基于GPRS的新疆區域水資源監控系統設計與實現

也爾盼·烏爾克西

（新疆維吾爾自治區烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆遠離海洋，深居內陸，四周有高山阻隔，海洋氣流不易到達，降水量少，氣候干燥。水資源成為制約新疆地區發展的重要因素。要在擁有這樣氣候的地區發展現代農業，就必須充分利用水資源，最大程度減少水資源浪費。

1 水資源監測系統

水資源監測系統由監控中心和測控點組成，是一種兩級控制體系。第一級是系統監控中心，系統監控中心由主CPRS[1]通信模塊和中心計算機（可以直接發出操控命令的計算機）共同組成；第二級是各個測控點，測控點由水位傳感器、分CPRS通信模塊、控制器等組成。每個監控點將監測點利用分GPRS模塊將傳感器獲得的數據發送到主GPRS模塊上，主GPRS模塊再將數據傳輸到監測中心計算機，監測中心計算機將接受的數據進行篩選、整理，建立數據庫，為區域用水提供自動化計算、制定合理的用水調度方案。

2 水資源監測系統硬件設計

（1）傳輸工具選擇。因CPRS可以與指定的數據中心IP地址建立連接功能，可以在監控中心和各測試點之間建立一條雙向傳輸的無線連路，所以利用CPRS作為傳輸數據的工具。

（2）傳感器的選擇。超聲波水位傳感器是一種與被測介質無接觸的測量裝置，基于傳感器本身的工作原理，在測量時不用考慮腐蝕、淤泥等因素，測量的數據相對比較穩定。最終選擇超聲波水位傳感器。

（3）電源模塊的選擇。各個測試點所在地帶比較偏僻，無法選擇室內供電，利用太陽能為測量裝置供電是一種十全十美的方法。選擇合適的蓄電池以及太陽能板是設計的關鍵步驟。水資源監測系統總功率為5.5 W，即蓄電池容量應大于5.5 Ah。考慮到遇上陰雨天氣以及可能會有殘留電，蓄電池選擇10 V，24 Ah的鉛酸蓄電池。考慮新疆地區有效光照時間、溫差、損耗等因素，最終選擇最大輸出功率為15 W，輸出電壓為24 V，輸出電流為l A的太陽能板。同時，對監控系統進行低功耗設計：考慮選用低功耗的芯片和器件；設計小功耗的硬件電路。有效控制電源的消耗，也需要重點考慮。根據新疆當地地區的供電情況，設計分區供電和間斷供電的方法控制監測系統供電，降低不必要的消耗功率。

3 水資源監測系統軟件設計

3.1 水資源監測系統中心計算機程序設計

水資源監測系統設計核心是中心計算機程序的設計。中心計算機的設計核心是監測系統控制軟件的開發。監測系統控制軟件主要包括：文件管理模塊、用水系統模塊、用水需求模塊、配水計劃模塊、水量計量模塊、用水控制模塊、統計模塊、政策法規模塊、水費管理模塊、優化用水模塊。監測系統可以在用戶錄入用水區以后，對不同用水區的基本屬性進行定義，從而建立基本結構。從干流開始，建立干流輸水結構，進而建立支流與用水區的配水結構。監測系統還具有數據載入、數據整理、密碼管理、數據備份、操作記錄等功能。

3.2 水資源管理智能決策系統設計

3.2.1 用水預報與節約用水決策子系統

本系統由水資源原始數據、非充分用水信息、配調用水信息、交替用水信息、節約用水信息以及上述信息集成后的數據組成，立足水資源現狀，面向全城百姓。只需在控制系統中輸入此時的氣象、上壤等參數，就可以準確、快速地作出用水預報與節約決策方案。

在節約用水實踐中，一般采用農田用水平衡原理。如式（1）所示：

式中：I為T時段內的所需水量，mm；P為T時段內的降雨量，mm；G為T時段內補的給地下水量，mm，ET為T時段內的農作物水分蒸發量，mm；D為地表滲漏量，mm；R為地表流量，mm；AWS為T時段土壤有效儲水量，mm。

預報未來用水時間，如式（2）所示：

式中：t為預報的未來用水間隔天數，d；Pe為預計降雨量，mm；Ge為T時段內地下平均補給水量，mm/d；Etc為T時段內平均農作物水分蒸發量，mm/d。

根據己知的氣象信息推求ET值，由農作物的種類、生長周期或生長所需溫差估算Kc值，從而可得Etc=Kc×ET；結合土壤中礦物質種類、土壤滲入能力、地表初始時含水量以及地下水深度，計算降雨量Pe，地下平均補給水量Ge以及土壤儲水量AWS。Kc是影響農作物自身特性需水量的因素，mm/d。在進行用水決策時，除考慮農作物所處的生育階段、適合農作物生長的土壤、以及適宜的水分外，影響最終決策的因素是：本次灌溉農作物的收益是否大于所用水資源的成本。y為本次農作物的增長量，kg/hm2；Py為農作物產品的預計銷售價格，元/kg；Px為水資源的價格，元/m3；x為本次每小時的用水，m3/hm2。

3.2.2 計劃用水區域與水量調配管理系統

本系統主要用途是新疆區域的計劃用水管理和水量調配決策。其功能包含了新疆不同區域計劃用水的管理。主要包括平均年度降雨量、全渠系、干支渠段水源蒸發量和需水區域的用水計劃，分為兩個程序：

（1）進行實際用水時各河流水量調配。主要包括就近配水、按比例配水、按需配水和河流干流支流優化配水等配水方案，各個方案適用于不同用水情況。

（2）進行區域用水總結。區域用水結束后需快速準確地進行各區域的用水量總計，與計劃用水量進行對比，并進行本次用水總結。主要包括每次、每天、每月、每季和每年的用水總結，為各個區域實施節約用水管理提供決策。

4 水資源監測系統的實現

軟件設計的關鍵在于控制中心與各測點之間鏈接的準確性。在軟件設計時采用鏈接結果對比的做法，對各個測試點傳輸過來的數據進行校驗，保證測試數據的正確性。每個測試點都有不同的地址編碼，當控制中心向GPRS模塊發送（在監測點安裝，作為遠程通訊設備）一個地址編碼指令時，GPRS模塊將編碼傳送給測試點，測試點接收到該指令，比較是否與自身的地址編碼相同，如不相同則停止比較，如相同則表示目的地就是該測試點，并開始接收其他命令，見圖2。

圖2 監測系統程序流程

本系統應用于新疆地區的節水建設項目，在干流、支流、斗流布置24個監測點，利用超聲波水位傳感器完成各監測點的數據自動采集以及處理，實現水資源的遠程控制和監測，監測程序為遠程監控點→分GPRS模塊→主GPRS模塊→監測中心計算機。

5 結語

基于系統硬件設計、系統軟件設計完成基于CPRS的新疆區域水資源監控系統設計，是實現水資源優化調度的基礎。監控系統利用CPRS來完成數據監測、采集以及監測點與控制中心的連接，形成動態用水方案，有效地提高了區域水資源的利用率。該系統改善了過去難于動態配水、水資源利用率低、收費不合理等現象，降低了百姓的勞動強度，最重要的是節約了寶貴的水資源，滿足了新疆地區對水資源的需求。