齊齊哈爾醫(yī)學院水箱水位失控報警系統(tǒng)控制方案

石長玉

齊齊哈爾水務集團，黑龍江齊齊哈爾 161000

1 系統(tǒng)背景及設計目標

一般為節(jié)約用地都將泵房設計在地下，但水箱跑水導致水淹泵房和設備，造成不必要的損失，屢見不鮮。齊齊哈爾醫(yī)學院消防水池和生活水池位于一號樓地下負二層，水箱進水由水位浮球閥控制，醫(yī)學院為防止水箱進水浮球機械疲勞，造成重大損失需要把水位信號傳到六號樓消防控制室和保安監(jiān)控室。

本方案的通過對水箱水位自動檢測和無線傳輸設備，達到以下設計目標：1）設備自成系統(tǒng)，除了電源以外，無需額外的硬件設備支持，檢測數(shù)據(jù)通過串口直接輸出；2）安裝、維護簡單；3）系統(tǒng)自帶網絡配置軟件，操作簡便。

本系統(tǒng)完成水位檢測，并將水位傳感器的數(shù)據(jù)通過無線網絡的方式傳輸回消防監(jiān)控中心。這樣就不需要像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式那樣，進行長距離施工、布線，才能夠將數(shù)據(jù)傳輸回控制中心，減少了安裝和維護上的困難。

2 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)由系統(tǒng)電源、水位傳感器、數(shù)據(jù)采集控制設備、無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送終端、無線數(shù)據(jù)接收終端組成。其中前四個部分構成前端采集設備，安裝在水位采集現(xiàn)場，系統(tǒng)電源為整機提供穩(wěn)定可靠的電源；水位傳感器完成水位的檢測；數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)完成對水位傳感器輸出RS485 信號進行采集、分析，另外完成對無線模塊、硬復位系統(tǒng)的控制；無線終端完成數(shù)據(jù)的網絡傳輸。無線數(shù)據(jù)接收終端是一臺無線終端，它通過無線網絡得到前端采集設備獲得的數(shù)據(jù)，并將無線數(shù)據(jù)轉換成RS485 總線數(shù)據(jù)輸出。

2.1 水位傳感器安裝

由于本檢測系統(tǒng)是測量水箱進水口處水位，即對流動的水測量液位。傳感器與放大電路均在不銹鋼全密封殼體內，投入液體中的部分為全密封不銹鋼結構。安裝時在水中插入一根Φ45左右的鋼管，然后將其投入其中防止干擾。

2.2 檢測系統(tǒng)構成及特點

系統(tǒng)具有實時性：實時在線監(jiān)測。采用無線網絡技術的無線檢測系統(tǒng)，將水位傳感器的輸出信號，通過AD 采樣，轉換成無線網絡可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，傳輸?shù)较辣O(jiān)控中心，實現(xiàn)了對水位進行實時在線檢測，真正做到了遠距離遙測。

1）傳感器部分

選用中美合資麥克傳感器公司的 MPM4700 型智能液位變送器，該傳感器的特點是：全不銹鋼結構，體積小；與介質接觸的材料為陶瓷，可抵抗較強的壓力沖擊；頂部不銹鋼帽可拆除，即可防止膜片的意外損壞，又便于定期清洗，不易被堵塞。

2）無線數(shù)據(jù)傳輸設備

本方案中，設計了三種無線數(shù)據(jù)傳輸方式，它們各有優(yōu)缺點，下面先對三種無線傳輸方式做具體說明。

（1）無線 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸方式

GPRS 模塊在水位檢測點和電站監(jiān)控機房內均需要分別安裝一個GPRS 模塊，它主要完成數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。GPRS 其實是手機連接互聯(lián)網的分組交換協(xié)議，這就可以使得GPRS 設備成為一個互聯(lián)網設備，便于數(shù)據(jù)傳輸。

（2）GSM 短信傳輸方式

在無線數(shù)據(jù)傳輸中，目前使用得非常多的是短信方式。只要用戶熟悉 AT指令，則可以采用短信方式，將采集到的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)竭h端的一個短信接收模塊上。

3）系統(tǒng)電源

系統(tǒng)電源采用外接220VAC 1A供電。系統(tǒng)電源模塊使用隔離開關電源，首先將220AVC電源轉換成12VDC的直流電源，然后再轉換成各個模塊需要的電源。

