基于GPRS技術(shù)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)doc - 中國水利技術(shù)信息中心

1、 基于GPRS技術(shù)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)藍(lán) 標(biāo) 深圳市水務(wù)局一.摘要地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測是水利、環(huán)境、地質(zhì)、交通、農(nóng)業(yè)等部門的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。各自都形成了地下水監(jiān)測體系，進(jìn)行地下水水量、水位、水質(zhì)和水溫等要素的監(jiān)測工作，在水資源的管理、保護(hù)、利用等方面發(fā)揮了重要的作用，對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活都具有意義。目前，我國地下水監(jiān)測現(xiàn)狀與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展極不協(xié)調(diào)，因經(jīng)費(fèi)投入不足，各地地下水監(jiān)測工作發(fā)展不平衡、緩慢等問題，不能滿足系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)掌握地下水情況的要求，特別是地下水監(jiān)測手段落后，信息傳輸不及時(shí)，時(shí)效性差，嚴(yán)重影響和制約水資源可持續(xù)發(fā)展。因此，為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，滿足社會(huì)需求，對(duì)地下水觀測應(yīng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、合

2、理布局，采用先進(jìn)技術(shù)、方法、儀器設(shè)備，采取最佳方案，開展地下水監(jiān)測工作。為水資源可持續(xù)利用，生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害防止等方面，提供科學(xué)、詳實(shí)的依據(jù)。本文從利用最可靠、最經(jīng)濟(jì)的GPRS通信平臺(tái)角度，為保證地下水資料可靠的實(shí)時(shí)收集而提出基于GPRS技術(shù)在地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用問題。關(guān)鍵詞： GPRS 地下水 監(jiān)測系統(tǒng) 二.系統(tǒng)概述2.1系統(tǒng)目標(biāo) 地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)，在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平。 (1)可靠性：選用技術(shù)成熟，信譽(yù)好的產(chǎn)品。(2)實(shí)用性：友好的人機(jī)界面：清晰、實(shí)用、易于操作 (3)經(jīng)濟(jì)性：實(shí)行優(yōu)化調(diào)度，合理利用水資源，實(shí)現(xiàn)最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。提高

3、運(yùn)行管理人員的管理水平和工作效力。(4)先進(jìn)性：采用目前國內(nèi)外最先進(jìn)，最可靠的遙測終端。采用具有發(fā)展?jié)摿Φ能浖脚_(tái)。 2.2設(shè)計(jì)原則(1)系統(tǒng)需要具備高效可靠、先進(jìn)實(shí)用的特點(diǎn) (2)使用成熟的先進(jìn)技術(shù)，要達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平 (3)采用完善的保密機(jī)制，使得重要數(shù)據(jù)不易被破壞、非法修改或訪問。 (4)隨著業(yè)務(wù)發(fā)展，系統(tǒng)軟件便于升級(jí)與擴(kuò)充。 (5)快速實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享。2.3設(shè)計(jì)依據(jù)序 號(hào) 名 稱 資料編號(hào) 1水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范 SL61-2003 2水文測報(bào)裝置遙測水位計(jì) GB11830-89 3地下水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范 J/T 164-2004 4水文自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)規(guī)定 SL

4、199-97 5水利水電工程水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定DLIT505-19966水文資料整編規(guī)范SL247-19997水文基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)SL276-20022.4系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)規(guī)模為N：20,即N個(gè)中心站，20地水位遙測站。 N個(gè)中心站地下水站地下水站地下水站GPRS或GSM地下水站圖一：系統(tǒng)組網(wǎng)示意圖 2.5系統(tǒng)特點(diǎn)： 采用移動(dòng)公司的GPRS系統(tǒng)來傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)是：2.5.1實(shí)時(shí)性強(qiáng)：GPRS網(wǎng)絡(luò)具有永遠(yuǎn)在線的特點(diǎn)，只要設(shè)備打開在13S內(nèi)就可以登陸到核心網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)時(shí)延在7003000MS之內(nèi)。2.5.2穩(wěn)定性好、覆蓋好：GPRS網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)上加載的分組交換網(wǎng)，核心設(shè)備在移動(dòng)公司機(jī)房

