高寒地带地下水动态在线监测系统设计与应用

，建伟，，

(中国地质调查局 a.水文地质环境地质调查中心；b.国土资源部地质环境监测技术重点实验室， 河北 保定 071051)

高寒地带地下水动态在线监测系统设计与应用

张磊a,b，张建伟a,b，冯建华a,b，袁爱军a,b

(中国地质调查局 a.水文地质环境地质调查中心；b.国土资源部地质环境监测技术重点实验室， 河北 保定 071051)

针对高寒地带极端恶劣的气候环境及地下水监测野外工作的现状，研制一套环境适应性强的地下水动态在线监测系统。系统主要由水位探头、远程数据传输装置及终端平台组成。采用通用的1号碱性电池作为电源，维护方便。从系统的硬件及软件2部分着手，采取多项措施来降低仪器功耗，提高稳定性，重点解决监测仪器在低温环境下的可靠性。野外试验表明系统运行状况良好，经受住了高寒气候下的低温环境的考验，实现了系统的自动化采集及远程传输，提高了工作效率。

高寒地带；地下水动态；在线监测;低功耗；远程传输；可靠性

1 研究背景

高寒地带是由于海拔高或纬度高而形成的特别寒冷的气候区，其主要特征是冬季时间长，天气寒冷，气温变化幅度大。虽然进行高寒地带地下水动态监测极其重要，但是由于高寒地带所处地理位置的特殊性及其环境恶劣性，该地区的监测工作具有一定的困难[1]。随着互联网时代的来临以及计算机技术的迅速发展，各类新型地下水监测仪器涌现出来，野外地下水监测工作也发展为在线远程传输，极大地减轻了工作量，提高了工作效率,但其在高寒地带的推广应用效果却不理想。

一般监测仪器在常温下能够稳定工作，但却无法适应高寒地带的工作环境，其工作精度、稳定性、可靠性都会下降，甚至会有损坏的情况发生，造成野外工作无法进行，达不到实时监测的效果。考虑到高寒地带恶劣环境的自然条件以及社会环境，例如交通不便、气温过低、当地人口文化程度低、维护技术不高等，在设计野外地下水监测点时需要着重加强仪器设备的可靠性、自动化程度、操作性及环境适应性等[2]。环境温度对于仪器的影响是必须要面对的重要问题，提高高寒恶劣气候下的地下水监测仪器的可靠性和稳定性是非常必要的。

2 仪器的可靠性研究

仪器在高寒地带野外工作会受到极寒恶劣环境的考验，能否在如此气候环境下可靠运行，是设计地下水动态在线监测系统的关键。为此，依据可靠性的理论，考虑到使用地区的特殊性，设计处在低温气候环境下依然能稳定工作的系统，保证地下水动态数据可靠性和安全性[3]。对野外运行的仪器提出了以下几点可靠性的要求。

(1) 防寒性能。野外监测点都分布在高寒地带，其气候环境恶劣，对仪器设备的可靠性要求很高。高寒地带极端气温甚至有-40 ℃的情况出现，仪器在如此恶劣的环境下也要能保证正常工作，在保证监测信息的正常获取外，对仪器的防寒性能有非常高的要求。

(2)供电电源。地下水的野外监测供电电源方式主要有：交流电、太阳能电池、锂电池和干电池4种。高寒地带地下水的监测是一项艰苦而重要的工作, 因为监测地点往往处于野外，交通不方便，有地方还没有通交流电[4]。太阳能电池的优点是可持续供电，但是野外安装较复杂，而且暴露在野外，容易被破坏。锂电池容量较高，但受温度影响较大，低温性能差，不能保证供电的可靠性。考虑到日后系统维护的便捷性，综合各种原因，选用1号碱性电池作为供电电源。

