基于现有使用井和物联网技术的地下水远程监测系统搭建及应用

周帮平 毛潭 柴帅 梁清爽

[摘 要] 基于现有使用井和物联网技术搭建了地下水远程监测系统，由主机采集传输通信部分、太阳能与市电互补供电系统、液位压力传感器和远程监控管理软件四部分组成，并进行了中试及推广应用，结果表明该系统稳定性能好，适应能力强，为科学利用地下水提供了技术支撑。

[关键词] 农用机井；物联网；地下水；远程监测；工程应用

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.33.170

随着经济的发展，日益增长的用水与水资源短缺之间的矛盾逐渐加剧，水资源的短缺已成为全球性的问题。地下水作为优良水资源也面临着过度开采和水位下降过快的问题，为了实现地下水资源的可持续发展和科学利用，对地下水位进行长期、准确的监测成为科学用水决策的必要条件。[1]水利信息化作为水利现代化的重要内容，是实现水资源科学管理、高效利用和有效保护的基础和前提。在此背景下，搭建地下水位远程监测系统，实现实施县区的地下水位远程监测，对水位信息进行管理及分析，为科学利用地下水提供技术支撑。[2]

1 地下水远程监测系统搭建

地下水远程监测搭建系统主要有四大部分，分别为主机采集传输通信部分、太阳能与市电互补供电系统、液位压力传感器和远程监控管理软件部分。四大部分充分结合，可以实现对地下水监测的科学化、现代化管理，是目前国内农村地下水监测建设的系统解决方案。

1.1 主机采集传输通信部分

主要包括数据采集部分[2]和GPRS远程通信部分。[3]

数据采集部分主要包括I/V转换电路和A/D转换电路。I/V转换电路采用两级运算放大器可以使零点的处理更加方便，运放选用整个信号范围内放大特性平坦的特点，同时单独供电，解决了单片机和运放器供电稳定性问题。A/D转换电路采用16位分辨率A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，电路精度可以达毫米级。

GPRS远程通信部分采用工业级低功耗、高性能嵌入式32位处理器，可靠处理协议和大量数据。内嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP协议栈；外置定时器，内嵌看门狗，继电器断电管理，不死机、掉线自动恢复；抗干扰设计，即使在硬件被锁死，普通看门狗无法服务处理器和通信模块的情况下仍然可以可靠地自动恢复到正常状态；支持GSM拨号唤醒和永远在线的工作模式。通过GPRS模块与GSM网络相结合，利用GSM网覆盖面广、运行可靠、抗干扰能力强等优点，缩短建设周期，降低建设成本。

1.2 太阳能与市电互补供电系统

在项目应用过程中，由于实施县条件限制，大多是市电（农村电网）供电系统。由于农村电网停电、农闲时间不供电、地域或人为因素等诸多客观条件，致使市电（农村电网）供电系统不能长期有效供电。另外，单独的太阳能供电系统在遭遇恶劣天气环境如阴天下雨，或因太阳能板长时间积雪、积尘致使转化效率过低等情况，也不能保证供电系统百分百不间断。为此，需要搭建市电（农村电网）和太阳能互补供电系统。其特点如下。

两个供电系统互相独立，在太阳能供电时，市电（农村电网）与此完全物理隔离。传统的太阳能与市电互补供电系统一般采用太阳能与市电互补型充放电控制器，该方案存在一些不足及隐患，极易因市电（农村电网）的瞬间冲击引起控制器被烧坏，从而不能有效供电。而本供电系统采用物理隔离的方式，有效避免了该情况的发生。

两个供电系统均受蓄电池电压控制，切换严格。当蓄电池电池低于11.5V时，系统自动启动市电（农村电网）给蓄电池充电。当蓄电池电压高于12.5V时，自动断开市电（农村电网）。对于市电（农村电网）供电系统，采用优质电器配件，确保市电（农村电网）供电稳定。市电（农村电网）充电过程迅速，避免农村电网不稳定冲击。双供电系统平时由太阳能供电，安全稳定。如果遇极端天气，如连续下雪，太阳能板上有积雪（10天以上无太阳能充电时），系统启动市电（农村电网）供电，充满后自动断开。该过程大约为4个小时。

1.3 液位传感器

目前，国内大部分的地下水监测设备使用或需要使用专用的观测井，其打井及维护费用耗資较大，而农用机井的使用条件十分苛刻，例如农村电网的宽幅波动、农用电机的强电干扰、农用机井安装条件复杂苛刻等各种限制条件。为此我们对投入式液位传感器的密封性进行了改进及应用。[4]改进后的液位传感器，适应于专用监测井和农用井等多种类型监测井的地下水资源监测，实现了远程地下水监测低成本要求。

