基于单片机的井况信息检测系统

摘 要：因为人工对井桩等的井内图像信息、井深及井径尺寸等测量存在数据难以获取的问题，为此设计了一套基于单片机的井况信息检测系统，主要功能包括井深和井径的自动测量，以及井内的视频图像信息的获取。模拟测试结果表明，本系统具有良好的人机交互性，可以实时将井内视频信息传输到上位机，同时能较准确地反馈井深和井径尺寸。

关键词：井况;自动测量;单片机;人机交互

随着工程建设及农业的快速发展，井桩或者水井成为不可或缺的一种基础形式。[1]对井桩或者水井施工质量进行准确可靠的检测是确保工程施工顺利进行的基础和关键，井桩或水井的完整性和坚固性也与工程建筑或者农业工作的安全性有着内在联系。[2，3]现在基本测量井的深度、直径尺寸等都是人工测量，所以成本高昂，也比较危险。因此根据现实需求设计了一套基于单片机的井况信息检测系统，该系统自动测量井深和井径，并将井内的视频图像信息实时传送到上位机端，并由上位机自动调节设备。

1 系统设计

系统设计主要包括信息采集系统、信息传输系统和信息显示系统3部分，如图1所示。信息采集系统分别包括视频图像信息采集、井深信息采集和井径信息采集。

采用数字式摄像头采集视频图像信息，由CPU控制WIFI无线发射模块[4]将图像信息调制到2.4GHz频带上，再对其进行放大处理，最后通过定向天线发射出去;采用CPU控制激光头测量设备[5]离井底的深度，通过CPU计算后由WIFI无线模块将数据发射出去;井径采用4个超声波测距模块[6]测量直径，通过CPU计算后由WIFI无线模块将数据发射出去;通过WIFI无线模块将接收到的视频、测量数据信息在信息显示系统（上位机）显示，并将上位机的控制信息由WIFI无线模块发送出去。

2 硬件电路设计

该系统信息采集系统硬件部分主要由电源模块、无线通信模块、主芯片控制模块三部分组成。通过上位机控制井上固定平台自动升降来完成深度测量、井下数据采集以及数据传输任务。

2.1 中央处理器

本設计中所采用的处理器为STM32F103单片机，[7]其使用高性能的ARMCortex-M3 32位的RISC内核，丰富的I/O端口，多达9个通信接口，性价比高。其功能：（1）将采集到的井中图像、井深及井径信息打包以后通过驱动模块发送出去;（2）接收上位机发送的指令来执行相应动作。

2.2 电源模块

电源采用LM2576S降压稳压芯片，其主要功能将电源输出的12V电压转换为驱动CPU的3.3V电压，驱动激光测距模块、WIFI模块及超声波测距模块的5V电压，驱动电机和摄像头的12V电压。

2.3 无线通信模块

在设计中无线模块采用高通AR9331芯片，工作电压为5V，但如果直接将视频图像通过WIFI模块传输，接收端收到的视频质量较差，而且传输距离有限。因此在无线发送前添加一个放大器做放大处理。

2.4 传感器模块

为了实现对图像、井深和井径信息的采集，分别采用CMOS摄像头模块、高精度激光测距仪模块及HC-SR04超声波测距模块。

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

图2为井中图像、井深和井径信息采集及发送流程。下位机以Keil-uVision4为开发平台软件开发，主要实现功能是：

（1）将采集到的井中图像、井深和井径信息通过WIFI模块发送到上位机;（2）解析上位机控制命令，并驱动各个模块执行命令。

3.2 上位机软件设计

图3为上位机控制流程，图4为上位机单独执行接收和显示程序。上位机以Visual Studio2008为开发平台软件开发。主要实现功能是：

（1）将采集到的井中图像、井深和井径信息通过WIFI模块接收到上位机并显示;（2）发送对下位机的控制指令。

4 实验分析

系统以自制圆柱形井模型为测量对象，分为多种情况进行井深和井径数据采集与分析。对于井深测量可以分为井底无水与井底有水的情况进行分析，对于井径测量可以分为光滑井壁和粗糙井壁的情况进行分析。实测与机测数据均采用多次测量，取其平均的办法得出最终数据并进行误差分析。无水井深数据如表1所示，带水井深数据如表2所示，光滑壁井径数据如表3所示，粗糙壁井径数据如表4所示。

根据表1～4的平均值可分别算出，无水井深平均值误差为1.61%，带水井深平均值误差为1.49%，光滑壁井径平均值误差为1.89%，粗糙壁井径平均值误差为0.70%。经过多次测量和实验，深度和井径的平均误差基本控制在2%以内;对比表3和表4，可以得出井壁粗糙时所测得的井径数据较井壁光滑时的变化幅度较大。

5 结论

本文设计了一款基于单片机的井况信息检测系统，通过功能需求设计软硬件，该系统可通过上位机远程操作实现井况的实时检测和尺寸采集及对井部图像的采集，人机交互能够达到较好的效果。同时，相比人工操作，效率高，安全可靠。

参考文献：

[1]姚大陆，赵应武.高层建筑深基坑工程施工要点[J].科技创新与应用，2012（10）：203.

[2]Dai G， Gong W. Application of bi-directional static loading test to deep foundations[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering， 2012， 4（3）：269-275.

[3]程睿.钻孔灌注桩桩基完整性对桩承载力的影响研究[D].吉林大学，2007.

[4]王弘扬.井下无线通信模块设计[D].中国石油大学（华东），2015.

[5]樊玉赢.激光测距仪光学系统设计及数据处理方法研究[D].天津理工大学，2013.

[6]吴斌方，刘民，熊海斌.超声波测距传感器的研制[M].西安：西安工业大学出版社，2001：47-60.

[7]孟志鹏，王宝珠，崔亮.基于STM32F103的水格栅处理控制系统设计[J].电子设计工程，2011，19（18）：86-89.

作者简介：张彦农（1991-），男，汉族，甘肃会宁人，本科，研究方向：单片机开发。