基于AVR单片机和LabVIEW的矿井地表水文监测系统的设计

程丽平，刘传玺，谭永海

(山东科技大学，山东 泰安 271019)

基于AVR单片机和LabVIEW的矿井地表水文监测系统的设计

程丽平，刘传玺，谭永海

(山东科技大学，山东 泰安 271019)

矿井地表水文数据的监测存在两个关键问题，一是远距离数据的传输问题，二是监测仪表的供电问题。利用西门子手机模块TC35i和时钟定时芯片，控制低功耗AVR单片机和手机模块的工作时间，有效的解决了这两个问题。同时用LabVIEW设计的上位机监控界面简单明了，能显示实时数据，分析数据走势曲线，进行预警处理；利用LabSQL与数据库的连接，完成数据的网络共享，使该监控系统可以方便的成为整个煤矿监控系统中的一个网络节点。实际运行结果表明，该系统操作简单，可控性好，可靠性高。

AVR单片机；短信息；低功耗；实时；虚拟仪器

水害是煤矿五大灾害之一。随着煤矿开采的不断深入，矿井受水害威胁的程度越来越严重，需要正常观测的水文项目也不断增多，不但要监测井下水位也要监测地表水位。对井下水位的监测多采用RS485通信，地表水位的监测采用钻孔水文监测，钻孔一般较分散，且离监控中心较远，我们针对这种情况采用西门子的短信息模块进行无线通信，全天候把监测到的钻孔水位、水温等各种参数，发送到监控计算机上监控和储存，一旦出现险情，立即报警，以便及时采取措施，保证矿井及井下人员安全。

1 系统概述

本系统主要完成对地面地质钻孔水位、水温的监测，主要包括钻孔智能水文信息遥测发送分站和上位监控主站两大部分，系统总体结构见图1。

矿井每个钻孔装设的智能水文信息遥测收发器(分站)均设有水位变送器、水温传感器、空心通气电缆、短信息模块TC35i、锂电池。水文地质钻孔水位、水温的测量由安装在各钻孔内的基于GSM短信的智能水文信息遥测收发器完成。收发器按照设定的时间间隔测量水位、水温，并通过短信方式将测量数据发送至上位监控主站。

上位监控主站由主站数据接口模块和监控计算机组成。主站接口模块主要完成对各分站发送数据的接收，并通过RS232串口把接收的各分站数据送到监控计算机，监控计算机采用NI公司的图形化编程系统LabVIEW进行监控界面的设计，完成适时数据显示，动态数据曲线显示、报警、历史数据查询等功能。LabVIEW利用LabSQL完成与数据库的连接，实现了数据永久保存、数据共享、报表的输出等功能。

一旦出现异常情况，如：水位超限、水位变化速度超限、水位超出传感器的量程、传感器露出水面、钻孔遭破坏、现场出现异常振动、供电电压不足、手机欠费等，上位监控主站会立即进行声光报警，同时按照设定的TC35i的联系人方式，以紧急短信的形式通知到管理人员，以便及时的处理问题。智能水文信息遥测收发器与上位监控主站的无线通信采用公共移动网络的手机短信方式实现，既可靠，费用又低。

2 系统硬件设计

系统主要包括钻孔智能水文信息遥测收发器和监测主站两大部分。遥测收发器和监控主站的数据接口模块均采用ATMEL公司生产的AVR高速8位Harward结构的单片机ATmega128，其内部资源丰富：Flash 128KB、EEPROM 4KB、RAM 4KB、I/O端口48个、中断源16个、外中断8个、SPI、UART、8路10位A/D、ISP功能。具有休眠省电功能(POWER DOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能[1]，这更适合使用锂电池供电的遥测分站的使用，遥测收发器的电路结构框图如图2(a)所示。

由于矿井水文监测钻孔离矿区较远，分布在周边农田里，遥测收发器的使用主要存在两大问题，一是没有专门的有线通信线路可供使用，因此我们采用公共移动网络的手机短信方式，选用可靠性和集成度较高的西门子的GSM通信模块TC35i完成通信任务。二是钻孔边没有供电线路，我们采用的是锂电池组完成对TC35i和CPU及外围电路的供电，因此功耗问题就是亟待解决的问题，为降低功耗，收发器采用定时上电工作方式，每当定时时间到，由实时时钟芯片SD2403产生一个中断触发ATmega128上电工作，测量水位、水温，并计算水文数据的变化，如果水文数据变化超过存储下限值，在EEPROM24C64中存储水文数据和当时的时间并通过TC35i发送；如变化小于存储下限值，则不存储，但仍要发送数据，存储上下限值可以根据当地地理环境设置。同时还要测量TC35i和ATmega128的供电电压并发送。如出现水位超限、水位变化速度超限时，水温超限，供电电压低时则立即发送报警短信，监测主站立即启动声光报警[2]。

