CN103929483B - 地下水分层自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地下水分层自动监测系统，包括通讯主机和传感器组件；通讯主机的时钟模块的时钟信号输出端与主控制器的时钟信号输入端连接，主控制器的存储数据输入输出端与存储模块的存储数据输入输出端连接，主控制器块的无线数据输入输出端与无线传输模块的无线数据输入输出端连接；传感器组件的每个传感器的数据输出端均与通讯主机中的主控制器的数据输入端连接。本发明通过分离的通讯主机和传感器组件，能够实现地下水监测从传统的混合监测到分层监测，室内分析为主到现场监测的转变，与地下水监测信息管理系统结合，可直接服务于国家级地下水监测工程建设、运行与管理，具有广阔的应用前景。

Description

地下水分层自动监测系统

技术领域

本发明涉及一种地下水分层自动监测系统，属于地下水监测技术领域。

背景技术

现有的地下水自动化监测技术已经实现了地下水水位水温的自动监测，但是针对一孔多层监测井的监测所采用的设备仍然比较昂贵。而传统的地下水监测井多为单井单层监测为主，监测方式多为人工监测，对于多层监测一般采用采用的是孔组形式(一个监测点布设多个监测井，监测不同层位)或巢式监测孔(一个监测井中布设多根套管监测不同层位)。但是，专门针对多层监测井技术开展一孔多层自动监测的设备尚属空白。

发明内容

本发明为解决现有的地下水自动化监测技术存在的没有专门针对多层监测井技术的问题，进而提供了一种地下水分层自动监测系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种地下水分层自动监测系统，包括通讯主机和传感器组件；通讯主机包括：时钟模块、主控制器、存储模块和无线传输模块；时钟模块的时钟信号输出端与主控制器的时钟信号输入端连接，主控制器的存储数据输入输出端与存储模块的存储数据输入输出端连接，主控制器块的无线数据输入输出端与无线传输模块的无线数据输入输出端连接；传感器组件包括：若干个具有存储功能和数字接口的传感器，每个传感器的数据输出端均与通讯主机中的主控制器的数据输入端连接。

本发明的有益效果是，通过分离的通讯主机和传感器组件，能够实现地下水监测从传统的混合监测到分层监测，室内分析为主到现场监测的转变，与地下水监测信息管理系统结合，可直接服务于国家级地下水监测工程建设、运行与管理，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的地下水分层自动监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了能够更清晰地阐明本发明的特点和工作基本原理，以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。

本具体实施方式提供了一种地下水分层自动监测系统，如图1所示，包括通讯主机1和传感器组件2；通讯主机1包括：时钟模块11、主控制器12、存储模块13和无线传输模块14；时钟模块11的时钟信号输出端与主控制器12的时钟信号输入端连接，主控制器12的存储数据输入输出端与存储模块13的存储数据输入输出端连接，主控制器块12的无线数据输入输出端与无线传输模块14的无线数据输入输出端连接；传感器组件2包括：若干个具有存储功能和数字接口的传感器21，每个传感器21的数据输出端均与通讯主机1中的主控制器12的数据输入端连接。

本具体实施方式提供的地下水分层自动监测系统的组成结构包括：时钟模块11是所述监测系统工作在线性采样模式的主要核心部件，时钟模块11控制所述监测系统按照事先设定好的时间以及间隔定期地唤醒系统采样，时钟模块11的计时电流消耗是很重要的指标，本具体实施方式中采用了低功耗时钟芯片作为核心器件，该时钟芯片计时电流消耗约为0.5微安，基本上实现“零功耗”的要求。主控制器12以德州仪器公司专门针对低功耗应用的16位控制器MSP430为核心元件，该控制器已做到每百万指令只消耗160uA电流，配合各种低功耗器件以及自身的多种低功耗模式，可以方便的组建电池供电的便携设备。所述监测系统需要记录地下水以及气压等监测信息，所以应配置较大容量的存储芯片，综合考虑容量、功耗以及封装体积等因素，采用FLASH存储器系列芯片作为存储核心，以M25PXX存储器为例，该存储器的最小位密度为8M，已经满足地下水常规监测应用需要，同时该存储器在进入深度睡眠模式后，典型电流消耗指标为1uA，非常适合在低功耗的监测设备中应用。无线传输模块14可实现监测数据的无线发送与接收，随着应用定位的不同，出现了专门为数据传输开发的芯片级专用无线通讯模块，这种类型的无线模块没有过多的功能部件与接口，但是它们的封装尺寸都很小，同时性能也更加强大，以某低功耗无线传输模块为例，该器件采用贴片式封装，封装尺寸(长*宽*高)仅为27.5mm*24mm*3.6mm，最低待机电流消耗仅0.9mA，在数据传输技术研究方面，可主要使用GSM/GPRS网络。