(3)数据传输方式。野外监测点数量多，距离远，如果采用有线方式传输，依靠人工现场采集费时费力，在野外偏远的高寒地带十分不便，所以采用无线远程传输。数据能否正常通信影响着整个监测系统的可靠性。考虑地下水监测工作的特点，每天只需要采集一个或者几个数据就可以满足工作的需要，每次采集的信息也不是很多，所以采用GSM短信方式的传输。在发送短信过程中与中心站不需要双方握手，耗电量小，采用短消息传输数据成本低，在传输过程中数据不易丢失。综合其多种优点,GSM数据传输方式在高寒地带地下水监测中是非常适合的一种方法。

3 系统总体设计

3.1 整体结构设计

地下水动态在线监测系统主要由前端水位探头、数据传输终端、中心站等部分组成。主要工作流程为前端水位探头进行水位数据的采集，数据传输终端按照设定的时间将前端的监测数据取回并处理保存，同时发送GSM至中心站。对于不同的监测点，GSM模块所用的SIM卡是不同的，以此来区分各个不同的被测点[5]。中心站完成GSM短信的接收及数据的解析，最后存储至监测系统数据库。整个系统主要针对高寒地带的恶劣气候，在低功耗设计上进行优化，包括电路板的设计，去掉不需要的功能，采用功率小的元器件等。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构Fig.1 Frame diagram of the system

3.2 水位探头的选择

水位探头是整个监测系统的关键，关系到整个系统的可靠性。为了保证在恶劣环境下工作的稳定性及监测数据的有效性，选用了进口绝压型硅压阻式水位探头，其型号为Rugged Troll 200，内置电池，不需要外部供电，性能完全满足在高寒地带下的工作需求。

3.3 数据传输终端

数据传输终端是整个监测系统的核心部分，负责记录监测井所处位置的环境变化因素。数据传输仪器包括监测数据的传输和外界气压的采集，其中气压的采集频率与水下的数据采集系统采样频率一致。当数据传输仪器中的定时系统定时时间到达时，数据传输仪器被启动并同时唤醒井下的数据采集系统，将井下的水位、水温以及数据传输仪器采集到的气压数据一并传送到控制中心站，完成一次数据上传。为满足高寒地带恶劣的监测环境的要求，系统充分考虑了低功耗的要求,在硬件设计时，选择性地关闭暂时不用的芯片和内部模块的时钟中央处理单元，选用低功耗工作模式，平常处于睡眠模式。当需要采集数据时,通过时钟中断唤醒数据采集,结束后,系统重新进入低功耗模式[6],数据传输装置和井下设备掉电，进入休眠状态。

数据传输仪器的基础功能模块由以下几部分构成：微控制器、时钟模块、传感器模块、存储模块、逻辑控制模块、电源模块、接口模块以及通讯模块。整体功能框图见图2。其中通讯模块以及部分电源模块构成远程通讯子系统，其他模块构成主控制系统。由主控制系统定时控制通讯子系统自动工作，完成数据的采集以及远程发送。

图2 功能模块框图Fig.2 Diagram of functional modules

3.3.1 微控制器

采用德州仪器公司MSP430系列单片机作为主控制核心，该系列微控制器专门针对微功耗系统应用设计。芯片内集成多种智能外部设备，可以最大程度地简化监测方案，实现“单片系统”的要求。其负责整个系统的定时采样，数据处理、外围通讯以及短信收发等功能有序地进行。

3.3.2 时钟模块

实时时钟系统为整个监测系统提供一个标准稳定的时钟基准，协调监测系统各部分的统一运作。时钟系统的核心采用ISL12026时钟芯片，该时钟芯片外围器件少，只需要一只32.768 kHz的晶体即可稳定运行，并且提供一个辅助供电引脚。当主电源电压低于某个阈值时，时钟芯片自动切换到备用电源供电，保证用户的时间信息不丢失。内部包含时间报警寄存器、实时时钟寄存器等信息存储空间，采用标准I2C总线通讯。当实时时钟运行到事先设定好的时间点时，由芯片的时钟报警引脚给出一个低电平，微控制器可以根据该引脚状态进行相应的处理，也可以用作系统的上电唤醒源[7]。

当用作整个电路的上电唤醒源时，该报警引脚经组合逻辑电路后连接为控制电路，提供稳压电源芯片的使能引脚，控制电源芯片的打开与关闭，使得平时系统休眠时，不工作的部分处于断电的状态。只有当时钟运行到采样时间或者需要传送数据的时间，才打开供电，尽最大可能节约功耗，延长电池使用寿命。

