野外孤立漂浮錨定無線智能水位計研究

高學臣，王曉晨，葉雨龍

（水利部機電研究所，天津301900）

1 引言

在水利水電自動化控制系統中對液位的監測必不可少，近些年隨著我國社會的穩步發展，對水位監測手段和方法不斷提出新的要求，現代電子技術、傳感器技術、通信技術和計算機技術的迅速發展，也促進了水位監測技術的發展；特別是在野外惡劣環境下，由于安裝、架線和后期維護都有一定難度，傳統的測量方式已不能滿足實際需求。

2 現狀及解決方案

2.1 現狀

傳統的水位測量方式一般都是現場將投入式水位計探頭安裝在提前布置好的鋼管內，采集到的水位信號（4～20 mA）通過電纜傳輸到監控中心，一旦傳輸距離過長就會造成信號衰減，致使測量的數據不真實；河流、湖泊、水庫、山區等的水位監測站點普遍分布在野外，大部分野外環境較為惡劣，并且由于地處偏遠，安裝和架設供電線路以及信號傳輸都比較困難，建設成本高，后期設備維護也是難題。有些地方還在通過人工采集水位數據，這顯然不能滿足現代化水位監測的要求。隨著無線通信技術的發展，近年來，GPRS無線通信技術在工業控制領域的應用日趨廣泛，通過遠程監測能使管理者及時了解現場信息，進行快速決策，并省去很多人力。

2.2 解決方案

野外孤立漂浮錨定無線智能水位計是針對市場需求而研發的一種適合野外惡劣環境下使用的新型無線智能水位計裝置，采用水上浮筒固定水位計，基于GPRS無線通信技術[1-2]，以GRM200 G信號傳輸模塊為核心，采用低功耗技術用太陽能供電，將水位計現場采集到的水位信號發送到控制中心，并具有手機APP功能，通過手機APP查看實時信息，提高管理效率。本設備完全防水，可長期應用于野外環境，基本解決水位計在野外布點安裝、供電、信號傳輸和后期維護等方面存在的難題。

方案示意圖如圖1所示。

圖1 方案示意圖

3 組成與原理

野外孤立漂浮錨定智能水位計系統由監測中心、通信網絡、監測設備、測量設備、供電設備、浮筒平臺等6部分組成。

監測中心：電腦、手機終端。

通信網絡：GPRS。

監測設備：無線傳輸模塊。

測量設備：投入式水位計。

供電設備：太陽能板、蓄電池、控制器。

浮筒平臺：浮筒、錨。

系統主要通過2只不銹鋼錨將浮筒固定在水面，供電設備提供電源供給，投入式水位計固定在浮筒上，并投入水中采集水位信息，通過MODBUS通信將數據傳輸到無線傳輸模塊，無線傳輸模塊再通過GPRS網絡將采集到的數據傳輸到監測中心，實現數據遠程監控。

4 試驗及成果分析

4.1 樣機組裝（圖 2）

圖2 樣機組裝效果

4.2 試驗過程

4.2.1 實驗目的

（1）驗證水位、水溫信號傳輸的穩定性、真實性。

（2）驗證供電系統供電能力。

（3）驗證浮筒在水上的穩定性。

4.2.2 試驗工具

螺絲刀2把、萬用表1臺、數字式溫度計（0～40℃）1只、手機卡（移動帶流量）1個、筆記本電腦1臺、手機1臺。

4.2.3 試驗過程

（1）試驗一：驗證水位、水溫信號傳輸的穩定性、真實性。

1）首先將筆記本電腦安裝好系統軟件、手機安裝好系統APP軟件；將帶流量的手機卡插入GRM200 G數據傳輸模塊卡槽內，做好調試前準備。

2）向帶刻度的有機玻璃管內注入100 cm清水，用數字溫度計測量此時的水溫為3.04℃，作好相應記錄；將組裝好的樣機的水位計放到水桶中，用萬用表測量供電裝置輸出電壓為23.9 V；接通電源，各元器件工作正常；水位計采集水位信號，通過MODBUS通信傳輸給GSM200 G數據傳輸模塊，GSM200 G數據傳輸模塊再通過GPRS網絡將數據傳到準備好的筆記本電腦或手機上，監測到的數據如下：