5、，無線設(shè)備有原來GSM的設(shè)備。在信號(hào)較弱的地方可以自動(dòng)切換編碼方式，增加冗余碼保證數(shù)據(jù)的傳輸。依托移動(dòng)公司強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和優(yōu)化隊(duì)伍，在移動(dòng)手機(jī)有信號(hào)的地方都可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面廣。2.5.3安全性高：移動(dòng)公司采用專線接入的方式，并使用加密技術(shù)，保證數(shù)據(jù)的安全性。2.5.4價(jià)格低：由于GPRS網(wǎng)絡(luò)按照流量收費(fèi)，在數(shù)據(jù)傳輸量不是很大并終端特別多的情況下還可以按照APN接入點(diǎn)的流量收費(fèi)，由用戶根據(jù)運(yùn)行情況選擇。三.系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1總體設(shè)計(jì)地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)由中心站、GPRS、監(jiān)測站三大部分組成。其工作的基本原理是：中心站的主控計(jì)算機(jī)在軟件的支持下，通過GPRS平臺(tái)，接收每個(gè)監(jiān)測站發(fā)出的數(shù)據(jù)，

6、數(shù)據(jù)終端完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集和處理，再經(jīng)編碼調(diào)制后，通過GPRS傳送給主控計(jì)算機(jī)，存入中心數(shù)據(jù)庫，并由主控計(jì)算機(jī)完成各種數(shù)據(jù)的顯示、分析匯總、報(bào)警、打印等處理。地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括：3.1.1數(shù)據(jù)終端：水位和水溫自動(dòng)監(jiān)測儀器、GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置；3.1.2中心接收：GPRS數(shù)據(jù)接收、中心端管理軟件，基本結(jié)構(gòu)如圖二所示。地下水監(jiān)測點(diǎn)與中心站通過GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)建立在線聯(lián)系。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心站，通過監(jiān)測管理軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在中心完成數(shù)據(jù)的本地管理。同時(shí)，還可以手機(jī)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置等管理。通過地下水歷史資料庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫建設(shè)，結(jié)合區(qū)域水

7、文地質(zhì)條件，利用地下水模擬模型軟件 進(jìn)行區(qū)域地下水模擬，構(gòu)建系統(tǒng)研究地下水的平臺(tái)，為水資源的優(yōu)化配置、高效利用服務(wù)，為水資源科學(xué)管理服務(wù)。3.2產(chǎn)品特點(diǎn) SEBA壓力水位傳感器具有高強(qiáng)度不銹鋼機(jī)身，前端帶濾網(wǎng)，帶大氣壓力補(bǔ)償功，率定簡單，使用周期長，溫飄、時(shí)飄性能優(yōu)秀等特點(diǎn)，數(shù)字通信接口方便與各種通訊模塊連接，適合任何埋深與測井等場合的應(yīng)用。SEBA數(shù)據(jù)終端既有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、操作容易，可遙控的特點(diǎn)，又有一體化，易安裝和維修方便等優(yōu)點(diǎn)，很適合水利、地質(zhì)等部門在野外惡劣環(huán)境條件下使用，可應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)其他部門，具有較大推廣價(jià)值。3.3技術(shù)參數(shù)：3.3.1SEBA GW400壓力水位傳感器圖三

8、：SEBA壓力傳感器實(shí)物圖1、傳感元件：硅樹脂薄膜，濕/濕傳感器2、量程：0-3, 0-15, 0-30, 0-60, 0-120,0-2503、線性和滯后：0.1% FS4、精度：0.1% FS（常溫）；0.2%（35-70F）5、過壓能力：不超過2倍的滿量程6、分辨率：無窮?。M量）7、輸出：4-20mA,或0.5 to 2.5 V直流（125 ohm變阻器）8、供應(yīng)電壓：10-36VDC9、電流引導(dǎo)：同輸出10、熱機(jī)時(shí)間：最低10 ms11、工作溫度：-40 to +185F12、重量：1/2 lb.13、溫度補(bǔ)償范圍：在水中30 - 70F范圍內(nèi)14、自動(dòng)大氣壓力補(bǔ)償3.3.2細(xì)井式

