遠程分布式地下水位監測系統研究

于詠梅

（河南黃河水文勘測規劃設計院有限公司 鄭州 450099）

水位檢測體系主要應用于水井、水庫以及河流等，并實時檢測水位動態變化，進而提前對自然災害進行有效預防。傳統的水位監測儀器具備簡單的測量以及數據回傳功能，實際應用的范圍比較狹窄，且儀器設備可操作性較低，適用于單點或者少量的檢測點的檢測。應用遠程分布式地下水位檢測系統，用戶可以通過遠程網絡進行瀏覽、操作等工作。同時，用戶還可以在數據庫上搭建數據服務器對檢測數據進行實時的存儲備份，顯著提高水位監測平臺的安全性以及可靠性。

1 水位監測系統概況

水位檢測系統具有統一的客戶端，并將系統功能集中在服務器設備端口上，充分簡化各個系統的開發、使用以及維護等功能[1]。水位檢測系統可以投影在4.7 英寸的顯示屏中，通過對各個設備進行參數設置實現遠程操控，也可以在現場進行參數設置，其具有十分簡便、集成度高的特點。另外，水位檢測系統存在后備電源供電接口，充分保證電子設備在停電后可以繼續運行，并將各個設備進行連續24h 的數據存儲，充分保證水位測量數據的安全性。

水位監測系統按建設結構進行劃分，可以將其分為客戶端、本地服務端兩個不同的部分。客戶端可以通過網絡瀏覽器對服務端的程序進行升級，并訪問客戶端[2]。服務器端口則可以對水位監測進行數據采集以及存儲工作，并將監測所得數據進行回傳。同時，服務器端口可以對采集的水位數據處理以及存儲，進而提供更多的數據存儲工作，且無需對其進行維護，只需要工作人員定期接收以及控制即可，框架拓撲圖如圖1。

圖1 框架拓撲圖

水位監測系統可以對本地服務數據進行存儲，并對數據進行實時的回傳工作，進而對檢測數據進行自動備份等工作，顯著提高水位監測系統的安全性[3]。這一系統作為服務器中的存儲介質，進而實現數據擴展等工作，最終實現連續存儲一個月數據，一旦發生掉電也能保證數據的安全，避免發生數據丟失的情況。在實際數據建設的時候，同時開辟一條實時的水位監測數據鏈接，保證數據庫服務器以及數據鏈接的對接，最終實現數據管理。

水位監測系統通過TCP/IP 協議組網，設置網絡配置參數以及局域網絡接通系統。監測人員在現場進行水位檢測的時候，可以通過局限網將數據傳輸到數據庫，讓用戶進行實時的調用。數據庫相關服務可以充分滿足實際建設的需求，并采用數據庫的調用需求。水位監測系統作為一種輕量級嵌入式服務器，這一服務器具有跨平臺的實際能力，且這一服務平臺具有跨平臺的功能，并在系統中進行運行[4]。

2 水位監測裝置方案的設計

遠程水位監測系統包括液體變送器、供電電源、采集卡、主控板、液晶觸摸屏以及網絡接口等。系統水位探頭常使用高精度液位變送器，輸出的電流型模擬信號，信號傳輸線纜的實際長度為50m。系統主機的組成部位包括采集模塊、主控模塊：采集模塊主要是通過對電流型信號，并通過單片機以及主控板傳輸數據；主控板主要是通過對接收到的數據處理、參數設置、存儲以及遠程數據進行遠程傳輸等相關功能。

壓力式水位傳感器主要是通過壓力以及水的正比關系，對水位進行實際測量，傳感器作為一種壓敏元件，當傳感器被固定在某一個水位點進行測量的時候，壓力與水柱的高度成正比例關系。在測量的時候，還能間接測量水柱的實際高度，進而在水柱高度轉換成井孔水位埋深[5]。

3 水位監測裝置方案硬件設計

3．1 選擇水位傳感器采樣電路

選擇整個測量的探頭，需要選擇電流型輸出液位變送器，應用24 V 的直流電壓來實施供電，其整體的輸出范圍在4～20mA 之間，而其分別能夠對應相應的水位深度0m 和10m 之間，而整體的測量水柱深度的滿量程需要在0～10m 之間，整體的精度需要保證在0.2%滿量程之內，這個傳感器抗干擾能力強且能進行遠距離傳輸。

3．2 做好數據處理模塊

數據處理模塊功能結構需要做好水位數據的采集，保證守時，并且做好數據的組合傳輸的功能。應用STM32F101 RBT6 的微處理器來實施24 位的A/D 進行控制，做好時鐘芯片的同步，再應用數據信息與時間封裝組成一個數據包，應用串口與ARM9的核心板卡實施通訊。

3．3 系統供電切換機制

為了能夠更好地保證整體設備持續工作，需要由系統來實現供電，主要包含主電源和備用電源。主供電電源需要接入220V 的交流電，還需要經過電源適配器為其提供+15V 的電壓，而備用電源需要應用12V、100Ah 容量的蓄電瓶進行供電。

4 系統測試數據總結概述

對水位進行測量的環境溫度以及環境濕度需要在27℃與82%的環境下進行，最后在室內進行測量。同時，測量人員使用的工具需要為直徑5cm、深度2m 的透明玻璃管以及卷尺，使用這些數據進行測量。對實驗數據測試的時候，需要在透明玻璃管內注滿凈水，并將卷尺以及玻璃管表貼固定，同時間隔20cm 進行一次標定測量，一共測量5 組。測量人員需要將水位測量設備安裝在地震監測臺下，并將水位探頭安放在距離水面深度為5m 的位置，使用信號線纜對其進行固定。工作人員安裝結束后，需對其進行長時間的數據測量。

由于測量的地下水屬于地球表層的水位，且受到潮汐應力的水位變化影響。地球表層存在的潮汐應力會隨著地球實際運動進行規律的變化。當地球潮汐應力增大的時候，含水巖層會出現膨脹的情況，且含水層的孔隙水壓顯著下降，且井水位逐漸出現下降的情況。當潮汐應力逐漸增大的時候，含水巖層會出現壓縮的情況，且含水層的孔隙水壓升高，井水位上升。通過分析數據發現，上述水位數據曲線與地球固體潮汐的變動完全吻合，當天水位變化量約0.06m。

5 結語

綜上所述，水位檢測裝置的精準度以及穩定度可以基本滿足當前地下水監測的需求，并符合水位勘察、轉孔測量等工程領域的實際要求。本文設計的水位檢測儀器設備實際性能不低于同類檢測儀器。另外，檢測儀器還能實現遠程傳輸的要求，有效解決現場人工傳輸數據的需求以及問題。該水位監測裝置已應用在三峽井網水體流動觀測站，并長期進行井水固體潮觀測，目前運行正常