CN106325177A - 一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，所述嵌入式监控器包括嵌入式控制器、指令控制模块、数据采集模块、通讯模块、工作状态指示模块、故障报警模块、电源模块、进水/出水电磁阀、水位传感器、补水计量传感器、溢水点滴计数器、RS‑485总线接口和GPRS无线通讯；通过利用计算机技术、无线通信技术、高精度检测技术等手段，可以实现蒸渗仪地下水恒位控制、补排水计量、数据采集与通讯、工作状态指示、故障报警功能，大大提高了数据观测效率和数据精度，自动化和智能化程度高，可实现无人值守，推广应用前景广阔。

Description

一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器
技术领域
本发明属于农林水利工程器材技术领域,尤其涉及一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器。
背景技术
蒸渗仪地下水恒位补偿是水量平衡计算中不可缺少的监测数据，是反映植物对水资源利用的指标。为了定量地确定地下水补排对植物生长过程的影响，往往需要精确控制蒸渗仪地下水恒定水位，并进行恒位补排水测定。国内外蒸渗仪按水计量方式不同分为称重式蒸渗仪和非称量蒸渗仪。称重式蒸渗仪水计量方式为称重法，其称重系统结构复杂、造价高，不宜大范围推广应用；非称量式蒸渗仪多采用计量法，其补水计量精度不高，这势必给水量平衡计算带来一定的误差。目前大部分蒸渗仪均采用人工观测设备，观测人员工作量大，错误和遗漏无法避免，加之气候条件的影响，即使高精度称重系统人工也很难准确观测。随着电子传感技术的不断应用，蒸渗仪系统已增加了多种传感器，因此迫切需要进行蒸渗仪地下恒位水自动化监控，以提高数据观测精度及其系统自动化程度。
目前用于蒸渗仪水位控制方法分为电子类和机械类。电子类水位控制结构简单，动作可靠，机械类水位控制不需电源可实现自动补水，但其维护频率较高。常见的水计量装置有水表计量系统及翻斗式雨量器计量系统，计量结构简单，且需要在水体流动状态下进行计量，计量精度受其流动性影响较大;目前市面上压力传感器使用安装方便，需将传感器固定在一个出水口位置，通过监测固定出水口位置的水压力来控制水位高度，同时也可监测不同时段的水压差确定其水位高度并进行水计量，其监测计量灵敏，应用前景广阔。
目前，已有蒸渗仪系统自动控制与监测装置问世，但这些装置，基本以单片机进行控制，局限性较大，扩展功能不强，外部接入设备兼容性差，难以实现无人值守的全自动化和智能化监控的目的。
因此，需要一种新的蒸渗仪地下水恒位嵌入式监控器来避免上述缺陷的产生。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于蒸渗仪恒位补排水控制与计量、数据采集与通讯、工作状态指示、故障报警于一体，且水计量准确、自动化、智能化程度高、功耗小，造价低的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器。
一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，所述嵌入式监控器包括嵌入式控制器、指令控制模块、数据采集模块、通讯模块、工作状态指示模块、故障报警模块、电源模块、进水/出水电磁阀、水位传感器、补水计量传感器、溢水点滴计数器、RS-485总线接口和GPRS无线通讯；
所述嵌入式控制器通过指令控制端口连接所述指令控制模块，所述指令控制模块与所述进水/出水电磁阀和所述水位传感器电连接，所述嵌入式控制器通过数据采集端口连接所述数据采集模块，所述数据采集模块与所述补水计量传感器、溢水点滴计数器电连接，所述嵌入式控制器通过通讯端口连接至所述通讯模块，所述通讯模块与所RS-485总线接口和GPRS无线通讯分别电连接，所述嵌入式控制器通过状态输出端口与所述工作状态指示模块电连接，所述嵌入式控制器通过报警驱动端口与所述故障报警模块电连接，所述电源模块通过220v电源输出端口与所述进水/出水电磁阀连接，所述电源模块通过5v电源输出端口与所述嵌入式控制器和所述通讯模块连接，所述电源模块通过12v电源输出端口与所述指令控制模块连接，所述电源模块通过24v电源输出端口与所述水位传感器、补水计量传感器、溢水点滴计数器相连接。
优选地，所述嵌入式控制器包括PIC18F46K80型微处理器、指令控制端口、数据采集端口、通讯端口、状态输出端口和报警驱动端口；所述嵌入式控制器通过指令控制端口接受水位信号和发布控制指令，通过数据采集端口接受传输数据，通过通讯端口进行数据通信处理，通过状态输出端口输出工作状态指示信息，通过报警驱动端口发布故障报警。
