基于GPRS的水位监测系统的实现

引言

渠道实用的水位测量方法很多,但主要是依托建筑物设立相关的测量设施。常用的数位测量仪器有浮子式、压力式、超声波式、雷达式水位计,浮子式水位计结构简单、价格低廉,但需配建水位测井:超声波与雷达式水位计测量精度高但造价昂贵且维护成本较高:压力式水位计在保证测量精度的同时还具有成本低、便于维护安装的特点。通过下位机与上位机相结合的模式,运用物联网技术可实现对渠道每个重要节点全过程、不间断的监测,实时采集水位数据信息并通过互联网上传至服务器实现数据共享,实现通过网络随时获取最新的数据信息。

1压力式水位检测原理

投入式压力水位测量技术是将压力传感器放置于水底测得压力P,环境大气压力为P0,在压力传感器上有与大气压力接触的进气管,所以传感器的压力就等于水位高度所产生的压力P-P0。假定所测水体密度为β,环境重力加速度为g,则液位高度可由式(1）得出:

2系统构建与实现

2.1系统整体设计

下位机由投入式压力水位变送器与水位监测设备组成,水位监测设备包括主芯片控制模块、信号处理模块、太阳能充电模块、GPS模块与GPRS模块。上位机采B/S结构,wEB浏览器是客户端最主要的应用软件,将系统功能实现的核心部分集中到服务器上。下位机与上位机遵循TCP/1P协议进行通信,采用报文传输的形式进行数据传输与设备控制。

2.2硬件电路设计

2.2.1电源电路

下位机采用12V锂电池组供电,其可为变压芯片提供一个较高的初级电压,初级电压为投入式压力传感器和信号处理电路进行供电。初级电压经过MC7805电压转换芯片转换成5V电压,进而可以为GPRS等电路供电。5V电压再经过LM1117电压转换芯片转换为3.3V电压,主要为STM32F103ZET6芯片供电。

2.2.2信号处理电路

信号处理电路如图1所示。投入式水位压力变送器输出4～20mA电流信号,在信号处理电路中采用线性光耦HCNR201进行放大隔离,将电流信号转化为电压信号输入至MCU中进行处理。为满足HCNR201输入小电流信号的要求,通过249Ω与100kΩ的电阻分流将输入信号缩小400倍传入HCNR201,然后通过后方的100kΩ电阻将信号放大10万倍并转换成电压信号输入给MCU进行处理。

2.3软件设计

2.3.1下位机软件设计

下位机软件设计包括主程序、GPRS子程序、GPS子程序、A/D采样子程序设计。

主程序流程如下:首先进行系统初始化,读取当前上报周期以及GPRS模块启动周期。在达到启动周期时间后,启动GPRS模块并为变送器供电进行水位数据采集,通过DMA进行A/D采样,采集20个点的值。采用中值滤波算法处理采集数据,首先对20个点进行排序,然后取中间值作为本次水位数值。通过GPRS模块将水位数值传输到上位机,完成一次测量。

2.3.2上位机软件设计

上位机软件设计框图如图2所示。

上位机在接收到下位机启动后发送的心跳包后,解析心跳包数据识别设备编号。根据设备编号下发获取当前GPS坐标与水位数值信息报文,解析下位机上传报文得到当前GPS坐标与水位数值信息后,通过水位率定算法计算出水位数值并存入数据库中进行保存。

3试验结果

以水为待测液体进行试验,多次测量不同高度下的液位值,试验数据如表1所示。在200cm的测量范围内,测得液位的误差小于1cm,实现了较高精度的液位测量。

4结语

本文设计了可用于灌区渠道的水位监测系统,通过系统硬件与软件的设计实现了水位高精度检测、数据网络传输、用户不同终端实时查看的一体化监测方案。