黃 偉，郝潤(rùn)科，尹 剛，奕 健

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

由于水電站兼具防洪、發(fā)電、航運(yùn)等功能，根據(jù)不同的功能需求，對(duì)水電站蓄水容量的要求也不同，因此水電站的水位數(shù)據(jù)成為水電站運(yùn)行時(shí)必須監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。為保證水電站安全運(yùn)行，發(fā)揮水電站最大的經(jīng)濟(jì)效益，建立一套完善的水電站自動(dòng)水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要［1－2］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水電站水位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要滿足長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人職守的功能，能夠及時(shí)采集水位數(shù)據(jù)，并發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。為保證采集精度，本系統(tǒng)采用一主多從的形式，主機(jī)與從機(jī)在硬件上的區(qū)別是多了個(gè)第二代移動(dòng)通信技術(shù)(Global System for Mobile Communications，GSM)模塊。數(shù)據(jù)采集終端將采集到的水位信息通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，再通過(guò)GSM模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程終端，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)指標(biāo)如下:(1)實(shí)現(xiàn)水位數(shù)據(jù)的采集。(2)將水位數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程終端。(3)測(cè)量高度2～30 m，跨度100 m以內(nèi)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 水位傳感器選擇及其測(cè)距原理

設(shè)計(jì)選用超聲波傳感器作為系統(tǒng)的水位傳感器［3－4］。通過(guò)超聲波發(fā)射裝置向目標(biāo)液面發(fā)射一定頻率的超聲波，被水面反射回來(lái)的反射波被接收裝置探測(cè)接收，由于超聲波的傳播速度已知，因此通過(guò)計(jì)量超聲波從發(fā)射開(kāi)始到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，即可求得液面距離傳感器安裝位置的高度。測(cè)量示意圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量示意圖

由圖可知，H=V×T/2。其中，H表示超聲波探頭距離液面的距離，為待求量;V表示超聲波的傳播速度，為已知量;T表示超聲波的傳播時(shí)間，需在工作時(shí)測(cè)得。由于兩探頭之間的安裝距離相對(duì)于H很小，因此可以將超聲波的傳播路徑近似認(rèn)為是與液面垂直的直線距離。

2.2 MCU芯片的選擇

由于水電站水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)水電站水位的無(wú)人監(jiān)守，因此設(shè)計(jì)在選取MCU和具體元器件時(shí)對(duì)功耗問(wèn)題要進(jìn)行特殊考慮。鑒于此，選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103作為本系統(tǒng)的MCU，其具有多種功耗管理模式，可以滿足不同工作狀態(tài)和環(huán)境下的需求。

2.3 無(wú)線通信模塊

由于水位采集終端與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的距離相隔比較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的有線傳輸顯得比較復(fù)雜甚至難以實(shí)現(xiàn)。為此，采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信手段，具體選用nRF24L01無(wú)線通信模塊。nRF24L01是水位數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的數(shù)據(jù)通信工具，使各水位數(shù)據(jù)采集終端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

nRF24L01是一款融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)的新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，僅通過(guò)程序即可配置其輸出功率和通信頻道。nRF24L01具有優(yōu)秀的功耗管理模式，而且在以－6 dBm的功率發(fā)射時(shí)工作電流只有9 mA，接收時(shí)工作電流12.3 mA，除此之外還有掉電模式、空閑模式等多種低功耗模式，使節(jié)能設(shè)計(jì)更加方便。nRF24L01與MCU通過(guò)SPI接口連接，其電路如圖3所示。

圖3 nRF24L01電路圖

2.4 GSM模塊

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站與遠(yuǎn)程終端之間的通信采用GSM［5］通信方式。GSM系統(tǒng)包括 GSM 900:900 MHz、GSM1800:1 800 MHz及GSM－1900:1900 MHz等幾個(gè)頻段，其傳輸距離遠(yuǎn)，可以容易地實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的數(shù)據(jù)通信。無(wú)線GSM通信模塊主要通過(guò)應(yīng)用接口和其他終端進(jìn)行連接通信。

2.5 超聲波檢測(cè)接口電路

超聲波測(cè)距電路［6］包括超聲波激勵(lì)電路和超聲波接收電路，其核心部件為超聲波發(fā)射與接收探頭，探頭性能直接影響超聲波的發(fā)射和接收特性。超聲波激勵(lì)電路的作用是用于激勵(lì)超聲波探頭使其將一定形式的激勵(lì)電壓加到超聲波探頭上，從而使探頭上的壓電晶片將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射電路

系統(tǒng)工作時(shí)由STM32的高級(jí)定時(shí)器將兩路占空比為50%、50 kHz的互補(bǔ)PWM信號(hào)輸入至MAX232的T1IN、T2IN引腳，由于MAX232的片載電荷泵具有升壓和電壓極性反轉(zhuǎn)的能力，因此能夠產(chǎn)生+6 V和－6 V的電壓，于是在T1OUT和T2OUT處能產(chǎn)生12 V的電壓，從而驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射出40 kHz的超聲波。