优选地，所述指令控制模块包括反相器、光电隔离器、三极管和继电器，设置有4路控制接口，每路接口I/O信号经过反向器、光电隔离器和三极管放大后的信号用于驱动继电器继而控制进水/出水电磁阀。
优选地，所述数据采集模块包括电信号采集转换单元和点滴脉冲单元：所述电信号采集转换单元设置4路通道，每路通道电流信号先通过200欧姆的精密电阻转换成电压信号，把处理后的信号传送给A/D转换器，进行数据转换；所述点滴脉冲单元由LM393比较器和NE555定时器构成，水滴计数时，比较器输出一个低脉冲信号，低脉冲信号经定时器产生一个高脉冲信号，溢出水量等于高电平脉冲的个数乘上一滴水的体积。
优选地，所述通讯模块包括RS-485总线接口电路和光电耦合电路，所述RS-485总线接口电路采用独立的5v供电，避免了系统电源的干扰，所述光电耦合电路中光电耦合器主要为了屏蔽干扰信号，提高信号的稳定性和可靠性。
优选地，所述工作状态指示模块采用红色、黄色、蓝色的LED来区分不同的工作状态，所述红色为电源工作指示，黄色为点滴脉冲状态和通信状态指示，蓝色表示继电器状态指示。
优选地，所述故障报警模块包括限流电阻、放大三极管及蜂鸣器。
优选地，所述电源模块包括由220v转12v5v双输出模块、220v转24v5v双输出模块、220v电源输出端口、5v电源输出端口、12v电源输出端口和24v电源输出端口。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，通过利用计算机技术、无线通信技术、高精度检测技术等手段，可以实现蒸渗仪地下水恒位控制、补排水计量、数据采集与通讯、工作状态指示、故障报警功能，大大提高了数据观测效率和数据精度，自动化和智能化程度高，可实现无人值守，推广应用前景广阔。
附图说明
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的结构框图;
图2为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的嵌入式控制器的结构框图;
图3为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的指令控制模块的结构框图；
图4为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的数据采集模块的结构框图；
图5为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的故障报警模块的结构框图；
图6为本发明一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器的电源模块的结构框图。
具体实施方式
为了清楚了解本发明的技术方案，将在下面的描述中提出其详细的结构。显然，本发明实施例的具体施行并不足限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的优选实施例详细描述如下，除详细描述的这些实施例外，还可以具有其他实施方式。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1-图6，本实施例公开了一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，所述嵌入式监控器包括嵌入式控制器1、指令控制模块2、数据采集模块3、通讯模块4、工作状态指示模块5、故障报警模块6、电源模块7、进水/出水电磁阀8、水位传感器9、补水计量传感器10、溢水点滴计数器11、RS-485总线接口12和GPRS无线通讯13；
所述嵌入式控制器1通过指令控制端口102连接所述指令控制模块2，所述指令控制模块2与所述进水/出水电磁阀8和所述水位传感器9电连接，所述嵌入式控制器1通过数据采集端口103连接所述数据采集模块3，所述数据采集模块3与所述补水计量传感器10、溢水点滴计数器11电连接，所述嵌入式控制器1通过通讯端口104连接至所述通讯模块4，所述通讯模块4与所述RS-485总线接口12和GPRS无线通讯13分别电连接，所述嵌入式控制器1通过状态输出端口105与所述工作状态指示模块5电连接，所述嵌入式控制器1通过报警驱动端口106与所述故障报警模块6电连接，所述电源模块7通过220v电源输出端口73与所述进水/出水电磁阀8连接，所述电源模块7通过5v电源输出端口74与所述嵌入式控制器1和所述通讯模块4连接，所述电源模块7通过12v电源输出端口75与所述指令控制模块2连接，所述电源模块7通过24v电源输出端口76所述水位传感器9、补水计量传感器10、溢水点滴计数器11相连接。
