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(dòng)化控制系統(tǒng)中對(duì)液位的監(jiān)測(cè)必不可少，近些年隨著我國(guó)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展，對(duì)水位監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，也促進(jìn)了水位監(jiān)測(cè)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(cè)量方式已不能滿足實(shí)際需求。

2 現(xiàn)狀及解決方案

2.1 現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的水位測(cè)量方式一般都是現(xiàn)場(chǎng)將投入式水位計(jì)探頭安裝在提前布置好的鋼管內(nèi)，采集到的水位信號(hào)（4～20 mA）通過(guò)電纜傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，一旦傳輸距離過(guò)長(zhǎng)就會(huì)造成信號(hào)衰減，致使測(cè)量的數(shù)據(jù)不真實(shí)；河流、湖泊、水庫(kù)、山區(qū)等的水位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(hào)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(guò)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(cè)的要求。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)，GPRS無(wú)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(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)能使管理者及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，進(jìn)行快速?zèng)Q策，并省去很多人力。

2.2 解決方案

野外孤立漂浮錨定無(wú)線智能水位計(jì)是針對(duì)市場(chǎng)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(wú)線智能水位計(jì)裝置，采用水上浮筒固定水位計(jì)，基于GPRS無(wú)線通信技術(shù)[1-2]，以GRM200 G信號(hào)傳輸模塊為核心，采用低功耗技術(shù)用太陽(yáng)能供電，將水位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)采集到的水位信號(hào)發(fā)送到控制中心，并具有手機(jī)APP功能，通過(guò)手機(jī)APP查看實(shí)時(shí)信息，提高管理效率。本設(shè)備完全防水，可長(zhǎng)期應(yīng)用于野外環(huán)境，基本解決水位計(jì)在野外布點(diǎn)安裝、供電、信號(hào)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(jì)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)中心、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、供電設(shè)備、浮筒平臺(tái)等6部分組成。

監(jiān)測(cè)中心：電腦、手機(jī)終端。

通信網(wǎng)絡(luò)：GPRS。

監(jiān)測(cè)設(shè)備：無(wú)線傳輸模塊。

測(cè)量設(shè)備：投入式水位計(jì)。

供電設(shè)備：太陽(yáng)能板、蓄電池、控制器。

浮筒平臺(tái)：浮筒、錨。

系統(tǒng)主要通過(guò)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(jì)固定在浮筒上，并投入水中采集水位信息，通過(guò)MODBUS通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)線傳輸模塊，無(wú)線傳輸模塊再通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程

4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

（1）驗(yàn)證水位、水溫信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、真實(shí)性。

（2）驗(yàn)證供電系統(tǒng)供電能力。

（3）驗(yàn)證浮筒在水上的穩(wěn)定性。

4.2.2 試驗(yàn)工具

螺絲刀2把、萬(wàn)用表1臺(tái)、數(shù)字式溫度計(jì)（0～40℃）1只、手機(jī)卡（移動(dòng)帶流量）1個(gè)、筆記本電腦1臺(tái)、手機(jī)1臺(tái)。

4.2.3 試驗(yàn)過(guò)程

（1）試驗(yàn)一：驗(yàn)證水位、水溫信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、真實(shí)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(jì)測(cè)量此時(shí)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(jì)放到水桶中，用萬(wàn)用表測(cè)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(jì)采集水位信號(hào)，通過(guò)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(guò)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(cè)到的數(shù)據(jù)如下：

手機(jī)APP監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)：水位1.03 m，溫度3.1℃（圖5）。

圖5 電腦界面

（2）試驗(yàn)二：驗(yàn)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(jì)采集到的水位信號(hào)在監(jiān)測(cè)終端24 h顯示正常，這說(shuō)明供電系統(tǒng)完全滿足4 d無(wú)日照供電要求。

（3）實(shí)驗(yàn)三：驗(yàn)證浮筒在水上的穩(wěn)定性

將整個(gè)樣機(jī)放入事先注滿水的水池內(nèi)，通過(guò)觀察，浮筒平臺(tái)沒(méi)有發(fā)生傾斜現(xiàn)象，2個(gè)錨抓地牢固，人為攪動(dòng)水面，浮筒沒(méi)有發(fā)生明顯偏移，錨抓地牢固。

4.3 性能與特點(diǎn)

4.3.1 浮筒平臺(tái)

用高分子聚乙烯浮筒作為水上平臺(tái)，浮筒上搭載電氣控制箱和太陽(yáng)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(jì)固定在浮筒上并配有重錘，防止液位變送器隨水流漂動(dòng)，提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性，解決了水位計(jì)野外不易安裝問(wèn)題。

4.3.2 供電技術(shù)

設(shè)計(jì)低功耗電路板，采用太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能板200 W大功率，滿足全天2 h、4 d完全無(wú)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(guò)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(guò)壓、過(guò)熱、輸出過(guò)載、輸出短路、蓄電池過(guò)放電、蓄電池過(guò)充、夜間防反充等一系列報(bào)警和保護(hù)功能。

4.3.3 無(wú)線通信傳輸

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

圖6 無(wú)線通信示意

GPRS基于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，主要用來(lái)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(shí)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(guò)電腦，手機(jī)網(wǎng)頁(yè)瀏覽，電腦網(wǎng)頁(yè)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(duì)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(yǔ)音業(yè)務(wù)比較繁忙時(shí)可能導(dǎo)致GPRS信號(hào)中斷，此時(shí)即可通過(guò)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(guò)短信查看數(shù)據(jù),隨時(shí)隨地了解設(shè)備狀,更重要的是，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以發(fā)出報(bào)警短信通知，真正可靠保障設(shè)備安全，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；使用簡(jiǎn)單，無(wú)需搭建服務(wù)器，無(wú)需固定IP或動(dòng)態(tài)域名，模塊內(nèi)置手機(jī)網(wǎng)頁(yè)，客戶使用組態(tài)軟件或手機(jī)，即可輕松完成無(wú)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(bào)表，趨勢(shì)圖等）；穩(wěn)定安全，專門(mén)針對(duì)組態(tài)軟件OPC驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)永遠(yuǎn)在線，穩(wěn)定性高，確保數(shù)據(jù)安全；無(wú)距離限制，有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方，即可監(jiān)測(cè)。

實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，解決野外布線困難的問(wèn)題，節(jié)省人力及施工成本。

4.3.4 適用領(lǐng)域

利用此平臺(tái)裝置除可監(jiān)測(cè)水位、水溫外，還可實(shí)現(xiàn)多樣化監(jiān)測(cè)，如壓力、水質(zhì)、視頻信號(hào)等監(jiān)控。只需將投入式水位計(jì)換成相應(yīng)所需變送器即可，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可滿足絕大多數(shù)惡劣場(chǎng)合的監(jiān)測(cè)要求。

4.4 成果分析

通過(guò)對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，充分驗(yàn)證 了野外孤立漂浮錨定無(wú)線智能水位計(jì)在實(shí)際野外惡劣、復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用的可行性。但該水位計(jì)還未能大范圍推廣，下一步將通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證該水位計(jì)的性能，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)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(cè)產(chǎn)品。

5 結(jié)論

野外孤立漂浮錨定無(wú)線智能水位計(jì)基本解決了水位計(jì)在野外布點(diǎn)安裝、供電、信號(hào)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(chǎng)前景，隨著科技的進(jìn)步，水位監(jiān)測(cè)技術(shù)也將更加先進(jìn)，我們?cè)笧樗聵I(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。