基于GPRS的绥滨农场灌区地下水位监测系统构建

　　引言

　　地下水是大自然赐予人类的宝贵资源，随着社会发展和科技进步，地下水资源已被过度地开发利用，不合理地开采地下水资源已经引起地下水水位下降和一系列的环境问题。例如，地面沉降引起建筑物的破坏;沿海地区过量开采地下水，造成海水入侵和倒灌;干旱地区过量开采地下水，引起了土地荒漠化。

　　大量的地表水被不合理地使用(如农田灌溉)，地下水位上升近地表，使得土壤次生盐渍化;一些大坝工程的修筑使得库区附近地下水位抬升，也会引起斜坡不稳定。因此，对地下水的水位变化进行监测是地下水开发管理、预测与控制的一项重要任务。

　　为了合理开发利用三江平原的地下水资源，同时优化配置地下水资源，提高用水效率，必须要实时、有效地采集地下水水位数据，通过对地下水水位数据进行长期采集，为水文工作者、地方水利部门等提供最原始、最准确的数据，用以适时制定相应政策，实现灌区水资源的可持续开采和利用。本设计以三江平原绥滨农场灌区为例，对当地灌区水位进行实时监测，从而为当地政府部门合理开发地下水资源提供科学依据。

　　1 系统硬件设计
　　
　　本系统中，硬件部分主要功能是对水位数据进行采集、显示，以及对数据处理并打包传输回系统上位机水位监控中心。硬件部分整体框图如图 1 所示。【图1】

　　
　　1． 1 微控制器

　　系统选用 STC12C5A60S2 单片机作为硬件核心，它是宏晶公司生产的新一代增强型 8051 单片机。其指令代码完全兼容传统 8051，但速度比传统的 8051单片机快 8 ～ 12 倍;内部集成 MAX810 专用复位电路，8 路高速 10 位 A/D 转换。

　　1． 2 传感器选择

　　水位信息传感器是水位数据采集系统的一个极其重要的组成部分，是实现水位监测系统自动监测和控制的首要环节。表 1 为几种常用水位信息采集传感器的特点和工作原理。通过对几种常用传感器比较分析，系统选用 HW － C1000C20 超声波式水位传感器来采集地下水位数据。【表1】

　　1． 3 无线传输模块

　　系统选择华为公司生产的 GTM900 － B 无线通讯模块，并采用公网动态 IP + DNS 解析方式进行组网。

　　其解析方式原理图如图 2 所示。【图2】

　　1． 4 供电模块

　　水位数据采集终端工作在野外，系统选用独立的太阳能蓄电池为数据采集终端提供持续、稳定的电源。供电模块的结构如图 3 所示。【图3】

　　
　　2 系统软件设计

　　2． 1 数据采集终端软件

　　数据采集终端采用 C 语言编程，按功能的不同，整个程序写成不同的子程序，程序整体上结构清晰且易于调试和维护。图 4 为超声波传感器采集水位数据的子程序流程图，图5 为无线传输模块子程序流程图。

　　2． 2 水位监测中心软件

　　水位监测中心上位机软件基于 Visual Basic(简称VB)串口通信开发。VB 是一种面向对象的程序设计方法，即把程序和数据封装成为一个实体，直接针对这些对象进行程序的设计，不需要重复编写大量代码，缩短软件开发周期。软件实现了如下功能:

　　①对各水位监测井数据进行实时准确地接收和存储，并显示其水位状态;②对各监测点的数据进行实时显示及根据数据变化绘制折线图形，便于查看其变化趋势；③对串口信息、水位监测井信息、警戒水位等相关信息进行设置和修改。【图4-5】

　　
　　3 系统应用

　　本系统于 2013 年 5 月在黑龙江省绥滨县绥滨农场灌区进行了应用试验。试验结果显示:系统的灵敏度高，能实时监测水位的动态信息，系统的整体误差介于 0． 1 ～ 0． 5cm 之间，符合《水位观测标准 GB/T50138 － 2010》的要求。本文由于篇幅限制，表 2 列出 2013 年5 月1 日10:00 －12:00 人工测量与系统测量得到的部分水位数据进行对比。【表2略】
　　
　　4 结论

　　1)本系统设计的基于超声波水位数据采集终端，解决了传统人工测量不能进行实时监测的问题，同时弥补了压力式传感器受大气压影响、浮子式传感器受水中泥沙干扰等实际应用时存在的缺陷。

　　2)根据绥滨农场灌区的特殊环境，本系统应用GPＲS 无线数据传输技术，实现了灌区水位数据的实时采集和远距离传输。

　　3) 本系统上位机监测软件完成了准确接收数据、对数据的大容量存储、实时显示数据，并且实时绘制水位数据变化折线图。图 6、图 7 为 2013 年 5 月 1 日10:00 － 11:00 与 11:00 － 12:00 的水位变化折线图。【图6-7】

　　
　　参考文献:

　　［1］ 纪建伟，丁皓，李征明，等． 基于无线传输的稻田灌溉监控系统［J］． 农业工程学报，2013，29(S1):52 －59．
　　［2］ 李益农，许迪，李福祥． 地面灌溉水深测量仪的研制及性能测试［J］． 农业工程学报，2006，22(1):32 － 36．