基于現有使用井和物聯網技術的地下水遠程監測系統搭建及應用

周幫平 毛潭 柴帥 梁清爽

[摘 要] 基于現有使用井和物聯網技術搭建了地下水遠程監測系統，由主機采集傳輸通信部分、太陽能與市電互補供電系統、液位壓力傳感器和遠程監控管理軟件四部分組成，并進行了中試及推廣應用，結果表明該系統穩定性能好，適應能力強，為科學利用地下水提供了技術支撐。

[關鍵詞] 農用機井；物聯網；地下水；遠程監測；工程應用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.170

隨著經濟的發展，日益增長的用水與水資源短缺之間的矛盾逐漸加劇，水資源的短缺已成為全球性的問題。地下水作為優良水資源也面臨著過度開采和水位下降過快的問題，為了實現地下水資源的可持續發展和科學利用，對地下水位進行長期、準確的監測成為科學用水決策的必要條件。[1]水利信息化作為水利現代化的重要內容，是實現水資源科學管理、高效利用和有效保護的基礎和前提。在此背景下，搭建地下水位遠程監測系統，實現實施縣區的地下水位遠程監測，對水位信息進行管理及分析，為科學利用地下水提供技術支撐。[2]

1 地下水遠程監測系統搭建

地下水遠程監測搭建系統主要有四大部分，分別為主機采集傳輸通信部分、太陽能與市電互補供電系統、液位壓力傳感器和遠程監控管理軟件部分。四大部分充分結合，可以實現對地下水監測的科學化、現代化管理，是目前國內農村地下水監測建設的系統解決方案。

1.1 主機采集傳輸通信部分

主要包括數據采集部分[2]和GPRS遠程通信部分。[3]

數據采集部分主要包括I/V轉換電路和A/D轉換電路。I/V轉換電路采用兩級運算放大器可以使零點的處理更加方便，運放選用整個信號范圍內放大特性平坦的特點，同時單獨供電，解決了單片機和運放器供電穩定性問題。A/D轉換電路采用16位分辨率A/D轉換器，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程，電路精度可以達毫米級。

GPRS遠程通信部分采用工業級低功耗、高性能嵌入式32位處理器，可靠處理協議和大量數據。內嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協議棧；外置定時器，內嵌看門狗，繼電器斷電管理，不死機、掉線自動恢復；抗干擾設計，即使在硬件被鎖死，普通看門狗無法服務處理器和通信模塊的情況下仍然可以可靠地自動恢復到正常狀態；支持GSM撥號喚醒和永遠在線的工作模式。通過GPRS模塊與GSM網絡相結合，利用GSM網覆蓋面廣、運行可靠、抗干擾能力強等優點，縮短建設周期，降低建設成本。

1.2 太陽能與市電互補供電系統

在項目應用過程中，由于實施縣條件限制，大多是市電（農村電網）供電系統。由于農村電網停電、農閑時間不供電、地域或人為因素等諸多客觀條件，致使市電（農村電網）供電系統不能長期有效供電。另外，單獨的太陽能供電系統在遭遇惡劣天氣環境如陰天下雨，或因太陽能板長時間積雪、積塵致使轉化效率過低等情況，也不能保證供電系統百分百不間斷。為此，需要搭建市電（農村電網）和太陽能互補供電系統。其特點如下。

兩個供電系統互相獨立，在太陽能供電時，市電（農村電網）與此完全物理隔離。傳統的太陽能與市電互補供電系統一般采用太陽能與市電互補型充放電控制器，該方案存在一些不足及隱患，極易因市電（農村電網）的瞬間沖擊引起控制器被燒壞，從而不能有效供電。而本供電系統采用物理隔離的方式，有效避免了該情況的發生。

兩個供電系統均受蓄電池電壓控制，切換嚴格。當蓄電池電池低于11.5V時，系統自動啟動市電（農村電網）給蓄電池充電。當蓄電池電壓高于12.5V時，自動斷開市電（農村電網）。對于市電（農村電網）供電系統，采用優質電器配件，確保市電（農村電網）供電穩定。市電（農村電網）充電過程迅速，避免農村電網不穩定沖擊。雙供電系統平時由太陽能供電，安全穩定。如果遇極端天氣，如連續下雪，太陽能板上有積雪（10天以上無太陽能充電時），系統啟動市電（農村電網）供電，充滿后自動斷開。該過程大約為4個小時。

1.3 液位傳感器

目前，國內大部分的地下水監測設備使用或需要使用專用的觀測井，其打井及維護費用耗資較大，而農用機井的使用條件十分苛刻，例如農村電網的寬幅波動、農用電機的強電干擾、農用機井安裝條件復雜苛刻等各種限制條件。為此我們對投入式液位傳感器的密封性進行了改進及應用。[4]改進后的液位傳感器，適應于專用監測井和農用井等多種類型監測井的地下水資源監測，實現了遠程地下水監測低成本要求。