手機APP監測數據：水位1.03m，溫度3.1℃（圖3）。

圖3 手機APP界面

手機短信檢測到的數據：水位1.03 m，溫度3.1℃（圖 4）。

圖4 手機短信界面

筆記本電腦檢測數據：水位1.03 m，溫度3.1℃（圖5）。

圖5 電腦界面

（2）試驗二：驗證供電系統供電能力

2018年12月13日天津薊州區日照充足，在14日人為將供電輸入端拆除，僅用蓄電池供電，在14～17日期間，水位計采集到的水位信號在監測終端24 h顯示正常，這說明供電系統完全滿足4 d無日照供電要求。

（3）實驗三：驗證浮筒在水上的穩定性

將整個樣機放入事先注滿水的水池內，通過觀察，浮筒平臺沒有發生傾斜現象，2個錨抓地牢固，人為攪動水面，浮筒沒有發生明顯偏移，錨抓地牢固。

4.3 性能與特點

4.3.1 浮筒平臺

用高分子聚乙烯浮筒作為水上平臺，浮筒上搭載電氣控制箱和太陽能板，浮筒用2只2.5 kg不銹鋼錨在水下固定，將投入式水位計固定在浮筒上并配有重錘，防止液位變送器隨水流漂動，提高測量精度和穩定性，解決了水位計野外不易安裝問題。

4.3.2 供電技術

設計低功耗電路板，采用太陽能供電，解決偏遠地區布線供電難題；供電系統由太陽能板、硅膠蓄電池和充電控制器組成。

考慮南方多雨氣候，太陽能板200 W大功率，滿足全天2 h、4 d完全無日照供電；硅膠蓄電池為2塊12 V 80 Ah，在-30℃～60℃環境下免維護連續工作5年后蓄電池容量衰減不超過30%，基本滿足北方高寒環境；充電控制器采用工頻變壓器隔離方式，DC與AC全隔離，具有安全可靠保護功能：蓄電池接反、欠壓、過壓、過熱、輸出過載、輸出短路、蓄電池過放電、蓄電池過充、夜間防反充等一系列報警和保護功能。

4.3.3 無線通信傳輸

用GRM200 G無線通信模塊作為遠程監控的測控終端，接收并發送水位計采集到的水位信號，同時具備GPRS和短信通信功能功能。

圖6 無線通信示意

GPRS基于移動運營商現有的通信網絡，主要用來進行數據傳輸，利用GPRS和GRM200 G模塊，可以非常方便的實現分布在各地的設備的聯網，值班人員可利用組態軟件通過電腦，手機網頁瀏覽，電腦網頁瀏覽查看水位信息。GPRS作為主流的通信方式可以輕松應對大部分應用，但是其不足之處在于，當基站覆蓋的區域語音業務比較繁忙時可能導致GPRS信號中斷，此時即可通過手機短信監控遠程設備，值班人員手機也可以通過短信查看數據,隨時隨地了解設備狀,更重要的是，設備出現故障時，可以發出報警短信通知，真正可靠保障設備安全，實現無人值守；使用簡單，無需搭建服務器，無需固定IP或動態域名，模塊內置手機網頁，客戶使用組態軟件或手機，即可輕松完成無線監控自帶組態軟件遠程監控（查看數據，歷史數據報表，趨勢圖等）；穩定安全，專門針對組態軟件OPC驅動優化設計永遠在線，穩定性高，確保數據安全；無距離限制，有移動網絡的地方，即可監測。

實現現場數據的無線傳輸，解決野外布線困難的問題，節省人力及施工成本。

4.3.4 適用領域

利用此平臺裝置除可監測水位、水溫外，還可實現多樣化監測，如壓力、水質、視頻信號等監控。只需將投入式水位計換成相應所需變送器即可，操作簡單，實用性強，可滿足絕大多數惡劣場合的監測要求。

4.4 成果分析

通過對以上試驗數據的分析，充分驗證 了野外孤立漂浮錨定無線智能水位計在實際野外惡劣、復雜環境中應用的可行性。但該水位計還未能大范圍推廣，下一步將通過實際應用驗證該水位計的性能，并對實際應用中發現的問題不斷進行改正，最終為水利行業提供一種經濟、穩定、可靠的水位監測產品。

5 結論

野外孤立漂浮錨定無線智能水位計基本解決了水位計在野外布點安裝、供電、信號傳輸和后期維護等方面存在的難題，降低了建設成本，方便后期維護，可廣泛用于野外、高寒、偏遠地區，具有非常廣闊的市場前景，隨著科技的進步，水位監測技術也將更加先進，我們愿為水利事業做出應有的貢獻。