用低功耗完全集成的C8051F410單片機，它選用8051兼容微控制器為內核，內部集成的接口資源豐富，功能強大，使用單片機內部12位ADC進行水位計的模擬信號采集，用戶可通過軟件設計將ADC置于關斷狀態以節省功耗。

檢測系統設計軟件采用Visual Basic串口通信，把程序和數據封裝成為一個實體，有針對性直接設計，不需要重復編寫大量代碼，縮短軟件開發周期。軟件實現的功能：對水位數據進行實時接收、儲存并顯示在屏幕上；系統可設置監測水位、警戒水位、相關參數等信息。報警功能主要是通過放大輸出信號，當出現高低警戒水位時系統會發出“嘀，嘀，…”的報警聲音，警告管理人員及時發現水位的變化情況，及時匯報并采取相應措施應對，避免發生險情。

1.3GPRS通訊

灌區測水點一般距管理中心較遠，為實現信息的實時快速傳遞，本系統無線通訊選用GPRS DTU，具有延遲時間短、建造及運行成本低、通信不受距離及地理位置限制等特點。它是實現串口設備數據通過GPRS無線網絡傳輸的設備，通過特定接口連接遠程測控終端從而進行數據傳輸，除具備DTU均具備的支持TCP/UDP協議，也支持動態域名通信方式和固定IP地址訪問。

GPRS通信的使用中首先應加入網絡，初始化過程中會判斷GPRS通信入網是否連接成功。如果登陸成功，則初始化成功，然后與設備建立TCP連接，保證采集數據傳輸的可靠性，采集的數據再利用GPRS無線網絡可實現水位數據的快速實時傳輸到數據監控中心，供灌區管理局工作人員使用。

1.4太陽能供電

系統終端采取蓄電池和太陽能雙重供電模式，以蓄電池供電為主，太陽能給蓄電池充電為輔。太陽能供電系統主要由太陽能電池板、充電控制電路、蓄電池和電源調理電路等4部分組成。太陽能電池板是由多個太陽能電池單元組合而成，充電控制電路的作用是將太陽能電池輸出的不穩定的電能轉換為穩定的電壓電流，傳感器采用12-24V供電，GPRS通信采用12V供電；蓄電池的功能是存儲電能，并向設備提供穩壓；電源調理電路的功能主要是是穩定電壓并將其輸送到其他設備。

2　系統應用

該系統應用在德州市潘莊灌區管理局齊河中心所進行數據的采集傳輸并與人工觀測值作對比試驗，試驗參數設置閘前探頭編號為1，高程為34.18 m，最小高程差為2.88 m，最大高程差為5.38 m；閘后探頭編號為2，高程為33.46 m，最小高程差為2.61 m，最大高程差為4.81 m，試驗中選取黃海水平面為基準水位。選取2015年6月數據與人工觀測數據資料進行比對見表1。

通過表1數據對比分析得出，由監測系統顯示的水位數據與人工觀測值相差甚小，部分數據出現微小差別，產生的原因主要有以下幾點：1）對比試驗時出現下雨刮風天，干渠水面波浪起伏較大，造成測量讀取數據時出現一定影響；2）干渠里程較大不免出現漂浮物，在測量期間干擾了超聲波水位計的感應，造成出現短時錯覺數據；3）總干渠兩岸農業灌溉用水也會影響水位的動態變化，造成試驗產生誤差；4）人工觀測也存在一定的誤差。本文基于GPRS的水位監測系統性能高，能及時有效監測水位的動態變化，產生的誤差介于0.1～0.5 cm之間，滿足《水位觀測標準GB/T50138-2010》的條件。

表1　齊河中心所閘前閘后2 h實時水位實測對比數據表 m

3　結語

本系統設計的基于GPRS通訊的超聲波水位數據采集終端，選用的處理器是C8051F410單片機，解決了傳統人工測量不能進行實時有效監測的問題，同時利用GPRS通信技術完成了灌區對水位數據的實時快速遠距離傳輸，并能準確接收信息、存儲信息、實時顯示數據的 功能，該系統也為灌區引黃水利工作提供科學依據，為灌區合理利用引黃水資源提供科學保障。

（責任編輯張玉燕）

TP29

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1009-6159（2016）-05-0010-02

2015-10-15

崔慶（1987—），男，助理工程師