基于无线通讯技术的渠道在线测流系统设计

买买提明·肉孜

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆莎车县844700）

基于无线通讯技术的渠道在线测流系统设计

买买提明·肉孜

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆莎车县844700）

我国是一个农业大国，农业灌溉的水资源利用率还较低，许多灌区都存在水资源分配和利用不均衡的问题，各种渠道的测量设备新旧不一，先进与落后并存，导致渠道水资源分配缺乏必要的数据支持。在分析渠道现有测流技术的基础上，结合目前发展现状和未来的发展方向，设计了以压力式流量计、步进电机、机械传动装置、单片机和计算机等组成的渠道测流系统，实现了渠道测流的自动化，具有良好的推广应用价值。

无线通讯；渠道；灌区；在线测量

引言

农业灌溉的水资源利用率还较低，许多灌区都存在水资源分配和利用不均衡的问题，各种渠道的测量设备新旧不一，先进与落后并存，导致渠道水资源分配缺乏必要的数据支持。现有的灌区量水方法主要有浮标、水尺、流速仪等仪表，量水堰等特设设施和渠道上的闸、渡槽等水工建筑物。浮标、水尺使用简单，成本低廉，但测量精度较低［1］。量水堰等特设设施和渠道上的闸、渡槽等水工建筑物，均可以根据对应的理论公式和实测水流数据，求得相应的流量。这种方法操作简单，但对建筑物的断面形态，水流条件要求比较严格［2-3］。流速仪结合水位计可以测量标准渠道断面的流量，测量精度较高，但计算较为复杂，要求渠道断面要顺直光滑、水流稳定均匀，水中无杂物。仪表类流量计由传感器和测量仪表组成，测量的流量较小，可以直接量出流量数值，精度较高［4］。随着无线通讯技术、计算机信息技术、仪器仪表制造等技术的发展，测量设备自动测量、记录数据，通过无线通讯技术可以实时传输到管理系统中，使管理者可以更合理地分配水量，实现水资源利用效益的最大化。目前，明渠流量的测量装置主要有差压式、电磁式、容积式、涡轮式和超声波式流量计，这些装置有精度、适用条件、或经济性等方面的不足之处［5-6］。本文利用压力式流量计、步进电机、机械传动装置、单片机和计算机组成的渠道测流系统，改进了上述测量装置的弊端，优化了测量效果。系统的结构框架如图1所示。

图1系统结构框架

1测流系统的原理

随着无线通讯技术的发展，测量设备实现了自动测量和记录数据，管理者可以更合理地分配水量，实现资源利用最大化。本文设计的测流系统主要测量依据为“流速-面积法”。计算机通过无线通讯技术控制单片机，单片机与步进电机相连并控制步进电机在渠道断面水平方向移动，步进电机与水平机械传动机构相连，并控制压力式测流装置移动和升降［7］。测流装置上有10个压力传感器，在同一高度处2个为1组，共有5组，如图2所示。

每组中一个平行水流方向、测量动水压力，一个垂直水流方向、测量静水压力，可以测出每一组所在位置的测点流速。将不同高度处的5组测点流速取平均值则可以得到测线流速，通过步进电机控制测流装置移动可以测得断面不同测线的流速，进而求得测流断面的流速，最后将数据传入计算机，经计算可以求得测流断面的流量。使用伯努利方程即可确定流速与压力的关系：

图2测流装置

式中：P—压强，Pa；ρ—水的密度，kg/m3；v—流速，m3/s；g—重力加速度，取9.81m/s2；h—水面高度，m；C—常数。

由式（1）可以得出，高度相同时，流速增加，压力减小。本文设计的装置在同一水平面安装了2个压力传感器，分别平行和垂直于速度方向。测压原理为：

本文设计的测量系统通过测流装置平行和垂直水流方向的多组压力传感器测量流动参数，通过单片机控制步进电机，进而控制机械传动机构移动、升降，并测量出测点流速、测线流速，通过计算求得断面流速和测流断面流量。整个系统通过主控制器的电路、信号采集电路、传动机构电路的设计，实现了测流断面数据的自动采集。下文将重点对在线测流系统电路部分进行设计。

2在线测流系统设计

2.1主控制器的电路设计

单片机是测流系统的控制部分，它控制着电机等模块的工作，进行信号接收与数据处理，并输出到计算机。其主要控制模块如图3所示。

图3主控制板的主要模块控制

主控制芯片可以将流量计采集的信号依序传输到单片机内，进行处理后可以直接在显示屏上显示，也可以通过STC单片机控制的无线模块传输到电脑里，便于进一步操作、处理，除采集信号外，还有驱动步进电机左右移动的功能。主控芯片电路如图4所示。通过微分型复位电路和时钟电路，单片机可以实现启动前复位，保持系统稳定，避免死机，工作依时间顺序进行。

图4主控芯片电路

时钟电路是控制单片机内部工作电路最重要的部分，可以改变触发器状态，使内部电路稳定有序进行，对每个指令进行检测。STC12C5A60S2的时钟信号可以由外部时钟信号引入或利用自身振荡电路产生。当多个单片机组成系统时，使用外部时钟信号。本次选用内部时钟信号。