3.3.3 电源模块

系统的电源主要分2路，一路单独作为GSM DTU的供电电源;另外一路电源经过二次稳压后分成可断供电和常通供电2部分。其中可断部分为平时休眠的部分供电，包括MSP430微控制器、气压采集电路、存储器等；常通部分为不能停止工作的器件和模块进行供电，包括时钟模块、通讯接口等电路。可断部分的电源可以由软件设定好的频率，到达工作时间后进行启动，实时时钟的定时信号唤醒整个系统，工作完成后又进入低功耗模式，同时还可以利用PC机的串口接口的电平指示信号唤醒系统。通过软件和硬件的控制和配合完成整个系统的上电与休眠，极大地降低了系统功耗。

3.4 数据传输终端与探头的通讯

地下水采集仪器与通讯仪器间的交互协议参照Modbus标准协议实现。Modbus提供了一个主/从装置读写数据的信息结构，还提供了扩展的协议以允许定制信息结构。In-Situ坚持执行标准的读/写信息结构，Modbus并未在标准信息结构中提供适用的文件传输信息的结构。为了弥补这一功能，In-Situ使用拓展协议来从满足从In-Situ设备下载数据文件的需求。

3.5 监测数据GSM通讯格式

根据监测实时性、使用环境等方面的要求，综合考虑数据传输方式类型，选择适宜的报文正文、要素编码组合，确定适合于信道传输的单帧报文长度。采用统一规范的数据通信格式，数据通信报文格式内容按照先后顺序包括数据帧头、设备类型代码、通讯主机供电及内存使用状态、大气动态变化数据、水位仪供电及内存使用状态，以及地下水动态变化数据等。

3.6 主控电路板的软件流程

硬件控制软件运行于通讯仪器的微控制器中，负责协调微控制器的各个功能外设，以及构成整个通讯仪器的功能模块间的信息交互和逻辑控制等操作。其软件流程如图3所示。采用C语言编写通讯主机的控制软件，该控制程序主要协调上位机与通讯主机的微控制器之间的信息沟通，解译上位机管理软件发出的命令以及各种参数，并将通讯主机作出的各种响应整合成通讯包，按照规定的协议规则发送至上位机。该控制软件采用“模块化编程”为指导思想，整体软件方案被划分为不同的功能模块，方便后续的功能升级以及代码维护。

图3 软件流程Fig.3 Flowchart of software

3.7 数据库信息系统

系统采用客户/服务器(C/S)模式开发模式实现。在微软提供的.NET平台上采用C#语言进行二次开发，开发工具采用Visual Studio 2005。信息平台软件主要包括数据接入部分、设备信息管理、数据管理等几部分,通过客户端连接互联网，根据自有的账户密码即可随时随地远程访问数据库、浏览监测点的水位信息、查看历史数据、了解动态曲线变化等。实现从数据采集、数据传输与处理、数值计算分析到成果可视化的科学实验全过程信息化[8]。

4 野外示范应用

监测井施工完成后, 每个自动监测孔安装孔口保护装置，并将传感器放置在井下。监测仪器安装在井口保护装置内，可防间接感应雷电、强风、暴雨、低温、高湿等自然因素的干扰和人为破坏，保证自动监测仪器能在野外无人值守的条件下正常工作。

地下水监测系统在黑龙江、青海、甘肃、内蒙古等高寒地带进行野外安装，开展整套系统的应用。青海可可西里监测点于2013年10月20日安装，一直运行至2015年12月25日停止工作。每天发2次数据短信，期间没有更换过电池，野外传输装置用普通1号碱性电池在高寒地带坚持正常运行了26个月。部分监测曲线如图4所示。

图4 可可西里QZXM-3监测井水位标高曲线Fig.4 Curve of water level at monitoring well QZXM-3 in Hoh Xil

