基于液面檢測(cè)傳感器的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

屠佳佳，沈 冰，張永超

（1.浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

我國水利信息化建設(shè)發(fā)展迅速，每年投資力度越來越大。隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高，水利信息化技術(shù)也在持續(xù)提升與更新[1-2]。例如，在水利工程最基礎(chǔ)的水位數(shù)據(jù)測(cè)量中，測(cè)量方式已經(jīng)由接觸式轉(zhuǎn)向非接觸式，傳感器也由壓力式演變到超聲波再演變到雷達(dá)波等[3]，使水利工程的水位監(jiān)測(cè)變得靈活、方便、簡單。但是技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也必須考慮到一些問題，比如設(shè)備成本，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、維護(hù)成本以及更適用的技術(shù)等[4]。

目前，利用非接觸式水位計(jì)測(cè)量水位的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)應(yīng)用廣泛，但點(diǎn)多分散、技術(shù)資源緊缺、維護(hù)難[5]。而且非接觸式水位計(jì)長時(shí)間使用易產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移，使得水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)面臨“重建輕管”的局面，長期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，特別是在汛期極易引起重大事故。因此，本文研究一種基于液面檢測(cè)傳感器的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，嘗試解決上述問題。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。其中，水位控制器作為系統(tǒng)核心硬件設(shè)備，一方面定時(shí)啟動(dòng)水位自動(dòng)測(cè)量；另一方面實(shí)時(shí)采集液面檢測(cè)傳感器和限位傳感器信號(hào)，根據(jù)信號(hào)情況控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)記錄運(yùn)行距離，最后換算成水位數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)時(shí)上傳至管理中心監(jiān)控平臺(tái)。攝像頭一方面監(jiān)控裝置的自身安全，實(shí)時(shí)監(jiān)視水位測(cè)量全過程，如果出現(xiàn)問題，管理人員可以實(shí)時(shí)掌握情況；另一方面監(jiān)控裝置附近的水情安全情況，如是否有人落水，是否突發(fā)洪災(zāi)等。

圖1 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基于液面檢測(cè)傳感器的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)見圖2。裝置中的滑臺(tái)模組包括步進(jìn)電機(jī)、滑臺(tái)、滑塊等；設(shè)備箱內(nèi)安裝水位遙測(cè)終端、充放電控制器、蓄電池等。

圖2 水位監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置結(jié)構(gòu)簡潔明了，采用的硬件設(shè)備均為常用產(chǎn)品，因此具有采購方便、成本低的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)具備滑臺(tái)模組精度高、運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，基本可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、免校準(zhǔn)。

位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，無法接入市電或者市電接入困難，因此設(shè)計(jì)可拆卸的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。在無市電的站點(diǎn)直接采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)供電；在有市電且重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的站點(diǎn)則采用市電供電，太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為備用電源，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；在有市電且一般監(jiān)測(cè)的站點(diǎn)則直接采用市電供電，不安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)省成本。

2.3 水位測(cè)量原理

水位測(cè)量原理見圖3。圖2中，滑塊在滑臺(tái)上的行程H1為上限位傳感器和下限位傳感器之間的距離，也就是液面檢測(cè)傳感器下降的最大高度，是固定不變的。圖3中，H2為液面檢測(cè)傳感器到河道、渠道或者水庫底部的距離，裝置安裝完成后也是固定不變的。h1是當(dāng)前實(shí)際水位高度，h2則是液面檢測(cè)傳感器到液面的高度，h1、h2的值分別隨液面的變化而變化，但是和不變，即H2=h1+h2。

圖3 水位測(cè)量原理圖

測(cè)量水位時(shí)，液面檢測(cè)傳感器隨著步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊一起向下運(yùn)動(dòng)，接觸到液面的瞬間，液位傳感器發(fā)生信號(hào)變化，水位控制器監(jiān)測(cè)到信號(hào)后，立即控制步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的行進(jìn)圈數(shù)，換算成液面檢測(cè)傳感器下降的高度，即液面檢測(cè)傳感器到當(dāng)前液面的高度h2'，當(dāng)前水位即為h1'=H2-h2'。

測(cè)量和計(jì)算的過程都非常簡便，耗時(shí)僅十幾秒，測(cè)量精度高。每次測(cè)量完畢，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滑塊和液面檢測(cè)傳感器回到上限位，水位控制器則控制步進(jìn)電機(jī)歸零復(fù)位。因此，沒有累積誤差，可以保證水位測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)基本免維護(hù)和免校準(zhǔn)，只是水位測(cè)量的量程具有一定局限性。

