齐齐哈尔医学院水箱水位失控报警系统控制方案

石长玉

齐齐哈尔水务集团，黑龙江齐齐哈尔 161000

1 系统背景及设计目标

一般为节约用地都将泵房设计在地下，但水箱跑水导致水淹泵房和设备，造成不必要的损失，屡见不鲜。齐齐哈尔医学院消防水池和生活水池位于一号楼地下负二层，水箱进水由水位浮球阀控制，医学院为防止水箱进水浮球机械疲劳，造成重大损失需要把水位信号传到六号楼消防控制室和保安监控室。

本方案的通过对水箱水位自动检测和无线传输设备，达到以下设计目标：1）设备自成系统，除了电源以外，无需额外的硬件设备支持，检测数据通过串口直接输出；2）安装、维护简单；3）系统自带网络配置软件，操作简便。

本系统完成水位检测，并将水位传感器的数据通过无线网络的方式传输回消防监控中心。这样就不需要像传统的数据采集方式那样，进行长距离施工、布线，才能够将数据传输回控制中心，减少了安装和维护上的困难。

2 系统的组成

本系统由系统电源、水位传感器、数据采集控制设备、无线数据传输发送终端、无线数据接收终端组成。其中前四个部分构成前端采集设备，安装在水位采集现场，系统电源为整机提供稳定可靠的电源；水位传感器完成水位的检测；数据采集控制系统完成对水位传感器输出RS485 信号进行采集、分析，另外完成对无线模块、硬复位系统的控制；无线终端完成数据的网络传输。无线数据接收终端是一台无线终端，它通过无线网络得到前端采集设备获得的数据，并将无线数据转换成RS485 总线数据输出。

2.1 水位传感器安装

由于本检测系统是测量水箱进水口处水位，即对流动的水测量液位。传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，投入液体中的部分为全密封不锈钢结构。安装时在水中插入一根Φ45左右的钢管，然后将其投入其中防止干扰。

2.2 检测系统构成及特点

系统具有实时性：实时在线监测。采用无线网络技术的无线检测系统，将水位传感器的输出信号，通过AD 采样，转换成无线网络可以传输的数据，传输到消防监控中心，实现了对水位进行实时在线检测，真正做到了远距离遥测。

1）传感器部分

选用中美合资麦克传感器公司的 MPM4700 型智能液位变送器，该传感器的特点是：全不锈钢结构，体积小；与介质接触的材料为陶瓷，可抵抗较强的压力冲击；顶部不锈钢帽可拆除，即可防止膜片的意外损坏，又便于定期清洗，不易被堵塞。

2）无线数据传输设备

本方案中，设计了三种无线数据传输方式，它们各有优缺点，下面先对三种无线传输方式做具体说明。

（1）无线 GPRS 数据传输方式

GPRS 模块在水位检测点和电站监控机房内均需要分别安装一个GPRS 模块，它主要完成数据的远距离传输。GPRS 其实是手机连接互联网的分组交换协议，这就可以使得GPRS 设备成为一个互联网设备，便于数据传输。

（2）GSM 短信传输方式

在无线数据传输中，目前使用得非常多的是短信方式。只要用户熟悉 AT指令，则可以采用短信方式，将采集到的数据，传输到远端的一个短信接收模块上。

3）系统电源

系统电源采用外接220VAC 1A供电。系统电源模块使用隔离开关电源，首先将220AVC电源转换成12VDC的直流电源，然后再转换成各个模块需要的电源。

4）系统可维护性设计

本系统是安装在地下室二层，如果系统出了问题，需要工程人员到现场维护，既费时，又费人力、财力，所以这里设计两层保障措施，防制系统死机。第一层措施是在无线网络中增加“心跳”数据包，如果长时间未收到心跳数据包，则进行一次软复位，同时发送复位指令给前端系统的其他设备，让所有设备进行一次软复位。但是第一层是建立在前端设备未出现死机情况下，才能进行，所以还需要独立于前端设备的一种硬复位方式，当前端设备系统出现问题的时候能够操作设备完成一次复位，并重新运行。第二层措施是在前端设备上，配备一个短信模块，并由短信模块输出IO控制前端设备供电。当前端设备出现问题的时候，又远端控制中心发送多条（例如3条，为了防制误传）短信给前端设备的短信模块，短信模块收到短信之后，判断是否为复位指令，如果是则关断前端设备电源，延时数秒钟之后重新给设备上电，这样就完成一次系统复位。

5）无线数据接收终端

监控室内安装无线数据接收终端，考虑到地下信号可能较差，需要使用射频馈线将天线延伸到监控室以外。无线接收终端通过无线网络，从前端设备获得水位数据及现场其他参数；另一方面，将得到的数据通过RS485总线输出到消防监控设备，或者将水位数据转换为4mA～20mA的模拟信号输出。

2.3 三种无线数据传输方式的比较

传输距离：GPRS 和GSM 短信方式的传输距离仅受移动网络的影响，凡是有移动网络的地方，都可以采用这两种方式；无线传感器网络，可靠的传输距离为可视3km，由于水位测量点距离消防监控室距离达到2km，而且中间楼房遮挡，所以必须增加中继节点，采取接力传输的方式才能够将数据送回消防监控室，除了测量点和厂房以外，另外至少需要配置3个中继节点。

数据传输实时性：GPRS 方式，由于设备随时都在GPRS 网络中，两个GPRS设备形成点对点网络，所以可以较快的传输数据，延时一遍在10s 以内；GSM 短信方式，短信的发送与接收对于移动网络来说还是一个比较复杂的过程，发送短信一方，先要将短信发送到短信中心，短信中心再找到目的手机号，然后将短信发送给目标，中间可能收到短信阻塞、信号好坏的影响，延时从几秒到一天不等；无线传感器网络，由于是自组网，不受移动网络的影响，一旦网络建立完成，就可以较快的传输数据，一般延时在2s左右。

维护费用：GPRS 的数据是按照流量计费，一般月租5元，可以有30Mbytes的流量，基本可以满足大多数输出传输的要求，使用费较低；短信方式，没有一条数据，均需要发送一条短消息，虽然短消息的容量可以达到每条140字节，但是基本上是几个字节就需要一条短信，所以如果每分钟有5条短信的话，每月的费用是非常惊人的；无线传感器网络，由于使用自组网，且是免申请的2.4GHz 频段，使用过程中完全无费用要求。

可靠性：由于三种方式均采用国外进口器件和成熟方案，而且三种方式均已用于多次工程项目，因此可靠性、技术成熟度上都是较高的。考虑到安装维护、数据传输实时性，其中GPRS方式，在各种方式中占有一定优势，只是要承担一定的使用费用；如果使用费用是一个问题，则可以选择无线传感器网络方式，但是需要增加中继节点的安装和维护。综合考虑，建议选用GPRS方式。

2.4 GPRS 网络设置软件

选用 GPRS 方式，考虑到GPRS网络的特殊性，以及使用的灵活性，系统需要配套一个网络设置软件，对串口波特率、工作模式、DTU模式等进行相应的设置。

3 系统防雷设计

根据对无线设备的结构分析，以及雷电可能的侵入途径，设计了以下防雷解决方案。前端设备应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。当前端设备独立架设时，原则上为了防止避雷针及引下线上的暂态高电位，避雷针最好距前端设备3m～4m的距离。

避雷针也可以架设在前端设备的机箱上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用，屏蔽金属管的两端均应接地。

为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线、信号线和控制线。