本具体实施方式提供的地下水分层自动监测系统的工作原理是：针对一孔多层监测井，本具体实施方式提供了具有单一接口的地下水多通道分层监测传感器和多通道在线监测传输设备。具体包括：

1、具有单一接口的多通道复合探头

(1)、数据采集前端(传感器)主要分为两种类型：

①、具有数据存储功能的记录型传感器

该类型传感器采用通用标准传输协议，物理连接方式为标准RS232或RS485连接，具备地下水动态数据定时采集，自动计算自动存储等功能，配合多通道集中数据传输监测仪器，实现监测数据的无线传输。

②、具有数字接口的智能传感器

该类型智能传感器内嵌标准通讯协议，通讯接口的物理连接方式为RS485总线，但不具备数据自动采集处理功能，需要外接二次仪表完成数据读取等操作，通讯主机可以随时发送命令协议获取地下水变化的数据，应用较为方便，相对具有数据记录功能的专用水位计智能型传感器成本上更具有优势。这类智能传感器采用RS485总线作为信号传输总线，同样具有不易受到外界干扰的影响等特点，并且可以长距离传输，避免因电缆过长导致的信号衰减等问题。

(2)、具有单一接口的多通道复合传感器

针对一孔多层监测井，采用具有单一通讯接口的多通道复合探头，将多个传感器集中为一个监测通道出口，配合多通道监测主机，实现多个监测层位地下水动态变化的获取，既简化了安装方案也降低了成本，同时可以显著降低因为监测主机过多而引发的人为错误。研究中重点解决：满足一孔多层监测井要求的多通道分层监测传感器结构、密封方式、封装工艺等问题。

2、多通道监测与集中传输设备集中数据传输监测设备

采用具有分辨七通道监测仪器的通讯主机，实现七个通道地下水动态变化的自动采集、存储、处理与发送。通讯主机内部具有无线收发模块，可以通过无线网络将现场采集的数据远程传送至控制中心站，并且可以远程响应中心站授权的控制终端发来的配置命令，实现监测仪器的“远程控制”。

3、多种模式的远程通讯方案

结合当今较为流行的多种无线通讯方式，研究适合各种监测需求的无线通讯方案。主要包含以下方式：

(1)基于GSM通讯网络的数据传输方式

GPRS无线通讯技术可以让监测设备“实时在线”，对于地下水应急响应应用而言具有很好的优势，但是通讯模块需要一直保持开机，对于电源要求较为严格。GSM数据短消息传输方式可以弥补上述无线通讯方式的不足，但是对于监测数据的长度有限制，上述两种无线通讯方式可以满足绝大多数野外监测应用的需求。根据实际需要，本项目重点研制GSM短信通讯方式的传输设备。

(2)基于卫星通讯终端的无线通讯方式

卫星传输技术应用在地下水自动监测在国外多数发达国家已经采用，通过卫星传输技术实时将地下水的监测信息传输到数据中心，实时数据反映了测点水井状况。卫星通讯不受应用场合通讯信号的限制，可以真正实现野外监测站的全天候无人值守。