液位传感器采用316不锈钢材料经特种工艺制造、激光修正而成，采用隔离型扩散硅敏感元件，利用压阻效应，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号。传感器含有高性能信号调整电路，独特的密封工艺，能够长期稳定地在水下及其他液体中使用。它既有自动零点校正和满量程线性调整功能，又有主动非线性校正和频率响应整形技术，确保传感变送器有较高的测量精度。该传感器内置专用防雷电路，即使在雷电频发现场也可正常工作。

1.4 远程监控管理软件部分

系统监测管理中心包括远程监控管理软件和下位机动态水位/静态水位判定软件。[5]后台服务软件以VC为构架，SQL数据库管理，动态显示水位图形，内容丰富，可实现地下水静水位/动水位变化的判定。

2 系统性能

系统主要具有以下性能。

（1）动态水位/静态水位判定功能：可根据动静水位判定思想判定当前水位状态，为地下水资源进行评价和开发利用提供基础依据。

（2）设置功能：对设备内的各项参数，如量程、水位标高、通信参数等进行设置。

（3）采集功能：采集各监测点水位数据，A/D精度16-bit，采样率为66kbps，线性误差+1LSB（max）。

（4）显示功能：显示各种监测数据、设置参数、工作状态等，内容丰富、直观。

（5）存储功能：大容量数据存储，记录历史数据，断电数据保存十年。

（6）查询功能：监测系统软件可以下载查询各种历史记录。

（7）远程通信功能：内置GPRS模塊，工业级低功耗、高性能嵌入式处理器，内嵌PPP、TCP、UDP、DNS、ICMP协议栈，支持GSM拨号唤醒和永远在线的工作模式。

（8） 远程更新功能：远程程序更新遵循XModem协议，程序更新过程中出现异常不会破坏主程序，可有效实现远程程序更新。

（9） 报警功能：包括输入信号超限报警和设备自诊断报警，报警值可设上下限，可扩展防盗报警、防拆报警。

（10）停电数据发送功能：停电时，有备用电源提供GPRS模块发送停电等异常错误信息到控制中心。

（11）定时功能：定时采集、定时上报水位数据，时间间隔可任意设置。

（12）扩展功能：前端设备有多种扩展槽，可接入各种水量、水温及监测仪表的信号，适用更多物理量监测，如温度、湿度、位移、倾角等。

3 系统中试及应用

本系统在搭建过程中，充分进行了试验，并积极改进，最终完成系统定型设计。主要试验内容包括设备内部器件技术性试验，如分别在-30°C和60°C下保温2小时的耐高低温实验、防电磁干扰测试等；整体设备在各种恶劣环境下运行稳定性试验、太阳能与市电互补供电系统试验、配电箱的设计及试验等。如图1至图4所示。

本系统实验时间历时一年多，实验结果证明，具备完善的耐低温、耐高温、防雷（防雷等级：可抗50A 8/20浪涌信号的冲击）、防水（密封等级：外壳IP67 ，传感器IP68）和防电磁干扰等措施。外壳封装坚固小巧，同时采用太阳能与市电（农村电网）互补双供电系统供电，具有高可靠工业级设计，适合各种恶劣环境全天候工作。

本系统应用于山西省全省地下水动态监控体系建设项目中，共布监测点1540个，覆盖全省115个农业县区，加强了全省地下水动态监控，实行地下水用水总量控制和水位控制，促进全省地下水止降返升，为省政府目标责任制考核提供科学依据。

参考文献：

[1] 谢和平，许唯临，刘超，等.地下水利工程战略构想及关键技术展望[J].岩石力学与工程学报，2018，37（4）：781-791.

[2] 张从鹏，贺慧蕾.基于ARM9的地下水位远程监测仪的设计[J].传感器与微系统，2011，30（4）：102-104.

[3] 徐尧铮，毛潭，段震.基于GPRS的地下水位监测系统的实现[J].现代电子技术，2012，35（15）：49-51.

[4] 毛潭，张广涛，张勇杰，等.投入式液位计的密封性改进实验研究[J].科技视界，2016（21）：76-77.

[5]LI W，WANG X M，LUO X K.Wide range undergroud water level dynamic information monitorin network system [J]. Applied mechanics and materials，2013（373）：743-751.

[基金项目] 2015年北京市优秀人才培养骨干计划；北方工业大学2017年优秀青年教师培养计划（项目编号：XN019012）。

[作者简介]周帮平（1990—），北方工业大学硕士研究生，研究方向：嵌入式系统开发；毛潭（1982—），硕士，北方工业大学副教授，研究方向：数字化制造技术与装备。