所述嵌入式控制器1包括PIC18F46K80型微处理器101、指令控制端口102、数据采集端口103、通讯端口104、状态输出端口105和报警驱动端口106；所述嵌入式控制器1通过指令控制端口102接受水位信号和发布控制指令，通过数据采集端口103接受传输数据，通过通讯端口104进行数据通信处理，通过状态输出端口105输出工作状态指示信息，通过报警驱动端口106发布故障报警；所述嵌入式控制器1通过所述水位传感器9持续监测传感器所在水位的实时压力信号，与设定的水位压力参数值进行比较分析并发布控制指令，指令控制模块2接受控制指令后启动进水/出水电磁阀8，完成补水动作；补水过程中，补水计量传感器10实时监测补水初末时的水压力信号，通过数据采集模块，进行信号处理和数据转换，完成补水计量，同时溢水点滴计数器11控制溢出水流速，并进行溢出水点滴计数，采集溢出水数据；所述嵌入式控制器1的状态输出端口105电接工作状态指示模块5，通过不同颜色的LED灯来区分不同的工作状态，用以显示系统运行所处的工作状态；所述嵌入式控制器1通过对接收的数据信息及状态信息进行监测，筛选异常数据信息和状态信息，分析记录故障等级，并控制故障报警模块6发出相应的故障警报，通知工作人员对系统设备进行检查和维修；
所述指令控制模块2包括反相器201、光电隔离器202、三极管203和继电器204，设置有4路控制接口，每路接口I/O信号经过反向器201、光电隔离器202和三极管203放大后的信号用于驱动继电器204继而控制进水/出水电磁阀8。
所述数据采集模块3包括电信号采集转换单元31和点滴脉冲单元32：所述电信号采集转换单元31设置4路通道，每路通道电流信号先通过200欧姆的精密电阻311转换成电压信号，把处理后的信号传送给A/D转换器312，进行数据转换；所述点滴脉冲单元32由LM393比较器321和 NE555定时器322构成，水滴计数时，比较器321输出一个低脉冲信号，低脉冲信号经定时器322产生一个高脉冲信号，溢出水量等于高电平脉冲的个数乘上一滴水的体积；数据采集模块3通过补水计量传感器10及溢水点滴计数器11采集数据，传输给嵌入式控制器1进行数据处理，再传输到通讯模块4，通过RS-485总线接口12与上位机互通信息，实现监测数据查询存贮及控制参数修改，或者通过GPRS无线通讯13，进行通讯数据远程控制，并对通讯数据汇总打包，发送到远程服务器终端。
所述通讯模块4包括RS-485总线接口电路和光电耦合电路，所述RS-485总线接口电路采用独立的5v供电，避免了系统电源的干扰，所述光电耦合电路中光电耦合器主要为了屏蔽干扰信号，提高信号的稳定性和可靠性。
所述工作状态指示模块5采用红色、黄色、蓝色的LED来区分不同的工作状态，所述红色为电源工作指示，黄色为点滴脉冲状态和通信状态指示，蓝色表示继电器状态指示。
所述故障报警模块6包括限流电阻61、放大三极管62及蜂鸣器63。
所述电源模块7包括由220v转12v5v双输出模块71、220v转24v5v双输出模块72、220v电源输出端口73、5v电源输出端口74、12v电源输出端口75和24v电源输出端口76 ；所述电源模块7采用全隔离型开关电源模块，为所述嵌入式控制器1和所述通讯模块4提供5v电压，指令控制模块2提供12v电压，水位传感器9、补水计量传感器10和溢水点滴计量器11提供24v电压，进水/出水电磁阀8提供220v电压。
所述进水/出水电磁阀8，接受继电器电流信号，控制进水/出水电磁阀8开关动作，完成蒸渗仪系统自动补水过程；所述水位传感器9，实时监测蒸渗仪系统水位电压信号，经数据采集模块3传入嵌入式控制器1，进行信号阀值判断；所述补水计量传感器10，实时采集蒸渗仪补水初未水电压信号，经数据采集模块3进行信号处理和数据转换，计算补水量；所述溢水点滴计量器11，控制溢出水流速，进行溢出水点滴计数，求算溢出水量；所述RS-485总线接口12与工控机互通信息，实现监测数据存贮及控制参数的修改；所述GPRS无线通信13，实现通讯数据远程控制及传输下载。
本发明通过利用计算机技术、无线通信技术、高精度检测技术等手段，可以实现蒸渗仪地下水恒位控制、补排水计量、数据采集与通讯、工作状态指示、故障报警功能，大大提高了数据观测效率和数据精度，自动化和智能化程度高，可实现无人值守，推广应用前景广阔。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述嵌入式监控器包括嵌入式控制器（1）、指令控制模块（2）、数据采集模块（3）、通讯模块（4）、工作状态指示模块（5）、故障报警模块（6）、电源模块（7）、进水/出水电磁阀（8）、水位传感器（9）、补水计量传感器（10）、溢水点滴计数器（11）、RS-485总线接口（12）和GPRS无线通讯（13）；
