野外孤立漂浮錨定無線智能水位計研究

高學(xué)臣，王曉晨，葉雨龍

（水利部機(jī)電研究所，天津301900）

1 引言

在水利水電自動化控制系統(tǒng)中對液位的監(jiān)測必不可少，近些年隨著我國社會的穩(wěn)步發(fā)展，對水位監(jiān)測手段和方法不斷提出新的要求，現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水位監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展；特別是在野外惡劣環(huán)境下，由于安裝、架線和后期維護(hù)都有一定難度，傳統(tǒng)的測量方式已不能滿足實際需求。

2 現(xiàn)狀及解決方案

2.1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水位測量方式一般都是現(xiàn)場將投入式水位計探頭安裝在提前布置好的鋼管內(nèi)，采集到的水位信號（4～20 mA）通過電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，一旦傳輸距離過長就會造成信號衰減，致使測量的數(shù)據(jù)不真實；河流、湖泊、水庫、山區(qū)等的水位監(jiān)測站點普遍分布在野外，大部分野外環(huán)境較為惡劣，并且由于地處偏遠(yuǎn)，安裝和架設(shè)供電線路以及信號傳輸都比較困難，建設(shè)成本高，后期設(shè)備維護(hù)也是難題。有些地方還在通過人工采集水位數(shù)據(jù)，這顯然不能滿足現(xiàn)代化水位監(jiān)測的要求。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，近年來，GPRS無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，通過遠(yuǎn)程監(jiān)測能使管理者及時了解現(xiàn)場信息，進(jìn)行快速決策，并省去很多人力。

2.2 解決方案

野外孤立漂浮錨定無線智能水位計是針對市場需求而研發(fā)的一種適合野外惡劣環(huán)境下使用的新型無線智能水位計裝置，采用水上浮筒固定水位計，基于GPRS無線通信技術(shù)[1-2]，以GRM200 G信號傳輸模塊為核心，采用低功耗技術(shù)用太陽能供電，將水位計現(xiàn)場采集到的水位信號發(fā)送到控制中心，并具有手機(jī)APP功能，通過手機(jī)APP查看實時信息，提高管理效率。本設(shè)備完全防水，可長期應(yīng)用于野外環(huán)境，基本解決水位計在野外布點安裝、供電、信號傳輸和后期維護(hù)等方面存在的難題。

方案示意圖如圖1所示。

圖1 方案示意圖

3 組成與原理

野外孤立漂浮錨定智能水位計系統(tǒng)由監(jiān)測中心、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測設(shè)備、測量設(shè)備、供電設(shè)備、浮筒平臺等6部分組成。

監(jiān)測中心：電腦、手機(jī)終端。

通信網(wǎng)絡(luò)：GPRS。

監(jiān)測設(shè)備：無線傳輸模塊。

測量設(shè)備：投入式水位計。

供電設(shè)備：太陽能板、蓄電池、控制器。

浮筒平臺：浮筒、錨。

系統(tǒng)主要通過2只不銹鋼錨將浮筒固定在水面，供電設(shè)備提供電源供給，投入式水位計固定在浮筒上，并投入水中采集水位信息，通過MODBUS通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線傳輸模塊，無線傳輸模塊再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 試驗及成果分析

4.1 樣機(jī)組裝（圖 2）

圖2 樣機(jī)組裝效果

4.2 試驗過程

4.2.1 實驗?zāi)康?/p>

（1）驗證水位、水溫信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、真實性。

（2）驗證供電系統(tǒng)供電能力。

（3）驗證浮筒在水上的穩(wěn)定性。

4.2.2 試驗工具

螺絲刀2把、萬用表1臺、數(shù)字式溫度計（0～40℃）1只、手機(jī)卡（移動帶流量）1個、筆記本電腦1臺、手機(jī)1臺。

4.2.3 試驗過程

（1）試驗一：驗證水位、水溫信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、真實性。

1）首先將筆記本電腦安裝好系統(tǒng)軟件、手機(jī)安裝好系統(tǒng)APP軟件；將帶流量的手機(jī)卡插入GRM200 G數(shù)據(jù)傳輸模塊卡槽內(nèi)，做好調(diào)試前準(zhǔn)備。

2）向帶刻度的有機(jī)玻璃管內(nèi)注入100 cm清水，用數(shù)字溫度計測量此時的水溫為3.04℃，作好相應(yīng)記錄；將組裝好的樣機(jī)的水位計放到水桶中，用萬用表測量供電裝置輸出電壓為23.9 V；接通電源，各元器件工作正常；水位計采集水位信號，通過MODBUS通信傳輸給GSM200 G數(shù)據(jù)傳輸模塊，GSM200 G數(shù)據(jù)傳輸模塊再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到準(zhǔn)備好的筆記本電腦或手機(jī)上，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)如下：

手機(jī)APP監(jiān)測數(shù)據(jù)：水位1.03m，溫度3.1℃（圖3）。

圖3 手機(jī)APP界面

手機(jī)短信檢測到的數(shù)據(jù)：水位1.03 m，溫度3.1℃（圖 4）。

圖4 手機(jī)短信界面

筆記本電腦檢測數(shù)據(jù)：水位1.03 m，溫度3.1℃（圖5）。

圖5 電腦界面

（2）試驗二：驗證供電系統(tǒng)供電能力

2018年12月13日天津薊州區(qū)日照充足，在14日人為將供電輸入端拆除，僅用蓄電池供電，在14～17日期間，水位計采集到的水位信號在監(jiān)測終端24 h顯示正常，這說明供電系統(tǒng)完全滿足4 d無日照供電要求。