9、水位計(jì)測量范圍：一般為0-10.23m，必要時(shí)可選為0-40.95m；水井口徑：50cm測量精度：1cm(4) 水位變率：30cm/min；(5) 測量誤差（準(zhǔn)確度）：水位測量誤差2厘米(6) 輸出碼制：格雷碼(7) 工作環(huán)境：溫度-40+50，濕度95%。當(dāng)前最常用的是WFH-2型細(xì)井式遙測水位計(jì)，可測量天然水體水位的變化，適用于江河、湖泊、水庫、河口、渠道、船閘、地下水、大壩測壓管及各種水工建筑物處的水位測量。本儀器傳感部分的浮子直徑小、測井結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，安裝方便。本儀器是以浮子傳感水位，軸角編碼器編碼的機(jī)械式有線遙測水位計(jì)。其工作原理是：在測站水位計(jì)井臺(tái)的測井中，安裝一個(gè)浮子，作為

10、水位傳感組件。當(dāng)水位變化時(shí)，浮子靈敏地對(duì)應(yīng)水位作相應(yīng)的漲、落運(yùn)動(dòng)，同時(shí)把此水位直線運(yùn)動(dòng)借助懸索傳遞給水位輪，使水位輪產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，并將直線位移量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。采集數(shù)字量用多芯電纜并行輸出至終端接口。測站終端顯示器可顯示即時(shí)水位，也可使用這一數(shù)字量進(jìn)行傳輸。細(xì)井式遙測水位計(jì)具有如下特點(diǎn)：(1) 浮子式傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用方便；(2) 浮子直徑小，最小可采用直徑15cm的管材作測井，工程造價(jià)低，上馬快；(3) 采用機(jī)械編碼，不怕掉電，抗雷擊性能強(qiáng)；(4) 機(jī)械編碼采用帶滾輪的微動(dòng)開關(guān)，具有作用力矩小、靈敏度好，“開”、“關(guān)”狀態(tài)佳，安裝精度高，工作穩(wěn)定可靠，壽命長等特點(diǎn)；(

11、5) 計(jì)數(shù)器系采用外置進(jìn)位輪間歇式傳動(dòng)進(jìn)位機(jī)構(gòu)。這種傳統(tǒng)的進(jìn)位機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)靈巧，使用、維修方便，無讀數(shù)模糊區(qū)，運(yùn)行精確、可靠的特點(diǎn)。(6) 編碼器采用格雷碼制，不存在非單值性誤差；(7) 采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于檢修；(8) 關(guān)鍵器件采用進(jìn)口優(yōu)質(zhì)名牌產(chǎn)品。細(xì)井式遙測水位計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：浮子直徑 100（特：80、60、40、30）mm平衡錘直徑20mm水位輪周長32cm（工作直徑101.86mm）測量范圍：40M（特殊可達(dá)80M）分辨力：1cm最大水位變率：100cm/min精確度： 滿量程積累最大誤差不大于2cm水位輪轉(zhuǎn)動(dòng)力矩100 gcm水位編碼器碼制格雷碼傳輸電纜

12、 12芯AVV屏蔽電纜傳輸距離 不小于1000M平均無故障工作次數(shù)1107以上 顯示方式：傳感部分為機(jī)械數(shù)字顯示3.3.3SEBA數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)終端內(nèi)有固態(tài)存儲(chǔ)功能，保存原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)記錄在終端IC芯片上。1、記錄年水位040.95米2、記錄日水位040.95米3、記錄有效時(shí)間 ：512天（單參數(shù)）4、記錄采集間隔 5分鐘（可調(diào)）5、LCD液晶顯示器16x26、鍵盤：4個(gè)，可修改、查詢、檢索參數(shù)及記錄數(shù)據(jù)。7、時(shí)鐘誤差： 1分/月8、通信自檢。9、工作電壓：616V （有電壓測量顯示）3.3.4GSL系列數(shù)據(jù)終端該數(shù)據(jù)終端是一臺(tái)采用一體化設(shè)計(jì)用于地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)改進(jìn)型的遙測設(shè)備，它使用GS