3 硬件選型

3.1 水位控制器

水位控制器基于STM32單片機(jī)自主研發(fā)，采用ARM Cortex-M3架構(gòu)，具有超低功耗，休眠模式運(yùn)行功能，適用于野外太陽能供電的工作環(huán)境。水位控制器主要功能見表1。

表1 水位控制器主要功能表

3.2 液面檢測(cè)傳感器

液面檢測(cè)傳感器利用紅外光學(xué)原理，將檢測(cè)的液位、液面信號(hào)通過光學(xué)信號(hào)傳遞，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，再通過傳感器電路采集的電壓信號(hào)判別液位情況。該傳感器設(shè)計(jì)緊湊，體積小巧，防水，圓錐外形方便鉆孔，測(cè)量精度高，支持低功耗工作，傳感器頭部光順，不易沾污，遇水容易清洗，可以進(jìn)一步保證水位監(jiān)測(cè)精度和準(zhǔn)確度。另外，價(jià)格低廉，性價(jià)比高。液面檢測(cè)傳感器性能指標(biāo)見表2。

表2 液面檢測(cè)傳感器性能指標(biāo)表

3.3 滑臺(tái)模組

滑臺(tái)模組也稱直線模組，應(yīng)用廣泛。一般利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使?jié)L珠絲桿上的滑塊做直線運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)；也可以通過多個(gè)單元組合實(shí)現(xiàn)負(fù)載的直線、曲線運(yùn)動(dòng)，使輕負(fù)載的自動(dòng)化更加靈活、定位更加精準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)裝置采用型號(hào)為FSL40的滾珠新絲扛滑臺(tái)，鋁合金材質(zhì)，有效行程為500.00 mm，單軸定位精度0.03 mm。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)備，搭建基于液面檢測(cè)傳感器的水位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置（見圖4）。根據(jù)水位監(jiān)測(cè)要求，該裝置支持定時(shí)上報(bào)和預(yù)警上報(bào)2種模式。正常情況下，水位控制器按照要求定時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)液面檢測(cè)傳感器下降，完成水位測(cè)量。測(cè)完后如果沒有異常情況，即水位數(shù)據(jù)變化不大，則裝置處于休眠狀態(tài)，等間隔時(shí)間到再喚醒設(shè)備進(jìn)行水位測(cè)量。如果前一次測(cè)完后發(fā)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)變化較大，則上報(bào)預(yù)警信號(hào)，并立即再次測(cè)量，以確定水位是否突漲或者突降。

圖4 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置圖

裝置搭建完成后，進(jìn)行現(xiàn)地/遠(yuǎn)程控制上報(bào)、定時(shí)上報(bào)和預(yù)警上報(bào)等測(cè)試實(shí)驗(yàn)。定時(shí)上報(bào)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置上報(bào)時(shí)間為5 min；預(yù)警上報(bào)實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置水位變化為5 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，與刻度尺測(cè)量的水位數(shù)據(jù)相比，系統(tǒng)水位測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，精度高。水位數(shù)據(jù)處于正常情況下，測(cè)試結(jié)束立即進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)；水位數(shù)據(jù)處于異常情況下，能連續(xù)重復(fù)測(cè)試3次并發(fā)出實(shí)時(shí)預(yù)警信息。該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試效果良好，能夠在淤積少、水位高程穩(wěn)定的渠道或河道的水位監(jiān)測(cè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié) 語

水位作為水利工程中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)之一，在防洪抗旱和灌溉中有著非常重要的地位，保證水位監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性與當(dāng)初建設(shè)水位監(jiān)測(cè)站一樣，應(yīng)受到高度重視[6]。目前國內(nèi)建設(shè)了大量水位監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)設(shè)備包括超聲波和雷達(dá)水位計(jì)，不僅價(jià)格昂貴，而且長期不校準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移、水位測(cè)不準(zhǔn)，正常維護(hù)需要大量資金和技術(shù)資源。本文提出的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置雖然存在測(cè)量量程較小的問題，但價(jià)格低廉、運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精度高、基本免維護(hù)，在淤積少、水位高程穩(wěn)定的渠道或河道水位監(jiān)測(cè)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。