4、低功耗设备

针对监测系统野外恶劣的应用环境，进行低功耗应用研究。主要从硬件选型、原理设计、电路布局、软件控制等方面着手，优选低功耗器件，优化原理图与电路板的设计，同时采用“事件触发程序结构”设计控制软件，使得监测仪器在功耗与性能之间得到最大程度的平衡。

本具体实施方式提供的地下水分层自动监测系统在安装调试过程中需要满足以下的要求：

(1)监测系统的便携性

当利用CMT监测井进行地下水监测时，需要分别为每一层位的地下水配置一个传感器，基于以上要求，必须考虑监测设备在野外应用时，运输与安装的便携性需求。拟采用监测主机与传感器(复合探头)系统分离设计，复合式探头与监测主机设计为分体形式，并考虑将连接口设计成通用方式，方便系统扩展。并且，监测系统的防护、连接工艺，监测仪器工作环境较为恶劣，需要对防护等级做出要求，对于传感器组件和通讯主机均至少要达到IP65的级别，对机械结构设计的要求极为严格，同时又兼顾设备野外维护的便捷性。

(2)低功耗

功耗是电池供电设备首先考虑的重要因素之一。受野外自然条件制制约，许多监测设备的供电不能得到保证，只能选择电池供电，因此系统功耗直接影响监测设备的使用寿命。基于以上要求，采用以下方法降低功耗：选取低功耗器件。监测系统的控制核心优先考虑德州仪器公司的低功耗处理器MSP430，并严格控制系统活跃周期。监测系统需按照外部设备运行方式设计至少两组供电，严格控制持续供电组件的静态电流消耗，将电流消耗较大的器件用间断方式供电。

(3)监测系统的模块化

监测系统的设计应遵循模块化与标准化要求。监测系统按照功能划分为以下几个功能模块：传感器组件、实时模块、主控制器、存储模块、无线传输模块、供电模块等。

(4)监测系统控制软件的通用性

Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

(5)室内试验与野外运行相结合

地下水分层监测设备的三维可视化管理系统的研发将极大方便分层监测井的监测工作，三维仿真模块将能使用户直观、生动的查看监测井的地层状况、设备的立体分布情况以及每个监测层位的实时动态监测数据，并可实现信息交互；实时监控模块可以随时监测设备的运行状体以及对设备进行远程控制。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过分离的通讯主机和传感器组件，能够实现地下水监测从传统的混合监测到分层监测，室内分析为主到现场监测的转变，与地下水监测信息管理系统结合，可直接服务于国家级地下水监测工程建设、运行与管理，具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，包括若干传感器组件和监测主机；

传感器组件包括：具有存储功能和数字接口的传感器；

监测主机包括：时钟模块、主控制器、存储模块、无线传输模块和气压平衡部件；

时钟模块的时钟信号输出端与主控制器的时钟信号输入端连接，主控制器的存储数据输入输出端与存储模块的存储数据输入输出端连接，主控制器的无线数据输入输出端与无线传输模块的无线数据输入输出端连接；每个传感器的数据输出端均与监测主机中的主控制器的数据输入端连接，所述地下水分层自动监测系统，每个传感器均通过RS232或RS485总线与主控制器连接；

针对一孔多层监测井，采用具有单一通讯接口的多通道复合探头，将多个传感器集中为一个检测通道出口，配合多通道监测主机，实现多个监测层位地下水动态变化的获取。

2.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述监测主机透气孔采用聚四氟乙烯膜，进行气压平衡。

3.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述监测主机和传感器组件均设置在防水等级为IP68的外壳中。

4.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述时钟模块采用计时电流消耗为0.5毫安的时钟芯片。

5.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述的主控制器采用16位控制器MSP430。

6.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述的存储模块采用进入深度睡眠模式后典型电流消耗指标为1μA的M25PXX型存储器。

7.根据权利要求1所述的一种地下水分层自动监测系统，其特征在于，所述的无线传输模块采用最低待机电流消耗为0.9mA的无线传输模块。