發(fā)射電路通過(guò)三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX232的開(kāi)關(guān)控制。為了降低發(fā)射電路對(duì)接收電路的干擾和電路損耗，在開(kāi)始發(fā)射前打開(kāi)MAX232的電源，延遲一段時(shí)間待電路穩(wěn)定后開(kāi)始發(fā)射，發(fā)射結(jié)束后關(guān)斷MAX232的電源。

超聲波接收電路的作用是將接收器接收的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供MCU識(shí)別使用的電平信號(hào)。由于超聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)有能量的衰減，到達(dá)反射面時(shí)也會(huì)因?yàn)榇嬖谀芰康奈蘸蜕⑸涫沟梅瓷浠貋?lái)的回波信號(hào)非常微弱，對(duì)信號(hào)不能直接使用，因此要能檢測(cè)到有效的回波信號(hào)，必須進(jìn)行濾波放大等一系列處理。水電站水位監(jiān)測(cè)電路的超聲波接收電路如圖5示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

圖5 超聲波接收電路圖

系統(tǒng)軟件部分包括nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序、超聲波數(shù)據(jù)采集程序、GSM短信程序以及LCD顯示程序。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將各部分所要完成的任務(wù)分模塊分別進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)試，本文主要給出nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序和超聲波數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)流程圖。圖6為nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序流程圖，圖7為超聲波數(shù)據(jù)采集程序流程圖。

圖6 nRF24L01數(shù)據(jù)通信程序流程圖

圖7 超聲波數(shù)據(jù)采集程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是根據(jù)水電站實(shí)際工作情況在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬的。系統(tǒng)的軟件調(diào)試部分在RealView MDK 4.7.2環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。通過(guò)軟件編程產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號(hào)和模塊所發(fā)射的信號(hào)分別如圖8和圖9所示。

圖8 軟件編程產(chǎn)生的脈沖信號(hào)

圖9 發(fā)射電路發(fā)出的超聲波信號(hào)

由于接收到的超聲波信號(hào)很微弱，幅值都在100 mV以內(nèi)，而且噪聲很多，因此需要對(duì)超聲波信號(hào)能夠進(jìn)行檢測(cè)、濾波以及放大，接收到的超聲波信號(hào)如圖10所示。

圖10 接收電路接收到的超聲波信號(hào)

接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路和倍壓檢波電路后，將信號(hào)送給比較電路，然后輸出只有高低電平信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，供單片機(jī)接收使用。經(jīng)過(guò)比較電路后的輸出信號(hào)如圖11所示。

圖11 比較電路的輸出信號(hào)

超聲波測(cè)距模塊工作時(shí)，超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波信號(hào)，信號(hào)被液面反射后將信號(hào)反射給超聲波接收器，被接收電路接收后經(jīng)過(guò)處理，最后將信號(hào)以高電平形式輸出，高電平信號(hào)保持時(shí)間的長(zhǎng)短即反應(yīng)發(fā)生與接收信號(hào)之間的時(shí)間差，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差就可以計(jì)算出與目標(biāo)物體之間的距離。圖12為距離是70 cm時(shí)的波形，圖13是100 cm時(shí)的波形。圖中“1”號(hào)線表示發(fā)出的40 kHz的脈沖信號(hào)，“2”表示通過(guò)接收電路處理后的輸出信號(hào)，高電平時(shí)間即表示從超聲波發(fā)射到接收的時(shí)間差?？梢钥闯龈唠娖匠掷m(xù)的時(shí)間與距離成正比。

圖12 距離為70 cm時(shí)的接收信號(hào)

圖13 離為100 cm時(shí)得到接收信號(hào)

表1為對(duì)同一距離進(jìn)行多次測(cè)量所得的數(shù)據(jù)。從表中可以看出，雖然所測(cè)距離與實(shí)際距離有一定的誤差，但均在精度要求范圍內(nèi)，因此符合設(shè)計(jì)要求。

表1 探測(cè)距離數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語(yǔ)

水位數(shù)據(jù)是保證水電站安全可靠運(yùn)行而必須監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要數(shù)據(jù)。本文利用超聲波技術(shù)設(shè)計(jì)了一主多從結(jié)構(gòu)的水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水電站水位的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，并且系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)精度高，能較好地達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

［1］水質(zhì)環(huán)境無(wú)線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)學(xué)［J］.云南環(huán)境科學(xué)，2004(1):50－52.

［2］馬福昌.水情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)新技術(shù)［J］.山西水利，2005(1):32－34.

［3］郝迎吉.遠(yuǎn)距離水位智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004(6):809－812.

［4］郭偉.超聲檢測(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］韓斌杰，杜新顏，張建斌.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［6］袁易全.近代超聲原理與應(yīng)用［M］.南京:南京大學(xué)出版社，1996.