基于多傳感器的泵站水閘信息實時采集系統設計

陳業超

（中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400）

0 引言

泵站水閘是用于調節水流的設施，通常安裝在泵站的出水口處。它可以控制泵站排放的流量和壓力，以保證整個供水系統運行穩定、高效[1]。同時，水閘還可以作為防洪設施，在洪災來臨時關閉門板，將洪水擋住。泵站和水閘都是現代城市生活中不可缺少的基礎設施之一。它們可以有效地解決城市用水問題，并在自然災害時提供重要的保護作用[2]。泵站和水閘的信息采集可以通過傳感器、監控設備、自動化系統等方式進行。常見的信息采集項目有：①水位測量，使用水位計或超聲波傳感器來測量水位高度，以便確定泵站/水閘需要加注或放水的情況[3]；②流速監測，使用流量計或渦輪流量計等設備來測定河流中的流速，并根據數據調整泵站/水閘開啟程度；③溫度監控，在特定區域安裝溫度傳感器，檢查是否存在過熱問題，防止機械故障發生；④液壓壓力檢測，使用壓力表或其他專業儀器，在管道中監控液體的壓力，確保不會出現漏洞或損壞；⑤能源消耗評估，記錄電能消耗和功率輸出數據并對其進行分析，以優化泵站/水閘運行效率并減少能源消耗；⑥遠程訪問與報警功能，可以設置遠程訪問功能，從而方便工作人員實時查看和管理這些數據。同時也可以設置各種異常報警機制及處理方法，確保在發生突發事件時第一時間得到相應處理。

1 硬件設計

1.1 單片機

單片機作為系統設計的主控芯片，對系統性能起著關鍵的作用。面向泵站水閘信息采集領域，目前廣泛應用的主控芯片主要有51，STC，PIC，AVR，STM32，Arduino等。為滿足泵站水閘信息采集系統基本功能所需，減少外界環境、周圍電路等干擾影響、滿足一次處理數據的寬度，秉持價格便宜、抗干擾強、加密性好、兼容性好、速度快、空間合理利用等原則，選用STC89C52RC單片機作為信息采集系統的主控芯片[4]。

單片機最小系統由電源電路、時鐘電路、復位電路組成。其中電源電路獲取SV電源，為單片機供電，首先是將用戶交流220 V電壓轉換為SV直流電壓，然后再將SV電源轉換為3.3 V穩定直流電壓供單片機使用，滿足設計需求。電路原理圖如圖1和圖2所示。

圖1 單機片連接電路原理圖

圖2 5~3.3 V電源原理圖

圖1中的U1是一個微型交流轉直流模塊，可以接入85~305 V范圍內的交流電壓，通過U1把用戶交流220 V電壓整流成SV直流電源輸出。R8是NTC熱敏電阻，電阻值隨著溫度升高而下降，可以有效抑制接入交流電壓時的浪涌電流。R6是壓敏電阻，在電源輸入端通過R6和F1保險絲起到過壓保護的作用，有效防止過電壓進入電路[5]。C6和C9是X1等級的安規電容，接于兩電力線之間，用于抑制差模干擾。為了濾除信號線上輸入的共模電磁干擾以及自身向外的電磁干擾，抑制信號干擾，在電路中加入了共模電感Ll。

圖2中采用正向低壓降穩壓器U10，將SV直流電源作輸入轉換成3.3 V穩定直流電壓輸出，以供單片機其他模塊使用。其中C22是電源輸入濾波電容，C23是輸出濾波電容，減少輸出電壓的波動并抑制自激振蕩。在電路設計中，R17和C23組成RC濾波電路，濾除電源端噪聲信號，提高信噪比，可以有效抑制信號干擾。設計中使用了瞬態抑制二極管DS，來保護電路安全。瞬態抑制二極管的反向截止電壓為5.8 V，擊穿電壓為6.45 V，能夠防止交流電源的浪涌電流、靜電放電以及開關電源噪音帶來的損害，還可以抑制尖峰電壓，把電壓鉗制在SV。最后通過發光二極管LED表示電路能否正常工作[6]。

接下來選擇按鍵復位進行復位電路設計，在無法正常運行程序或由于單片機受到外部干擾造成寄存器數據錯誤時，通過RESET復位鍵，電容快速通過電阻回路放電，RST引腳的電位快速轉變為高電平，維持到按鍵釋放，使程序重新開始運行。根據公式（1）和公式（2）可知，通電時，執行一條單周期指令只需0.1 s，雙周期指令則需要0.2 s。其中單片機最小系統原理圖，如圖3所示。

圖3 單片機原理圖

1.2 傳感器

除了單片機以外，在該信息采集系統中多個傳感器相互配合運作，傳感器的類型主要有光電開關傳感器、電機轉速傳感器、ARM傳感器以及紅外線傳感器。其中光電開關傳感器，由接收器和發射器組成，具有結構簡單、操作簡便等優點。漫反射式光電開關、鏡反射式光電開關、對射式光電開關以及槽式光電開關為目前常用的光電開關類型，工作示意圖如圖4所示。

圖4 光電開關工作示意圖

選擇對射式光電開關作為水位位置檢測傳感器，由發送端和接收端組成，結構上兩者相互分離，在光束被中斷的情況下產生開關信號變化。無物體遮擋的狀態下，接收器接收到發射器發射的光束，處于高電平狀態，而在有物體遮擋的狀態下光束被中斷，處于低電平狀態。

