CN201352263Y - 地下水自动监测测报系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地下水自动监测测报系统，其具有多参数监测功能，高可靠性，适应于网络系统，并具有完善的处理方法，可实现数据共享。本实用新型包括监测主站，监测主站通过网络与地下水自动监测仪连接，监测仪与压力温度一体化传感器连接。监测仪包括单片机，单片机通过接口模块与传感器连接，单片机上连有GSM模块。监测主站上连有GSM模块。压力温度一体化传感器集成了陶瓷压力传感器和一线制数字温度传感器。

Description

地下水自动监测测报系统

一、技术领域：

本实用新型涉及一种监测系统，尤其是涉及一种地下水自动监测测报系统。

二、背景技术：

随着计算机技术、通讯技术及网络技术的快速发展，水文监测技术在国内外已达到一定的技术水平，不少技术人员致力于此技术的研究，并取得了一定的实质性成果。

国外地下水监测工作起步相对较早，目前美国哈希和GW环境气象仪器公司、荷兰Micro-Diver公司、德国水文科技公司都生产先进的传感器和自记或遥测系统。如荷兰Micro-Diver家族产品是全世界最小的可以自记地下水水位和温度的仪器，该仪器内部集成温度和压力传感器、内存和电池，外部为密封的不锈钢材质，这使Micro-Diver完全不受潮湿或外部电流的影响，可以在任何监测井中使用。德国地下水监测设备供应商HT公司和地下水软件供应商RIBEKA公司共同开发的地下水监测系统，荷兰的Micro-Diver“地下水水位自动监测仪”，从监测设备和系统软件上都代表了现在国际上的领先水平。

我国地下水监测工作起步晚，水文基础设施薄弱、采集设备、监测技术落后，尤其是在传感器技术的应用方面，满足不了现代化的长期自记、实时传输、便于查询的需求，计算机数据处理的配套系统还有待推广普及。现在国内的一些公司、科研院所在煤矿水文监测方面的研究应用也取得了一定的进展，例如哈尔滨的“DX-1水文动态监测系统”、煤科院西安分院的“KJ117_矿井水压实时监测系统”、泰安市优耐机械电子有限公司的“矿井水文监测系统”等，这些系统基本上实现了对地下各含水层水位的遥测，代表了国内在水文监测方面的先进水平。

国内外水位监测设备与系统，存在以下不足：

①国内产品监测参数比较单一，有的只能测水位；

②测量范围有限、精度不高；

③供电方式单一，不能方便的在野外恶劣环境使用；

④实时性差、无法满足工作人员及时掌握地下水各种参数的变化情况；

⑤软件分析处理能力弱、无法直观的反映地下水水位变化趋势，不能做到智能预测、预警；

⑥国外产品针对的是常规的地下水监测，不适应国内煤矿企业防治水的要求；

⑦未从全局出发设计监测系统的体系结构，难以大范围使用。

三、实用新型内容：

本实用新型为了解决上述背景技术中的不足之处，提供一种地下水自动监测测报系统，其具有多参数监测功能，高可靠性，适应于网络系统，并具有完善的处理方法，可实现数据共享。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种地下水自动监测测报系统，其特征在于：包括监测主站，监测主站通过网络与地下水自动监测仪连接，监测仪与压力温度一体化传感器通过通讯电缆连接。GSM网络短信招测内容全为汉字显示，系统满足国家监测中心、省级监测中心、地市级监测中心和县级监测中心四级水文监测机构的数据完全共享。

上述监测仪主机包括单片机，单片机通过接口模块与传感器连接，单片机上连有GSM模块。单片机程序拥有汉字字模库，实现短信汉显。

上述监测主站包括工控机，工控机上连有GSM模块。

上述压力温度一体化传感器集成了陶瓷压力传感器和一线制数字温度传感器。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和效果如下：

①多参数监测功能：水位、水压、水温、明渠流量、管道流量等有关水文参数；

②高可靠性：采用软件自复位和硬件看门狗技术，系统在无人值守情况下能可靠的运行；监测数据可通过通讯网络传输也可记录于仪器内，仪器可保存七千多组数据；

③适应于网络系统：监测数据可采用有线和无线数据收发装置传输到微机系统并实现联网运行，既适用于地下水资源监测预警，又适用于矿井水害预警；

④完善的处理方法：对于采集的水文信息采用多种方法以表格、曲线、报表、图形等方式实现数字的动态显示与可视化输出，并可进行相应的编辑、打印等操作，方便了用户的直观查询使用；