数据的存储除了存储在EEPROM外，遥测收发器中利用SPI总线还设计了SD卡接口电路，完成数据的备份，当TC35i不能工作时，仍然能从SD卡中把水文数据从现场读取。

水位传感器采用的是HG500T陶瓷电容液位传感器水位，温度传感器采用的是PT100，水位变送器和水温传感器均需放入水下一定深度，传感器的输出信号经钢丝电缆传输到单片机进行计算处理，因此使用中注意通气管不要堵塞[3]。

监测主站的数据接口模块相对来说功能比较简单，就是不断查询其内部手机模块TC35i的接收短信情况，如发现新短信，则提取水位、水温数据、供电电压数据，通过RS232串行口与上位监控计算机通信，监控计算机通过数据库实现数据的保存，并显示、打印报表。数据接口模块的硬件设计如图2(b)所示。

3 系统软件设计

整个水位监控软件系统和硬件系统相对应，包括水文数据采集系统程序设计、监控主站接口模块数据接收和串口通信程序、上位机监控界面各子VI和串口通信设计三部分部分。

水文数据采集系统程序负责把钻孔的水文数据、电池电压数据进行采集后通过TC35i发送出去。主要包括ATmega128 I/0初始化子程序、定时器初始化子程序、UART口初始化子程序、设置器参数设置子程序、实时时钟数据设置子程序、定时时间到中断服务子程序、A/D转换子程序、串行EEPROM数据存储子程序、TC35i数据发送子程序等。

监控主站接口模块数据接收程序负责把TC35i接收到的短信息数据进行提取、计算、存储，达到报警点时启动声光报警，串口通信程序负责把存储的水文数据上传到上位监控主站。主要包括ATmega128I/0初始化子程序、UART口初始化子程序、TC35i接收子程序、短信息存储子程序、读取TC35i数据子程序、报警子程序、计算机通讯服务子程序等[4]。

监控主站监控界面采用图形化编程软件LabVIEW编程完成，登陆界面和各个监控子界面可以方便快速的设计。串口通信设计直接利用LabVIEW功能模块Instrument I/0的Serial子模块，在该子模块程序库中完成串行通信的一些功能参数设置，如：波特率、数据位、奇偶校验位、停止位、缓冲区大小等，方便快捷。通过串口读取上来的数据在监控界面得表格里进行显示，并给出水位水温的曲线图显示，同时工作人员可以选择不同的钻孔进行数据显示，也可以查询某一个时间段内的数据，以便工作人员根据自己的需要及时地了解每个钻孔的情况[5]。

4 小结

系统的创新之处在于：一是用多种形式完成数据的存储，利用LabSQL与数据库的连接，完成数据的网络共享，较好地满足了矿用及水文监测的技术要求；二是利用LabVIEW设计登陆界面和各监控及参数设置界面简单直接，利用其串口模块，方便的完成了与AVR单片机数据的上传下达。该装置已经在一些矿上投入使用，使用过程表明，该矿井水文监控系统智能化程度高、功耗小，数据传送可靠，能根据不同的地理环境进行相应设置。运行数据表明，如果设置每隔1小时发送一个数据，电池可以达到8个月更换一次，如果设置每隔3分钟发送一次数据，电池也能持2个月，得到用户的好评。

该系统稍作修改后也可用于工业现场液位测量、水文测量与监控、大江大坝水位测量、农业水利建设、地下水测量、污水处理系统等。

[1] 马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[2] 马福昌,郭建珠.地下水位动态监测新技术[J].山西水利,2005，21(1):59-60.

[3] 赵新民.智能仪器仪表设计[M].哈尔滨工业大学出版社,2006.

[4] 张建中,尚效周,刘延芳，等.基于智能传感器的矿井水文监测系统的设计[J].矿山机械,2010，38(5):7-9.

[5] 郭天石.控制系统的虚拟仪器仿真.北京：机械工业出版社，2011.

Design of surface water monitoring based on AVR microcontroller and LabVIEW

CHENG Li-ping，LIU Chuan-xi，TAN Yong-hai

(Shandong University of Science and Technology，Taian 271019，China)

Two key problems must be solved in the surface water monitoring，one is long-distance data transmission problems，the other is the power to the monitor.In order to solve these two problems effectively，the design used Siemens TC35i module and clock timing chips to control the working hours of low-power AVR microcontroller and phone modules.The PC-monitor-interface used LabVIEW software was also simple and clear，it can display real-time data；analyzes the trend of the data-curve；warns much earlier；LabVIEW uses LabSQL connected to the database，completes network share of data，makes the monitoring system easily becoming a network node.The practical of result shows that the design is simple，good controllability，high reliability.

AVR microcontroller；short message；low-power；real-time；visual instrument

2014-04-16

程丽平(1976-)，女，山东济宁人，山东科技大学机电工程系讲师，主要从事智能控制方面的研究工作。E-mail: skdclp@163.com。

TP223

A

1004-4051(2015)01-0146-03