13、M移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)作為信道，用GSM短信或GPRS包進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。有下列特點(diǎn)：1.利用移動(dòng)公網(wǎng)進(jìn)行地下水資料傳送。2.同時(shí)具有自報(bào)（隨機(jī)、定時(shí)）、查詢遙測工作方式。3.短信、GPRS雙數(shù)據(jù)通道自動(dòng)切換傳輸方式。4.支持地下水資料自動(dòng)收集、傳送，并可支持U盤讀出。5.自動(dòng)手機(jī)短信報(bào)警，方便監(jiān)測與管理。6.一化結(jié)構(gòu)方便安裝調(diào)試、有效防雷。7.高可靠性、低功耗設(shè)計(jì)，低成本供電配置可滿足要求。8.大液晶屏中文顯示，方便操作與觀讀。9.豐富的短信遙調(diào)方式，免除去現(xiàn)場設(shè)置的麻煩。10.留有擴(kuò)展接口，以備以后新傳感器的鏈接。主要技術(shù)指標(biāo)1GSM模塊1）靈敏度及發(fā)射功率：GSMRX 應(yīng)不大于-100dBm，GSM

14、TX 應(yīng)不小于30dBm；2）協(xié)議：AT 指令集，支持GSM07.07、GSM07.05（SMS）；2.顯示器128x64 點(diǎn)陣字符型LCD夜晶顯示器。3、時(shí)鐘精度校正后月誤差不大與60秒。4電源DC6V-12V 10AH以上免維護(hù)電池,4W太陽能電池板，帶沖電控制板8W以上太陽能電池板。5功耗平均 10MA,傳送瞬時(shí)250MA.主板電池在外電池?cái)嚯姾?，可支持一?保證時(shí)鐘正常工作。3.3.5太陽能板型號(hào)：日地4W/6V太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價(jià)值的重要因素

15、。太陽能電池板特點(diǎn)電池片：采用多晶硅片太陽電池，電池的減反射膜為增強(qiáng)等離子化學(xué)氣相沉積的氮化硅膜，呈深藍(lán)色。電池的平均轉(zhuǎn)換效率在13.5%以上。組件邊框：組件邊框是由陽極氧化優(yōu)質(zhì)鋁合金邊框制成，其表面氧化鋁膜的厚度為25微米。組件邊框設(shè)有四組方便安裝的螺孔和一組接地孔，完全滿足國際權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證要求。鋼化玻璃：組件的表面玻璃采用了澳大利亞Pilkington公司的低鐵(含鐵 量低于0.02%)鋼化玻璃，其厚度為3mm，其大部分光波段的透光率大于92%。封裝材料：組件由國外進(jìn)口的抗老化EVA(乙烯-醋酸乙烯聚物)和耐候性好的優(yōu)質(zhì)TPT(復(fù)合氟塑料膜)材料層壓而成。接線盒：組件的接線盒是根據(jù)目前國際

16、市場并網(wǎng)發(fā)電的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的，采用了優(yōu)質(zhì)PP材料作為接線盒外殼和內(nèi)絕緣材料，鍍銀銅質(zhì)電極材料作為接線柱，并配置了防反沖隔離二極管。接線盒具有很好的密封和防水性能。主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)：1.規(guī)格：4W；2.材質(zhì)：單晶硅；3.封裝形式：高透鋼化玻璃層壓；4.最佳工作電壓：8.5V；5.短路電流：0.5A；6.最佳工作電流：0.3A。3.6.6蓄電池型號(hào)：10AH/6V主要技術(shù)指標(biāo)：1.安全性能：正常使用下無電解液漏出，無電池膨脹及破裂；2.放電性能：放電電壓平穩(wěn)，放電平臺(tái)平緩；3.耐震動(dòng)性：安全充電狀態(tài)的電池完全固定，以3mm的振幅，16.7Hz的頻率震動(dòng)一小時(shí)，無漏液，無電池膨脹及破裂，開路

