地下水動(dòng)態(tài)水位信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)，通過(guò)無(wú)線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。為了節(jié)省人力資源，采集器需要長(zhǎng)時(shí)間免維護(hù)運(yùn)行。采集系統(tǒng)要求架設(shè)維護(hù)方便、無(wú)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(shè)計(jì)要求：
(1)通信可靠；
(2)低功耗，電池供電；
(3)架設(shè)成本低；
(4)易維護(hù)。
1.2 現(xiàn)狀分析
目前市場(chǎng)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(jī)體積大，需外加蓄電池和太陽(yáng)能板，容易被盜以及人為破壞；安裝復(fù)雜，在無(wú)電源地區(qū)使用時(shí)架設(shè)成本較高，不適用于條件較苛刻的專用場(chǎng)合；集成無(wú)線RTU體積也偏大，不能進(jìn)階二次開(kāi)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(yīng)用。
1.3 系統(tǒng)方案
GSM網(wǎng)絡(luò)通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。 SMS是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商提供的短消息服務(wù)，它基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信。SMS支持GSM設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(biāo)設(shè)備未在線或故障等情況下，短消息會(huì)暫存在運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)器中，該種方式可以得到較高可靠程度。上位機(jī)系統(tǒng)可以是個(gè)人移動(dòng)設(shè)備也可以是支持SMS的專用監(jiān)測(cè)設(shè)備。
GPRS是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，資費(fèi)低，但在網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)數(shù)據(jù)丟包、掉線的情況時(shí)有發(fā)生。由于地下水變化相對(duì)緩慢，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以采用SMS方式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信足以滿足要求，對(duì)于本系統(tǒng)資費(fèi)同樣低廉。
為了易于更換和維護(hù)采集器，采用通用的5號(hào)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(shí)采集、定時(shí)上傳的方式大大降低了功耗，確定了長(zhǎng)時(shí)間電池供電的可行性，從而免去了布線和安裝太陽(yáng)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(nèi)置于被測(cè)井口處，以方便安裝和后期維護(hù)。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1 硬件結(jié)構(gòu)
采集器(下位機(jī))由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時(shí)鐘日歷、信號(hào)調(diào)理以及A/D轉(zhuǎn)換器組成，如圖1所示。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/188569.htm
2.2 模塊設(shè)計(jì)
(1)主控制器：ATmega88V單片機(jī)作為采集器的微控制單元，內(nèi)置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲(chǔ)器，免去了外部存儲(chǔ)器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗，單片機(jī)工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率下。
(2)時(shí)鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時(shí)鐘日歷模塊，由獨(dú)立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，CPU查詢時(shí)間確定采集器的工作狀態(tài)。
(3)壓力傳感器：采用國(guó)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(hào)為1 V～5V，量程為0 m～100m
(4)A/D轉(zhuǎn)換器: 使用的是AD7921，12位A/D轉(zhuǎn)換器，SPI串行接口，它由電壓基準(zhǔn)芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。
(5)信號(hào)調(diào)理：采用通用雙運(yùn)放LM2904調(diào)理傳感器輸出信號(hào)和電池電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供(12 V)，對(duì)壓力變送器的1 V～5 V信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，首先前級(jí)為跟隨器，運(yùn)放的輸出用一個(gè)電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號(hào)，第二路信號(hào)為電池電壓信號(hào)，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值(7 V)調(diào)整為小于A/D轉(zhuǎn)換的滿度值電壓(2.5 V)。兩路信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字量化。
(6)電源管理：4節(jié)5號(hào)電池串聯(lián)，取其中2節(jié)電池為單片機(jī)供電，用IRFU220與IRFU9530構(gòu)成2個(gè)推挽輸出由單片機(jī)的GPIO選擇性地為測(cè)量部分(包括壓力傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)調(diào)理電路)和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個(gè)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(hào)調(diào)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(jī)的接口為異步串行接口，編程時(shí)采用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置、會(huì)話以及打包數(shù)據(jù)和發(fā)送信息。
2.3測(cè)量誤差分析
評(píng)論