電機驅動傳感器主要是檢測系統運動的快慢及其運動方向，其內部的驅動電路采用了H型的單橋為主要驅動方式。該驅動電路的啟動開關通常是IRF4905或者IRF3205的晶體管，而電機驅動傳感器的芯片則是IRF1210，以便完成對整體運動的監控。內部最主要的控制器則需要利用PWM信號來實現控制，基本上可以維持著泵站水閘信息采集系統整體的正常工作狀態。

紅外線傳感器利用紅外感應裝置來檢測在進行信息采集過程中是否存在異常，從而根據反饋的結果來實現避讓以及運行軌跡不被干擾。

在ARM傳感器運行中，單片機起著數據交換的作用，圖5為傳感器與單片機之間關系圖。

圖5 傳感器與單片機之間關系圖

以上4種傳感器的使用，具體關系見圖6。

圖6 系統硬件傳感器結構圖

2 軟件設計

2.1 泵站水閘信息預處理

在經過對信息采集系統硬件設計后，對系統進行軟件設計。首先需要對數據信息進行預處理操作，預處理中運用聚類算法進行數據篩選，在聚類空間中，數據分布分為低密度區域和高密度區域，通過公式（3）可以得到低密度區域的關系數值：

v為在給定函數所屬空間的位置信息；nr為當前函數所屬空間的屬性值域；b為低密度區域中對象樣本個數。

如果聚類空間中的數據類型在低密度區域被分割,則高密度區域中的數據將會顯現出來。接下來根據公式（4）可以得到高密度區域的關系數值：

a1為高密度區域中對象個數。

接下來根據分析公式（3）和公式（4）的計算結果，可以得到泵站水閘信息數據經篩選后得到的聚類分析數據，關系式如下：

p代表區域經分割后子區域數量；i代表屬性密度集中值。

2.2 泵站水閘信息特征量提取

經過上述對數據預處理操作之后，對泵站水閘信息進行特征量提取，首先特征可以代表泵站水閘的物理信息，包括水位、水溫、容量等信息。接下來通過DS算法對特征進行準確提取，其中DS算法的原理見圖7。

圖7 DS算法的原理圖

根據圖7可知，各個區間分別代表數據特征信任程度，其中合成規則是DS算法中證據理論最為重要的一項操作。通過DS算法可以對泵站水閘物理信息特征進行信任度判斷，并進行提取[7]。

2.3 多傳感器對泵站水閘信息采集

上述提到的多種傳感器相互配合運作，其主要目的是將水閘特征量信息進行初始化，將連續的特征轉化為離散特征。需要先對特征屬性進行排序，排列順序為由大到??；初始的兩個斷點之間會構成一個新的區間；根據確定的離散狀態特征進行斷點區間的衡量，從而可以更加合理地對其進行選擇或者分割；按照一定的算法對數據進行控制，以此來防止數據信息的丟失[8]。

在此項操作中，以DS算法的理論依據為基礎，通過傳感器采集到的信息需滿足下式：

式中，J代表泵站水閘物理特征系數；R代表電力驅動傳感器驅動效率。

通過固定的算法，對數據信息的特征量進行預處理，經過一定運算可以得到相互融合的結果，將所得到的結果與預先設置進行對比之后，可以實現利用多傳感器對泵站水閘的相關信息進行實時采集。至此基于多傳感器的泵站水閘信息采集系統設計完成。

3 測試試驗

3.1 試驗說明

為驗證本文設計的基于多傳感器的泵站水閘信息實時采集系統具有可使用性，進行系統功能測試試驗。

3.2 試驗準備

該測試試驗環境見表1。

表1 環境配置信息

測試系統功能之前，首先要通過上位機軟件對電能信息采集終端的系統參數和基本參數進行設置，完成命令下發任務。其中系統參數設置包括主站中心服務器的IP和端口號、APN和報警主機等。基本參數設置包括采集終端的設備號、采集上報時間設置、網絡設置、表計和方案管理。注意網絡設置中的IP地址要和本機網絡在同一網段下，才能進行以太網通信。表計管理添加測點標識時，必須要根據電表通信參數來設置測點，系統測試采用的電表為三相四線式智能電表，測試所用電表的通信地址為70，通信協議可以選擇MODBUS或者DL/T 645-2007，波特率為2 400，校驗方式為8E10。一個表計測點下最多支持50個采集方案。

3.3 試驗結果

此次試驗中，將系統傳輸數據延遲時間和壓力值誤差作為對比數據，其結果見表2。

表2 系統傳輸數據

根據表2數據可以看出，本文設計的基于多傳感器的泵站水閘信息實時采集系統在第一次試驗時，系統延遲時間為0.25 s，其壓力值誤差為0.96%。已知延遲時間標準為3.7 s，因此可以得出本文方法在系統功能上延遲時間符合系統功能標準要求。為防止試驗具有偶然性，在進行的其他兩次測試中，基于多傳感器的泵站水閘信息實時采集系統延遲時間分別為2.15 s和1.79 s，壓力值誤差分別為1.06%和1.34%。經過上述數據的對比可以得到，本文方法延時時間和壓力值誤差方面在符合系統設計要求的前提下效果更好，因此在泵站水閘信息采集中更具有實用性。

4 結語

本研究泵站水閘信息實時采集系統從硬件和軟件兩方面進行設計，最后基于傳感器相互配合實現信息的實時采集。但此次設計還存在很多不足，泵站水閘可能會由于一些客觀因素影響水位的變化以至于信息數據不準確，在這一方面還需要深入研究。