17、電壓正常；4.耐沖擊性：完全充電狀態(tài)的電池從20cm 高處自然落至1cm厚的硬木板上3次無漏液，無電池膨脹及破裂，開路電壓正常；5.耐過放電性：25攝氏度，完全充電狀態(tài)的電池進(jìn)行定電阻放電3星期，恢復(fù)容量在75%以上；6.耐充電性：25攝氏度，完全充電狀態(tài)的電池0.1CA充電48小時(shí)，無漏液，無電池膨脹及破裂，開路電壓正常，容量維持率在95%以上；7.耐大電流性：完全充電狀態(tài)的電池2AC充電5分鐘或10AC放電5秒鐘。無導(dǎo)電部分熔斷，無外觀變形；8.不同溫度下的放電容量：40時(shí)102%，25時(shí)100%，0時(shí)85%，-15時(shí)65%。3.4系統(tǒng)功能：3.4.1遙測站功能1、數(shù)據(jù)終端采用定時(shí)自報(bào)結(jié)合

18、定量加報(bào)的工作體制，定時(shí)一到自動(dòng)把數(shù)據(jù)終端的地下水信息發(fā)回中心站，定時(shí)間隔1-24小時(shí)可設(shè)置。2、數(shù)據(jù)終端一般工作在野外或無人值守之地?zé)o市電,用太陽能供電,為達(dá)到節(jié)省功耗的目的，利用遙測終端MCU的多種省電模式中的“休眠”模式，使主機(jī)實(shí)現(xiàn)較低的功耗。GSM無線模塊平時(shí)待命，定時(shí)一到或需加報(bào)時(shí)，遙測終端自動(dòng)喚醒工作，信息發(fā)送完畢再重返“待命”狀態(tài)。GSM遙測站可隨時(shí)響應(yīng)中心站的撥號(hào)呼叫和短信(SMS)以響應(yīng)有關(guān)指令，如系統(tǒng)參數(shù)遠(yuǎn)程配置命令或召測。3、水位采集：遙測終端通過時(shí)鐘定時(shí)，每5分鐘采集一次水位。CPU將采集到的一條水位記錄寫入固態(tài)存儲(chǔ)器，然后，設(shè)備再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。4、數(shù)據(jù)終端能響應(yīng)中心

19、站遠(yuǎn)程資料召測命令(SMS)，將固態(tài)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到中心站。5、數(shù)據(jù)終端支持本地通過鍵盤、顯示器對(duì)系統(tǒng)的配置進(jìn)行修改, 也可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（SMS）遠(yuǎn)程修改，參數(shù)包括：時(shí)鐘、目的地手機(jī)號(hào)碼、IP地址等。6、遙測終端配置大容量非易失存儲(chǔ)模塊（2Mbit）, 可存儲(chǔ)512天的水位或雨量數(shù)據(jù)， 也可以通過GPRS遙測信道遠(yuǎn)程讀取，讀取的最小時(shí)間間隔為1天。7、數(shù)據(jù)終端收到修改配置命令后，首先修改系統(tǒng)配置，然后讀出已修改的配置，返回一條確認(rèn)核對(duì)信息。8、數(shù)據(jù)終端具有實(shí)時(shí)鐘，以完成對(duì)地下水位的自動(dòng)記錄。9、數(shù)據(jù)終端還提供測試狀態(tài)，保證在檢修和維護(hù)時(shí)產(chǎn)生的水位和雨量數(shù)據(jù)不進(jìn)入固態(tài)存儲(chǔ)區(qū)。10、數(shù)據(jù)終端的總功耗小于10毫安，其中不含GSM設(shè)備時(shí)的功耗小于0.1毫安，配備20AH/6v蓄電池和4W太陽能板，可保證30天連續(xù)陰天，設(shè)備正常工作。11、數(shù)據(jù)終端可選擇向一個(gè)至四個(gè)目的地（中心站）發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（SMS時(shí)），GPRS方式時(shí)接收目的地?cái)?shù)（中心站）不限。12、數(shù)據(jù)終端在硬件和軟件兩方面都能