⑤数据共享：利用动态网页技术实现了水文数据的网络发布，以及水文数据的实时共享，方便了各相关部门用户的数据查询，满足了国家监测中心、省级监测中心、地市监测中心、县级监测中心对水文数据共享的要求；

⑥科学的预测、预警功能：利用等值线生成算法，实现了水压、水位的等值线的绘制；利用神经网络可根据历史数据预测水位的变化趋势，生成预警等值线图，并有实时数据的超限报警功能，为矿区的水文动态分析提供了有力的控制与分析手段。

⑦可建立了全国地下水监测测报系统体系结构。

四、附图说明：

图1为监测中心与监测分站构成的监测系统结构图；

图2为地下水自动监测仪的电路图；

图3为在监测仪和监测主站上增加GSM MODEM模块的示意图；

图4为数据传输实现示意图；

图5为压力温度一体化传感器的结构示意图；

图6为监测仪工作示意图；

图7为压力温度一体化传感器原理和安装示意图；

图8为年地下水埋深过程线；

图9为同测站多年过程线比较；

图10为监测成果表。

图中，1-避雷器，2-红指示灯，3-时间继电器线圈，4-开关电源，5-保险管，6-时间继电器延时开关，7-绿指示灯，8-充电器，9-电池，10-时间继电器常闭开关，11-单片机，12-接口电路，13-放大器，14-压力传感器，15-温度传感器。

五、具体实施方式：

参见图1，地下水自动监测测报系统，其特征在于：包括监测主站，监测主站包括工控机，工控机上连有GSM模块。监测主站通过网络与地下水自动监测仪连接，监测仪与压力温度一体化传感器连接。监测主站、网络传输平台、监测仪与监测仪下挂接的各种传感等组成了地下水自动监测测报统。监测主站与监测仪通过GSM通信网络互连构成监测系统；系统通过数据传输模块发送命令、接收数据和数据存储。监测主站接入企业局域网或互联网实现水文监测系统和企业管理网络一体化运行。

监测仪主要由监测仪主机、箱体、箱体内部电路三部分组成。监测仪箱体内安装有监测仪主机、充电器、时间继电器、避雷器、指示灯等。如图2所示，交流电220V经避雷器1、红指示灯2、时间继电器、绿指示灯7到开关电源4、充电器8，红指示灯2亮，表示仪器供交流电，绿指示灯7亮，表示仪器供直流电，时间继电器控制充电器8对电池9的充电时间，并由绿指示灯7显示电池9的充电情况，以上连接使得监测仪供电方式多样化。

监测仪主机内部包括有主板、GSM通讯模块两大组成部分。主板完成数据处理及计算等功能，GSM通讯模块完成数据传输功能，在有手机讯号的地方就能完成数据的传输操作，使数据传输不受距离限制。

地下水自动监测测报系统包括：

A.GSM通讯网络、Intranet和Internet网络完美结合应用

本系统将GSM通讯网络、Intranet和Internet网络完美结合，实现监测数据在监测仪和监测主站之间的数据传输，并通过软件完成数据的处理分析，生成各种直观的表格图形化中文报表，达到辅助人工决策的目的。

在监测仪和监测主站上增加GSM MODEM模块，如图3所示：

单片机系统中的软件驱动GSM模块进行短信数据的发送、接收和分析。为了使得普通的短信能为控制仪器工作所用，将短信内容格式固定，便于进行信息内容的解释。数据传输实现示意如图4所示：

Intranet是企业内部网的简称，它采用Internet相同的传输协议(TCP/IP协议)。不同的是Internet可以说是各种不同类型网络的集合，数以万计的政府机构、企业、组织和个人甚至军事部门都在使用它，而Intranet更像是局域化的Internet。它的使用者必须取得一定程度的授权，这样一来可以避免一些安全隐患。而这在Internet上是很难实现的。同时随着人们对Internet需求的迅速增长，网络拥塞、数据传递速度缓慢的现象日益突出，难以满足一些对实时性要求高的系统。本系统的监测主站连接到Intranet，通过运行CS版的客户端数据处理软件完成数据接收、处理和水文数据库的维护。同时，企业网内部用户可以通过CS或BS版数据处理软件共享水文数据。