4）系統(tǒng)可維護性設計

本系統(tǒng)是安裝在地下室二層，如果系統(tǒng)出了問題，需要工程人員到現(xiàn)場維護，既費時，又費人力、財力，所以這里設計兩層保障措施，防制系統(tǒng)死機。第一層措施是在無線網絡中增加“心跳”數(shù)據(jù)包，如果長時間未收到心跳數(shù)據(jù)包，則進行一次軟復位，同時發(fā)送復位指令給前端系統(tǒng)的其他設備，讓所有設備進行一次軟復位。但是第一層是建立在前端設備未出現(xiàn)死機情況下，才能進行，所以還需要獨立于前端設備的一種硬復位方式，當前端設備系統(tǒng)出現(xiàn)問題的時候能夠操作設備完成一次復位，并重新運行。第二層措施是在前端設備上，配備一個短信模塊，并由短信模塊輸出IO控制前端設備供電。當前端設備出現(xiàn)問題的時候，又遠端控制中心發(fā)送多條（例如3條，為了防制誤傳）短信給前端設備的短信模塊，短信模塊收到短信之后，判斷是否為復位指令，如果是則關斷前端設備電源，延時數(shù)秒鐘之后重新給設備上電，這樣就完成一次系統(tǒng)復位。

5）無線數(shù)據(jù)接收終端

監(jiān)控室內安裝無線數(shù)據(jù)接收終端，考慮到地下信號可能較差，需要使用射頻饋線將天線延伸到監(jiān)控室以外。無線接收終端通過無線網絡，從前端設備獲得水位數(shù)據(jù)及現(xiàn)場其他參數(shù)；另一方面，將得到的數(shù)據(jù)通過RS485總線輸出到消防監(jiān)控設備，或者將水位數(shù)據(jù)轉換為4mA～20mA的模擬信號輸出。

2.3 三種無線數(shù)據(jù)傳輸方式的比較

傳輸距離：GPRS 和GSM 短信方式的傳輸距離僅受移動網絡的影響，凡是有移動網絡的地方，都可以采用這兩種方式；無線傳感器網絡，可靠的傳輸距離為可視3km，由于水位測量點距離消防監(jiān)控室距離達到2km，而且中間樓房遮擋，所以必須增加中繼節(jié)點，采取接力傳輸?shù)姆绞讲拍軌驅?shù)據(jù)送回消防監(jiān)控室，除了測量點和廠房以外，另外至少需要配置3個中繼節(jié)點。

數(shù)據(jù)傳輸實時性：GPRS 方式，由于設備隨時都在GPRS 網絡中，兩個GPRS設備形成點對點網絡，所以可以較快的傳輸數(shù)據(jù)，延時一遍在10s 以內；GSM 短信方式，短信的發(fā)送與接收對于移動網絡來說還是一個比較復雜的過程，發(fā)送短信一方，先要將短信發(fā)送到短信中心，短信中心再找到目的手機號，然后將短信發(fā)送給目標，中間可能收到短信阻塞、信號好壞的影響，延時從幾秒到一天不等；無線傳感器網絡，由于是自組網，不受移動網絡的影響，一旦網絡建立完成，就可以較快的傳輸數(shù)據(jù)，一般延時在2s左右。

維護費用：GPRS 的數(shù)據(jù)是按照流量計費，一般月租5元，可以有30Mbytes的流量，基本可以滿足大多數(shù)輸出傳輸?shù)囊螅褂觅M較低；短信方式，沒有一條數(shù)據(jù)，均需要發(fā)送一條短消息，雖然短消息的容量可以達到每條140字節(jié)，但是基本上是幾個字節(jié)就需要一條短信，所以如果每分鐘有5條短信的話，每月的費用是非常驚人的；無線傳感器網絡，由于使用自組網，且是免申請的2.4GHz 頻段，使用過程中完全無費用要求。

可靠性：由于三種方式均采用國外進口器件和成熟方案，而且三種方式均已用于多次工程項目，因此可靠性、技術成熟度上都是較高的。考慮到安裝維護、數(shù)據(jù)傳輸實時性，其中GPRS方式，在各種方式中占有一定優(yōu)勢，只是要承擔一定的使用費用；如果使用費用是一個問題，則可以選擇無線傳感器網絡方式，但是需要增加中繼節(jié)點的安裝和維護。綜合考慮，建議選用GPRS方式。

2.4 GPRS 網絡設置軟件

選用 GPRS 方式，考慮到GPRS網絡的特殊性，以及使用的靈活性，系統(tǒng)需要配套一個網絡設置軟件，對串口波特率、工作模式、DTU模式等進行相應的設置。

3 系統(tǒng)防雷設計

根據(jù)對無線設備的結構分析，以及雷電可能的侵入途徑，設計了以下防雷解決方案。前端設備應置于接閃器（避雷針或其它接閃導體）有效保護范圍之內。當前端設備獨立架設時，原則上為了防止避雷針及引下線上的暫態(tài)高電位，避雷針最好距前端設備3m～4m的距離。

避雷針也可以架設在前端設備的機箱上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應，電源線和信號線應穿在金屬管內以達到屏蔽作用，屏蔽金屬管的兩端均應接地。

為防止雷電波沿線路侵入前端設備，應在設備前的每條線路上加裝合適的避雷器，如電源線、信號線和控制線。