地下水動態(tài)水位信號采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
1 系統(tǒng)設計
1.1 系統(tǒng)設計要求
采集器的功能是將深井中的水位或水深信息收集起來,通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機系統(tǒng)。為了節(jié)省人力資源,采集器需要長時間免維護運行。采集系統(tǒng)要求架設維護方便、無需布線等,這就要求盡量減少施工環(huán)節(jié),提高工作效率,降低成本。因此,提出了以下設計要求:
(1)通信可靠;
(2)低功耗,電池供電;
(3)架設成本低;
(4)易維護。
1.2 現(xiàn)狀分析
目前市場上出現(xiàn)的采集模塊靜態(tài)功耗較大,一般為200 mW~600 mW不等,制作下位機體積大,需外加蓄電池和太陽能板,容易被盜以及人為破壞;安裝復雜,在無電源地區(qū)使用時架設成本較高,不適用于條件較苛刻的專用場合;集成無線RTU體積也偏大,不能進階二次開發(fā)成專用產(chǎn)品,不能低壓供電也限制了在此系統(tǒng)中的應用。
1.3 系統(tǒng)方案
GSM網(wǎng)絡通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優(yōu)點,易于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信。 SMS是移動運營商提供的短消息服務,它基于GSM網(wǎng)絡通信。SMS支持GSM設備點對點和一點對多點的消息傳送,并可傳送一條短信和容納140 B的文本信息。在目標設備未在線或故障等情況下,短消息會暫存在運營商的服務器中,該種方式可以得到較高可靠程度。上位機系統(tǒng)可以是個人移動設備也可以是支持SMS的專用監(jiān)測設備。
GPRS是基于GSM網(wǎng)絡的高速數(shù)據(jù)業(yè)務,資費低,但在網(wǎng)絡繁忙時數(shù)據(jù)丟包、掉線的情況時有發(fā)生。由于地下水變化相對緩慢,對系統(tǒng)的實時性要求不高,所以采用SMS方式進行無線數(shù)據(jù)通信足以滿足要求,對于本系統(tǒng)資費同樣低廉。
為了易于更換和維護采集器,采用通用的5號堿性電池供電。硬件上采用各功能模塊選擇性分離供電,軟件上采用定時采集、定時上傳的方式大大降低了功耗,確定了長時間電池供電的可行性,從而免去了布線和安裝太陽能電池的工序和成本。采集器與GSM通信模塊集成,縮小了體積,可內置于被測井口處,以方便安裝和后期維護。
2硬件設計
2.1 硬件結構
采集器(下位機)由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時鐘日歷、信號調理以及A/D轉換器組成,如圖1所示。本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/188569.htm
2.2 模塊設計
(1)主控制器:ATmega88V單片機作為采集器的微控制單元,內置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲器,免去了外部存儲器,1.8 V~5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗,單片機工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時鐘頻率下。
(2)時鐘日歷模塊:MAX690芯片作為時鐘日歷模塊,由獨立的3 V電壓的紐扣電池供電,與CPU進行實時通信,CPU查詢時間確定采集器的工作狀態(tài)。
(3)壓力傳感器:采用國產(chǎn)的KY型壓力傳感器,集成電壓變送器,工作電壓為10.5 V~15 V,輸出信號為1 V~5V,量程為0 m~100m
(4)A/D轉換器: 使用的是AD7921,12位A/D轉換器,SPI串行接口,它由電壓基準芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。
(5)信號調理:采用通用雙運放LM2904調理傳感器輸出信號和電池電壓信號送給A/D轉換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供(12 V),對壓力變送器的1 V~5 V信號進行調理,首先前級為跟隨器,運放的輸出用一個電位器分壓得到0.5 V~2.5 V信號,第二路信號為電池電壓信號,同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值(7 V)調整為小于A/D轉換的滿度值電壓(2.5 V)。兩路信號送給A/D轉換器進行數(shù)字量化。
(6)電源管理:4節(jié)5號電池串聯(lián),取其中2節(jié)電池為單片機供電,用IRFU220與IRFU9530構成2個推挽輸出由單片機的GPIO選擇性地為測量部分(包括壓力傳感器、A/D轉換器、信號調理電路)和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個LT1086穩(wěn)壓后為GSM模塊提供3.6 V電源,由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號調理電路提供12 V電源。
(7)GSM模塊:采用Wavecom公司的GR64模塊,與單片機的接口為異步串行接口,編程時采用AT指令對模塊進行設置、會話以及打包數(shù)據(jù)和發(fā)送信息。
2.3測量誤差分析
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