黑龙江省富锦市监测点于2014年安装，在满足监测需求的基础上，尽可能地节省电池电量，设定监测系统每天中午12点发送一次短信数据，因为中午12点基本上接近当天气温最高值，这时进行设备的工作可降低对电池的损耗。通过每天12点井口保护装置内气温监测曲线，可以看到当地中午12点时，气温0 ℃以下的时间有4个月，-10 ℃以下的时间有1个月，期间甚至到-20 ℃。根据查询到的监测点地区历史气象资料可知，设备工作期间最低气温达到-30 ℃。部分监测数据曲线如图5所示。

图5 富锦市HY-K1监测井水位标高和气温曲线Fig.5 Curves of water level and air temperature at monitoring well HY-K1 in Fujin city

5 结 论

系统在多个区域进行了长期运行，积累了大量的高寒地带的实际运行经验，系统的稳定性和易用性也逐步得到完善。解决了仪器设备的稳定性、低功耗、密封防水等一系列关键技术问题，实现了高寒地带地下水动态监测数据的远程传输。同时，该系统通过多年的示范运行，特别是经历了春夏秋冬四季的考验，进一步验证了仪器在高寒地带野外工作的可靠性。但是鉴于高寒地带环境的复杂性和特殊性，一些监测点还存在着通信网络信号较弱甚至没有信号的情况，对仪器的数据传输造成了一定的影响，可以考虑以后在信号质量较差的地区采用北斗卫星进行数据传输的工作方式。

[1] 齐雁冰,常庆瑞.高寒地区荒漠化动态监测技术构想[J].水土保持通报，2004，24(4):44-46.

[2] 吴 敏,杨 原，王玉群，等.探讨高寒地区独立光伏发电站的设计[J].西藏科技，2016，(5):75-76.

[3] 杨春霞.基于B/S的高寒地带水文遥测预警系统的研究与开发[D]．武汉：武汉理工大学，2011.

[4] 冯苍旭，史 云，陈 实.用掉电方式解决长期监测仪器的功耗问题[J].水文地质工程地质,2000，27(3):57-58.

[5] 熊 萍.分布式数据环境下煤矿水文监测智能预警系统研究与开发[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[6] 任杰林,秦建敏,黄晓辉,等.南极中山站周边水环境冰情监测系统的设计与研究[J].数学的实践与认识,2013,43(1)：91-96.

[7] 张 磊,冯建华,袁爱军,等.物联网在高原寒区地下水监测系统中的应用[J].自动化仪表,2016,37(2):54-56.

[8] 周力峰,刘 文,张治中.云计算在水利科研信息化中的地位与作用[J].长江科学院院报,2014,31(9):110-114.

Design and Application of an Online System forGroundwater Monitoring in High and Cold Region

ZHANG Lei1,2, ZHANG Jian-wei1,2, FENG Jian-hua1,2, YUAN Ai-jun1,2

(1.Centre of Hydrogeology and Environmental Geology Survey, China Geological Survey, Baoding 071051, China; 2.Key Laboratory of Monitoring Technology of Geological Environment of Ministry of Land and Resources, China Geological Survey, Baoding 071051, China)

In view of the extreme climate in high and cold region and the field work conditions of groundwater monitoring, an on-line monitoring system with strong adaptability to the environment is developed. The system is mainly composed of water level sensor, data transmission module and central station. With D size battery as power supply, the system is of convenient maintenance. A number of measures in terms of hardware and software are taken to reduce power consumption and improve the stability and reliability of monitoring instruments in low temperature. In field test, the system operates well in cold weather. Automatic collection and remote transmission are accomplished to improve the working efficiency.

high and cold region; groundwater dynamics; online monitoring; low power; remote transmission; reliability

2016-09-18；

2016-10-21

国土资源部公益性行业科研专项(201411083-4)；中国地质调查局地质调查项目(DD20160288)

张 磊(1982-)，男，河北保定人，高级工程师，硕士，主要从事地下水监测技术的研究与应用。E-mail:zhanglei@chegs.cn

10.11988/ckyyb.20160954

TP29;TH86

A

1001-5485(2018)01-0147-04

(编辑：罗 娟)