水位远程连续报测系统设计与实现

王卫兵 孙铁波

(江苏食品职业技术学院，江苏 淮安 223003)

0 引言

当前，因洪水等自然灾害所引发的突发事故危害巨大［1］。因此，对水位进行远程动态监控，为工程和相关地区防洪工程提供安全保障显得尤为重要。现阶段我国主要使用浮子式自动水位计和非接触式气介水位计，采用测井法测量水位［2］。这就存在自动化程度低以及由于江河泥沙的淤积，影响水位检测精度这两方面的缺陷。

借鉴国外先进技术，提出了一种采用FWD-F系列磁致伸缩液位传感器与TMS320F2812单片机系统配合设计的水位远程连续报测系统［3］。磁致伸缩传感器可直接置于水中，在传感器周围装有稳流装置［4］，无需标注高度;采集的水位数据通过GPRS通信传送至信息主站，实现水位信息远程自动监测，提高了水位报测速度和精度。

1 系统工作原理

水位远程报测系统主要由磁致伸缩液位传感器、运算放大器、TMS320F2812单片机、稳压电源和GPRS模块等组成［5］。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图Fig.1 Principle of the system

将磁致伸缩液位传感器置于水中，利用传感器内两个不同的磁声相交，使其波导管发生波导扭曲，产生一个超声波信号，然后计算这个信号被探测所需的时间周期，从而换算出准确的水位高度信号［6］。输出的电压信号经运算放大器LM324直接送至TMS320F2812单片机，使用单片机内部的A/D转换完成信号采集处理后，输出编码信号，由异步串行通信接口送至GPRS模块进行通信。PC机能实时地显示各测量点的水位情况。

2 硬件设计

2.1 磁致伸缩液位传感器

磁致伸缩线性液位传感器主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环(浮球)组成，测杆内装有磁致伸缩线(波导丝)。工作时，由电子仓内的电子电路产生起始脉冲。此起始脉冲在波导丝中传输的同时产生了沿波导丝方向前进的旋转磁场。当这个磁场与磁环(浮球)中的永久磁场相遇时，波导丝发生扭动，产生扭动脉冲［7］。扭动脉冲被安装在电子仓内的拾能机构所感知，并转换成相应的电流脉冲，电流脉冲经积分后得到一个工业标准电压信号，传给TMS320F2812单片机。通过计算发送激励脉冲的时间和接收到回波的时间，可计算出时间差ΔT，再根据超声波的传播速度v，可计算出检出头与液面之间的距离L0=v×ΔT，而测杆的总长度L1已知，则可得出水位L为:

2.2 运算放大电路

信号放大采用集成LM324N带宽补偿电路，如图2所示。

图2 运算放大电路Fig.2 Circuit of the operation amplifier

该电路为正比例放大电路，双电源供电，交流耦合输入、输出放大倍数为G=1+Rf/R2。图2中，C2、C4为电源滤波电容;C1、C3起到信号输入、输出的交流耦合作用;R1维持运算放大器同向、反向差分输入级的对称性;Rf、R2为反馈网络电阻;C5为补偿电容，带宽补偿主要通过调整电容C5的取值来实现。

在非理想运算放大电路的数学模型基础上，推导出补偿电容C5的理论计算公式为:

式中:ω0为低频主极点对应的转折频率;K0为开环增益;Rf、R2为反馈网络电阻值;ωb为需要补偿的带宽，从而可以在保持系统原有增益不变的情况下，扩展其频带，提高运放的时域响应速度。

2.3 单片机部分

系统采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812为核心，主要完成数据采集、处理及控制系统的工作，协调异步串口SCI向信息主站发送信息。使用单片机内部A/D完成信号采集。与外扩A/D相比，这能明显降低产品成本，减少芯片数量，对降低功耗、提高可靠性也有好处［8］。上传数据时需要附加时间信息，还要外扩带SPI接口的时钟芯片DS1305。同时，为保证断电时信息不丢失，还需要外扩EEPROM芯片。