所述嵌入式控制器（1）通过指令控制端口（102）连接所述指令控制模块（2），所述指令控制模块（2）与所述进水/出水电磁阀（8）和所述水位传感器（9）电连接，所述嵌入式控制器（1）通过数据采集端口（103）连接所述数据采集模块（3），所述数据采集模块（3）与所述补水计量传感器（10）、溢水点滴计数器（11）电连接，所述嵌入式控制器（1）通过通讯端口（104）连接至所述通讯模块（4），所述通讯模块（4）与所述RS485总线接口（12）和GPRS无线通讯（13）分别电连接，所述嵌入式控制器（1）通过状态输出端口（105）与所述工作状态指示模块（5）电连接，所述嵌入式控制器（1）通过报警驱动端口（106）与所述故障报警模块（6）电连接，所述电源模块（7）通过220v电源输出端口（73）与所述进水/出水电磁阀（8）连接，所述电源模块（7）通过5v电源输出端口（74）与所述嵌入式控制器（1）和所述通讯模块（4）连接，所述电源模块（7）通过12v电源输出端口（75）与所述指令控制模块（2）连接，所述电源模块（7）通过24v电源输出端口（76）与所述水位传感器（9）、补水计量传感器（10）、溢水点滴计数器（11）相连接。
2.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述嵌入式控制器（1）包括PIC18F46K80型微处理器（101）、指令控制端口（102）、数据采集端口（103）、通讯端口（104）、状态输出端口（105）和报警驱动端口（106）；所述嵌入式控制器（1）通过指令控制端口（102）接受水位信号和发布控制指令，通过数据采集端口（103）接受传输数据，通过通讯端口（104）进行数据通信处理，通过状态输出端口（105）输出工作状态指示信息，通过报警驱动端口（106）发布故障报警。
3.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述指令控制模块（2）包括反相器（201）、光电隔离器（202）、三极管（203）和继电器（204），设置有4路控制接口，每路接口I/O信号经过反向器（201）、光电隔离器（202）和三极管（203）放大后的信号用于驱动继电器（204）继而控制进水/出水电磁阀（8）。
4.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述数据采集模块（3）包括电信号采集转换单元（31）和点滴脉冲单元（32）：所述电信号采集转换单元（31）设置4路通道，每路通道电流信号先通过200欧姆的精密电阻（311）转换成电压信号，把处理后的信号传送给A/D转换器（312），进行数据转换；所述点滴脉冲电路单元（32）由LM393比较器（321）和 NE555定时器（322）构成，水滴计数时，比较器（321）输出一个低脉冲信号，低脉冲信号经定时器（322）产生一个高脉冲信号，溢出水量等于高电平脉冲的个数乘上一滴水的体积。
5.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述通讯模块（4）包括RS-485总线接口电路和光电耦合电路，所述RS-485总线接口电路采用独立的5v供电，避免了系统电源的干扰，所述光电耦合电路中光电耦合器主要为了屏蔽干扰信号，提高信号的稳定性和可靠性。
6.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述工作状态指示模块（5）采用红色、黄色、蓝色的LED来区分不同的工作状态，所述红色为电源工作指示，黄色为点滴脉冲状态和通信状态指示，蓝色表示继电器状态指示。
7.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述故障报警模块（6）包括限流电阻（61）、放大三极管（62）及蜂鸣器（63）。
8.根据权利要求1所述的用于蒸渗仪地下水恒位补偿的嵌入式监控器，其特征在于，所述电源模块（7）包括由220v转12v5v双输出模块（71）、220v转24v5v双输出模块（72）、220v电源输出端口（73）、5v电源输出端口（74）、12v电源输出端口（75）和24v电源输出端口（76）。
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