（3）實驗三：驗證浮筒在水上的穩(wěn)定性

將整個樣機(jī)放入事先注滿水的水池內(nèi)，通過觀察，浮筒平臺沒有發(fā)生傾斜現(xiàn)象，2個錨抓地牢固，人為攪動水面，浮筒沒有發(fā)生明顯偏移，錨抓地牢固。

4.3 性能與特點

4.3.1 浮筒平臺

用高分子聚乙烯浮筒作為水上平臺，浮筒上搭載電氣控制箱和太陽能板，浮筒用2只2.5 kg不銹鋼錨在水下固定，將投入式水位計固定在浮筒上并配有重錘，防止液位變送器隨水流漂動，提高測量精度和穩(wěn)定性，解決了水位計野外不易安裝問題。

4.3.2 供電技術(shù)

設(shè)計低功耗電路板，采用太陽能供電，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)布線供電難題；供電系統(tǒng)由太陽能板、硅膠蓄電池和充電控制器組成。

考慮南方多雨氣候，太陽能板200 W大功率，滿足全天2 h、4 d完全無日照供電；硅膠蓄電池為2塊12 V 80 Ah，在-30℃～60℃環(huán)境下免維護(hù)連續(xù)工作5年后蓄電池容量衰減不超過30%，基本滿足北方高寒環(huán)境；充電控制器采用工頻變壓器隔離方式，DC與AC全隔離，具有安全可靠保護(hù)功能：蓄電池接反、欠壓、過壓、過熱、輸出過載、輸出短路、蓄電池過放電、蓄電池過充、夜間防反充等一系列報警和保護(hù)功能。

4.3.3 無線通信傳輸

用GRM200 G無線通信模塊作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的測控終端，接收并發(fā)送水位計采集到的水位信號，同時具備GPRS和短信通信功能功能。

圖6 無線通信示意

GPRS基于移動運營商現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用GPRS和GRM200 G模塊，可以非常方便的實現(xiàn)分布在各地的設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，值班人員可利用組態(tài)軟件通過電腦，手機(jī)網(wǎng)頁瀏覽，電腦網(wǎng)頁瀏覽查看水位信息。GPRS作為主流的通信方式可以輕松應(yīng)對大部分應(yīng)用，但是其不足之處在于，當(dāng)基站覆蓋的區(qū)域語音業(yè)務(wù)比較繁忙時可能導(dǎo)致GPRS信號中斷，此時即可通過手機(jī)短信監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備，值班人員手機(jī)也可以通過短信查看數(shù)據(jù),隨時隨地了解設(shè)備狀,更重要的是，設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以發(fā)出報警短信通知，真正可靠保障設(shè)備安全，實現(xiàn)無人值守；使用簡單，無需搭建服務(wù)器，無需固定IP或動態(tài)域名，模塊內(nèi)置手機(jī)網(wǎng)頁，客戶使用組態(tài)軟件或手機(jī)，即可輕松完成無線監(jiān)控自帶組態(tài)軟件遠(yuǎn)程監(jiān)控（查看數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)報表，趨勢圖等）；穩(wěn)定安全，專門針對組態(tài)軟件OPC驅(qū)動優(yōu)化設(shè)計永遠(yuǎn)在線，穩(wěn)定性高，確保數(shù)據(jù)安全；無距離限制，有移動網(wǎng)絡(luò)的地方，即可監(jiān)測。

實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的無線傳輸，解決野外布線困難的問題，節(jié)省人力及施工成本。

4.3.4 適用領(lǐng)域

利用此平臺裝置除可監(jiān)測水位、水溫外，還可實現(xiàn)多樣化監(jiān)測，如壓力、水質(zhì)、視頻信號等監(jiān)控。只需將投入式水位計換成相應(yīng)所需變送器即可，操作簡單，實用性強(qiáng)，可滿足絕大多數(shù)惡劣場合的監(jiān)測要求。

4.4 成果分析

通過對以上試驗數(shù)據(jù)的分析，充分驗證 了野外孤立漂浮錨定無線智能水位計在實際野外惡劣、復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用的可行性。但該水位計還未能大范圍推廣，下一步將通過實際應(yīng)用驗證該水位計的性能，并對實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題不斷進(jìn)行改正，最終為水利行業(yè)提供一種經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、可靠的水位監(jiān)測產(chǎn)品。

5 結(jié)論

野外孤立漂浮錨定無線智能水位計基本解決了水位計在野外布點安裝、供電、信號傳輸和后期維護(hù)等方面存在的難題，降低了建設(shè)成本，方便后期維護(hù)，可廣泛用于野外、高寒、偏遠(yuǎn)地區(qū)，具有非常廣闊的市場前景，隨著科技的進(jìn)步，水位監(jiān)測技術(shù)也將更加先進(jìn)，我們愿為水利事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。