液位傳感器采用316不銹鋼材料經特種工藝制造、激光修正而成，采用隔離型擴散硅敏感元件，利用壓阻效應，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。傳感器含有高性能信號調整電路，獨特的密封工藝，能夠長期穩定地在水下及其他液體中使用。它既有自動零點校正和滿量程線性調整功能，又有主動非線性校正和頻率響應整形技術，確保傳感變送器有較高的測量精度。該傳感器內置專用防雷電路，即使在雷電頻發現場也可正常工作。

1.4 遠程監控管理軟件部分

系統監測管理中心包括遠程監控管理軟件和下位機動態水位/靜態水位判定軟件。[5]后臺服務軟件以VC為構架，SQL數據庫管理，動態顯示水位圖形，內容豐富，可實現地下水靜水位/動水位變化的判定。

2 系統性能

系統主要具有以下性能。

（1）動態水位/靜態水位判定功能：可根據動靜水位判定思想判定當前水位狀態，為地下水資源進行評價和開發利用提供基礎依據。

（2）設置功能：對設備內的各項參數，如量程、水位標高、通信參數等進行設置。

（3）采集功能：采集各監測點水位數據，A/D精度16-bit，采樣率為66kbps，線性誤差+1LSB（max）。

（4）顯示功能：顯示各種監測數據、設置參數、工作狀態等，內容豐富、直觀。

（5）存儲功能：大容量數據存儲，記錄歷史數據，斷電數據保存十年。

（6）查詢功能：監測系統軟件可以下載查詢各種歷史記錄。

（7）遠程通信功能：內置GPRS模塊，工業級低功耗、高性能嵌入式處理器，內嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP協議棧，支持GSM撥號喚醒和永遠在線的工作模式。

（8） 遠程更新功能：遠程程序更新遵循XModem協議，程序更新過程中出現異常不會破壞主程序，可有效實現遠程程序更新。

（9） 報警功能：包括輸入信號超限報警和設備自診斷報警，報警值可設上下限，可擴展防盜報警、防拆報警。

（10）停電數據發送功能：停電時，有備用電源提供GPRS模塊發送停電等異常錯誤信息到控制中心。

（11）定時功能：定時采集、定時上報水位數據，時間間隔可任意設置。

（12）擴展功能：前端設備有多種擴展槽，可接入各種水量、水溫及監測儀表的信號，適用更多物理量監測，如溫度、濕度、位移、傾角等。

3 系統中試及應用

本系統在搭建過程中，充分進行了試驗，并積極改進，最終完成系統定型設計。主要試驗內容包括設備內部器件技術性試驗，如分別在-30°C和60°C下保溫2小時的耐高低溫實驗、防電磁干擾測試等；整體設備在各種惡劣環境下運行穩定性試驗、太陽能與市電互補供電系統試驗、配電箱的設計及試驗等。如圖1至圖4所示。

本系統實驗時間歷時一年多，實驗結果證明，具備完善的耐低溫、耐高溫、防雷（防雷等級：可抗50A 8/20浪涌信號的沖擊）、防水（密封等級：外殼IP67 ，傳感器IP68）和防電磁干擾等措施。外殼封裝堅固小巧，同時采用太陽能與市電（農村電網）互補雙供電系統供電，具有高可靠工業級設計，適合各種惡劣環境全天候工作。

本系統應用于山西省全省地下水動態監控體系建設項目中，共布監測點1540個，覆蓋全省115個農業縣區，加強了全省地下水動態監控，實行地下水用水總量控制和水位控制，促進全省地下水止降返升，為省政府目標責任制考核提供科學依據。

參考文獻：

[1] 謝和平，許唯臨，劉超，等.地下水利工程戰略構想及關鍵技術展望[J].巖石力學與工程學報，2018，37（4）：781-791.

[2] 張從鵬，賀慧蕾.基于ARM9的地下水位遠程監測儀的設計[J].傳感器與微系統，2011，30（4）：102-104.

[3] 徐堯錚，毛潭，段震.基于GPRS的地下水位監測系統的實現[J].現代電子技術，2012，35（15）：49-51.

[4] 毛潭，張廣濤，張勇杰，等.投入式液位計的密封性改進實驗研究[J].科技視界，2016（21）：76-77.

[5]LI W，WANG X M，LUO X K.Wide range undergroud water level dynamic information monitorin network system [J]. Applied mechanics and materials，2013（373）：743-751.

[基金項目] 2015年北京市優秀人才培養骨干計劃；北方工業大學2017年優秀青年教師培養計劃（項目編號：XN019012）。

[作者簡介]周幫平（1990—），北方工業大學碩士研究生，研究方向：嵌入式系統開發；毛潭（1982—），碩士，北方工業大學副教授，研究方向：數字化制造技術與裝備。