2.4 GPRS 传输

2.4.1 GPRS 的选择

通用分组无线服务技术(general packet radio service，GPRS)是建立在GSM网络上，为用户提供高速分组交换数据的新网络业务，采用中国移动的虚拟专用网络(virtual private network，VPN)。网络中的每个GPRS模块需要安装一张SM卡，每张SM卡绑定中国移动分配的一个IP地址，并且拥有独立上网的接入点(access point name，APN)。所有数据都是在VPN专网中传输，安全性得到充分保证［9］。西门子公司的MC55模块是目前最小的三频GSM/GPRS模块，具有很高的可靠性和易用性，很适合在移动终端中作无线通信模块。

2.4.2 MC55 单元电路

MC55单元完成无线上网数据传输功能。一方面通过RS-232接口与信息采集处理主控电路TMS320F2812连接;另一方面拨号登录至GPRS网络，实现数据采集终端和GPRS无线网络的互联。硬件电路如图3所示。

图3 MC55硬件电路Fig.3 MC55 hardware circuit

主控电路通过RS-232选择时钟信号。当无信号或没有插入SM卡时，SYNC引脚输出脉宽为600 ms、占空为1∶1的时钟信号，LED均匀闪烁;当登录到GPRS网络时，SYNC引脚输出高电平脉宽为75 ms、低电平脉宽为3 s的时钟信号，LED长灭短亮。

MC55提供的SM卡接口可直接驱动SM卡座。当SM卡座中插入卡时，CCN引脚输出高电平，MC55工作;拨出SM卡时，CCN输出低电平，MC55关闭。

主控电路的通用I/O口G1引脚与MC55引脚VDD连接，实现掉电异常检测。模块开机时，VDD输出高电平，关机时，VDD输出低电平。因此，系统通过监测VDD引脚电平判断模块是否掉电。模块掉电时要重新启动，同时MC55模块的内核需由IGT引脚以预定的时序激活，才能进入正常工作状态。MCSS模块启动时序如图4所示。

图4 启动时序图Fig.4 Diagram of sequencing startup

3 GPRS通信数据的处理

GPRS的数据传输模式和命令模式均是通过AT命令来实现的，通过标准RS-232串口和外部控制器进行数据通信［10］，通过软件置位完成对MC55的操作，即GPRS连接服务的建立和相关的数据传输。GPRS的数据传输流程如图5所示。

图5 数据传输流程图Fig.5 Flowchart of data transmission

图5中，MC55的通信方式和任何通信相关的参数均利用AT命令通过串口本地更改设置。本设计将MC55模块上线设置的AT命令放入二维数组modim command中。

其中，Socket通信主要完成终端历史数据、实时水位信息和控制中心命令的传输等。

4 系统主要功能

本设计在淮河水利工程中进行了GPRS组网运行试验。经安装和调试，系统运行正常，通信传输良好。

4.1 实时监控功能

系统可动态地从数据库中获取数据，实时显示各监测点的水情，主要包括水位、雨量监测数据实时变化。其中，数据后缀的红灯表示警戒状态、绿色表示正常状态，报警上下限可以在功能区进行修改。状态栏显示时间和接收状态，显示灯呈绿色表示接收水情数据正常，红色则表示异常。

4.2 数据查询功能

水位雨量曲线可以根据时间和监测点名称进行数据查询。点击任何一个监测点上的实时曲线绘制按钮，即可实时显示水位、雨量曲线信号，同时自动绘制雨量、水位曲线图形，如图6所示。

图6 水位雨量曲线Fig.6 Curves of the water level and rainfall

5 结束语

利用磁致伸缩液位传感器与TMS320 F2812单片机配合设计的水位数据采集，通过GPRS无线传输技术实现了远程水位信息监测，可在无人职守的情况下自动地通过GPRS网络向控制中心发送水情信息。整套系统可靠性高，数据实时性好，具有很好的应用前景。

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