远程分布式地下水位监测系统研究

于咏梅

（河南黄河水文勘测规划设计院有限公司 郑州 450099）

水位检测体系主要应用于水井、水库以及河流等，并实时检测水位动态变化，进而提前对自然灾害进行有效预防。传统的水位监测仪器具备简单的测量以及数据回传功能，实际应用的范围比较狭窄，且仪器设备可操作性较低，适用于单点或者少量的检测点的检测。应用远程分布式地下水位检测系统，用户可以通过远程网络进行浏览、操作等工作。同时，用户还可以在数据库上搭建数据服务器对检测数据进行实时的存储备份，显著提高水位监测平台的安全性以及可靠性。

1 水位监测系统概况

水位检测系统具有统一的客户端，并将系统功能集中在服务器设备端口上，充分简化各个系统的开发、使用以及维护等功能[1]。水位检测系统可以投影在4.7 英寸的显示屏中，通过对各个设备进行参数设置实现远程操控，也可以在现场进行参数设置，其具有十分简便、集成度高的特点。另外，水位检测系统存在后备电源供电接口，充分保证电子设备在停电后可以继续运行，并将各个设备进行连续24h 的数据存储，充分保证水位测量数据的安全性。

水位监测系统按建设结构进行划分，可以将其分为客户端、本地服务端两个不同的部分。客户端可以通过网络浏览器对服务端的程序进行升级，并访问客户端[2]。服务器端口则可以对水位监测进行数据采集以及存储工作，并将监测所得数据进行回传。同时，服务器端口可以对采集的水位数据处理以及存储，进而提供更多的数据存储工作，且无需对其进行维护，只需要工作人员定期接收以及控制即可，框架拓扑图如图1。

图1 框架拓扑图

水位监测系统可以对本地服务数据进行存储，并对数据进行实时的回传工作，进而对检测数据进行自动备份等工作，显著提高水位监测系统的安全性[3]。这一系统作为服务器中的存储介质，进而实现数据扩展等工作，最终实现连续存储一个月数据，一旦发生掉电也能保证数据的安全，避免发生数据丢失的情况。在实际数据建设的时候，同时开辟一条实时的水位监测数据链接，保证数据库服务器以及数据链接的对接，最终实现数据管理。

水位监测系统通过TCP/IP 协议组网，设置网络配置参数以及局域网络接通系统。监测人员在现场进行水位检测的时候，可以通过局限网将数据传输到数据库，让用户进行实时的调用。数据库相关服务可以充分满足实际建设的需求，并采用数据库的调用需求。水位监测系统作为一种轻量级嵌入式服务器，这一服务器具有跨平台的实际能力，且这一服务平台具有跨平台的功能，并在系统中进行运行[4]。

2 水位监测装置方案的设计

远程水位监测系统包括液体变送器、供电电源、采集卡、主控板、液晶触摸屏以及网络接口等。系统水位探头常使用高精度液位变送器，输出的电流型模拟信号，信号传输线缆的实际长度为50m。系统主机的组成部位包括采集模块、主控模块：采集模块主要是通过对电流型信号，并通过单片机以及主控板传输数据；主控板主要是通过对接收到的数据处理、参数设置、存储以及远程数据进行远程传输等相关功能。

压力式水位传感器主要是通过压力以及水的正比关系，对水位进行实际测量，传感器作为一种压敏元件，当传感器被固定在某一个水位点进行测量的时候，压力与水柱的高度成正比例关系。在测量的时候，还能间接测量水柱的实际高度，进而在水柱高度转换成井孔水位埋深[5]。

3 水位监测装置方案硬件设计

3．1 选择水位传感器采样电路

选择整个测量的探头，需要选择电流型输出液位变送器，应用24 V 的直流电压来实施供电，其整体的输出范围在4～20mA 之间，而其分别能够对应相应的水位深度0m 和10m 之间，而整体的测量水柱深度的满量程需要在0～10m 之间，整体的精度需要保证在0.2%满量程之内，这个传感器抗干扰能力强且能进行远距离传输。

3．2 做好数据处理模块

数据处理模块功能结构需要做好水位数据的采集，保证守时，并且做好数据的组合传输的功能。应用STM32F101 RBT6 的微处理器来实施24 位的A/D 进行控制，做好时钟芯片的同步，再应用数据信息与时间封装组成一个数据包，应用串口与ARM9的核心板卡实施通讯。

3．3 系统供电切换机制

为了能够更好地保证整体设备持续工作，需要由系统来实现供电，主要包含主电源和备用电源。主供电电源需要接入220V 的交流电，还需要经过电源适配器为其提供+15V 的电压，而备用电源需要应用12V、100Ah 容量的蓄电瓶进行供电。

4 系统测试数据总结概述

对水位进行测量的环境温度以及环境湿度需要在27℃与82%的环境下进行，最后在室内进行测量。同时，测量人员使用的工具需要为直径5cm、深度2m 的透明玻璃管以及卷尺，使用这些数据进行测量。对实验数据测试的时候，需要在透明玻璃管内注满净水，并将卷尺以及玻璃管表贴固定，同时间隔20cm 进行一次标定测量，一共测量5 组。测量人员需要将水位测量设备安装在地震监测台下，并将水位探头安放在距离水面深度为5m 的位置，使用信号线缆对其进行固定。工作人员安装结束后，需对其进行长时间的数据测量。

由于测量的地下水属于地球表层的水位，且受到潮汐应力的水位变化影响。地球表层存在的潮汐应力会随着地球实际运动进行规律的变化。当地球潮汐应力增大的时候，含水岩层会出现膨胀的情况，且含水层的孔隙水压显著下降，且井水位逐渐出现下降的情况。当潮汐应力逐渐增大的时候，含水岩层会出现压缩的情况，且含水层的孔隙水压升高，井水位上升。通过分析数据发现，上述水位数据曲线与地球固体潮汐的变动完全吻合，当天水位变化量约0.06m。

5 结语

综上所述，水位检测装置的精准度以及稳定度可以基本满足当前地下水监测的需求，并符合水位勘察、转孔测量等工程领域的实际要求。本文设计的水位检测仪器设备实际性能不低于同类检测仪器。另外，检测仪器还能实现远程传输的要求，有效解决现场人工传输数据的需求以及问题。该水位监测装置已应用在三峡井网水体流动观测站，并长期进行井水固体潮观测，目前运行正常