2.2信号采集电路设计

根据测流要求，测流系统共需测量20路电压信号，需要设计1个20选1的选择器。采集系统由2片CD4097和1片CD4052组合而成，无需人工录入，节约了人力资源和成本，避免了人为因素导致的数据错误，具有很高的工作效率和录入准确度。CD4052是双4选1的多路模拟选择开关，负责4个电压值的采集，包括A、B输入端和INH输入。CD4097是双8选1的数字控制模拟开关，负责5个电压值的采集，包括A、B、C输入端和INH输入。CD4052具有电压范围广、导通阻抗低、截止阻抗高、静态功耗低、可以实现数字与模拟电平转换和解码二进制地址，并且能开关匹配等特点。CD4097具有低导通阻抗、低截止电流、内部译码、导通电阻稳定，且可以形成数控网络、多路分配器等特点。

2.3传动机构电路设计

传动机构是通过步进电机带动的，而步进电机则是由单片机控制的，在控制电路和驱动电路之间设置光耦隔离电路，可以提高2者连接的稳定性和可靠性。光耦隔离电路的原理是经过其隔离的脉冲信号传入驱动步进电机的晶体管电路，将电阻两端分别串联晶体管集电极和电机绕组，从而实现快速启动，在驱动电路中增设泄放电路，能迅速释放绕组里的电流。根据测流系统的要求，选用两相步进电机。

3无线电通讯技术数据传输

3.1无线模块的选择

无线通讯模块和通信模块电路可实现单片机与上位机之间的数据传输。目前，信号传输方式主要为有线传输和无线传输2种方式。有线传输具有速度快、信号稳定、带宽大、辐射轻微等优点，但是也有成本高、铺设施工困难、周期长、维修难度大等缺点。与有线传输相比，无线传输的优势主要表现在成本低、适应性强、可扩展、易维护等方面，但是与有线传输相比也有如速度不够快、安全性较低等缺点。目前常用的无线传输技术主要有蓝牙、红外、超带宽、Wi-Fi、射频和紫蜂等。这些技术有着各自不同的标准和特点，适用范围也不同。由于测流系统多布设于野外环境中，考虑到工程进度、施工难度和经济性等方面，选用无线传输中的射频技术作为信号传输的方式，选用nRF24L01射频模块，由内置发生器、放大器、振荡器、调制解调器等部分组成。

3.2通信模块电路

单片机通过控制测流装置采集信号和通过IO口控制无线模块传输信号，并将数据通过串口显示到电脑。无线模块的电路如图5所示。

单片机的工作电压为5V，nRF24L01射频模块的工作电压为3.3V，存在电压差，不能直接连接，为此在2者之间设置了正向低压降稳压器，以平衡2者之间的压差。单片机通过串口RS232与上位机进行通信，但串口与单片机的逻辑电平不匹配，上位机输出的是EIA电平，单片机则是TTL电平。通过DS232A-N芯片可以实现单片机与上位机之间的电平转换，建立通信联系。DS232A-N芯片在不另接电源的情况下，通过2个内置的电荷泵，可以将电压由+5V变为±10V，从而实现单片机与上位机之间的电平转换。

图5nRF24L01控制电路

4结论

在分析渠道测流技术的基础上，结合目前发展现状和未来的发展方向，设计了以压力式流量计、步进电机、机械传动装置、单片机和计算机等组成的渠道测流系统。通过测流装置平行和垂直水流方向的多组压力传感器，以及单片机控制步进电机进而控制机械传动机构移动和升降，可以测出点流速、测线流速，进而求得断面流速，经过计算可以求得测流断面的流量。通过主控制器的电路、信号采集电路、传动机构电路的设计，实现了测流断面数据的自动采集。通过对无线通讯模块的选择和通信模块电路的设计，实现了单片机与上位机之间的数据传输，实现了渠道测流的自动化，具有良好的推广应用价值。

［1］尚德功.人民胜利渠灌区水资源实时监控系统建设［J］.人民黄河，2013（09）：95-96+102.

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［3］郭荣祥，马磊，马和平.基于GPRS的灌区明渠测流系统研究与设计［J］.自动化与仪器仪表，2010（05）：92-94.

［4］辛忠，刘天，张靖，等.河南黄河水量调度管理研究［J］.水利技术监督，2013（01）：19-22.

［5］张思强.渠道及沟道简易测流方法探讨［J］.水利规划与设计，2013（08）：26-28.

［6］陈立革，张传刚，张体刚.位山灌区进水闸量水方法应用探讨［J］.水利技术监督，2013（04）：42-44.

［7］曾国雄.一体化测控闸门自动化系统在疏勒河昌马灌区的应用［J］.水利规划与设计，2014（05）：41-45.

TV698.1+6

B

1008-1305（2016）03-0010-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.006

2016-04-02

买买提明·肉孜（1980年—），男，工程师。