Internet即国际互联网络，是以共享计算机软、硬件资源和计算机通讯为目的多机网络系统。人们通过文字、声音、图像在这个网上传送信息，同时还把大大小小的电脑信息网和数据库并入这个网络，从而形成了全球性的信息空间，为用户提供快捷的远程计算、资源共享和数据传输等服务。本系统通过设立WEB服务器和编制成的BS版数据处理软件，实现在互联网上的水文数据的查询，可以满足行业内部一致于社会上了解地下水相关信息的需要。

通过将以上所述的GSM网络、Intranet和Internet的有机结合，可以方便地实现水文数据库的建立、维护和共享。

B.图形(曲线)报表二合一的报表

本系统开发编程选用delphi作为客户端软件开发工具。由于选用的开发工具得当，本系统的曲线和报表功能丰富，并独创了图形(曲线)报表二合一的报表，为方便用户分析数据，辅助人工决策起到了很好的作用。

Delphi下报表控件比较多，本系统选用FastReport完成报表功能。它内置了TeeChart控件，可以在报表中显示内容丰富的曲线。图8-图10是系统生成报表的样张。我们充分利用了FastReport的强大功能，根据用户的实际需求，创建了报表曲线二合一的报表形式，深得用户赞赏。

本系统严格按照中华人民共和国水利行业标准[地下水监测规范(Technicalstandard for groundwater monitoring)2005-12-19发布]设计，系统应用统一的数据库接口，满足国家监测中心、省级监测中心、地市级监测中心和县级监测中心四级水文监测机构的数据完全共享。

A.完全符合国家地下水监测规范的数据库设计

数据库系统选用了Sqlserver2000。它具有使用方便、可伸缩性好、与相关软件集成程度高等优点。它还提供了很多工具，便于用户对数据进行有效的管理。

数据是实时监测系统的核心，数据库设计质量的好坏，不仅影响到系统运行的速度和成本，而且影响到系统的应用、维护管理和数据更新。同时数据库的内容和结构决定了系统的功能和质量，将直接影响用户使用，因此，设计并实现一个内容丰富、结构合理的数据库，是系统建设能否成功的关键因素。为此数据库设计遵循一致性原则、完整性原则、安全性原则、可伸缩性原则和规范化原则等。以可扩充性为例，在数据库编程中，采用了设立模板表，并根据监测量动态建立其对应的数据记录表的方法，使得应用系统解决了适应可变数量的监测量而不需要对数据库和程序做任何修改。

系统的数据库表按照《地下水监测规范》要求建立，因此可以实现国家监测中心、省级监测中心、地市级监测中心和县级监测中心四级水文监测机构的数据完全共享。

B.层次清晰的三层物理结构设计

本系统采用物理三层结构，分别称为数据采集层(遥测分站)，数据处理层(实时监测主站)，水文数据库及网络发布层，实现了数据采集、数据处理和数据的网络发布与应用。

遥测分站所监测数据，可同时通过GSM网与县级监测中心、地市级监测中心、省级监测中心及测水员相连接；国家监测中心、省级监测中心、地市级监测中心、县级监测中心通过互联网交换数据；各用户通过互联网或局域网访问数据。由此可组成以下独立运行的系统模式：遥测分站+县监测中心；遥测分站+地监测中心；遥测分站+省监测中心；遥测分站+县监测中心+地市监测中心；遥测分站+县监测中心+地市监测中心+省监测中心；遥测分站+县监测中心+地市监测中心+省监测中心+国家监测中心。

这样的体系结构适合我国分区域分阶段进行地下水监测系统的建设。各省市甚至各县可分别建立自己的系统，最终形成一个全国范围的地下水监测系统。

本实用新型采用频率信号且低电压供的电水位水温一体化传感器

参见图5，本系统配套的用来测量水位和温度的传感器为一体化压力-温度传感器。压力传感器14通过放大器13和接口电路12与单片机11连接，温度传感器15通过接口电路12与单片机11连接。

压力传感器为抗腐蚀的陶瓷型；温度传感器采用的是一线制数字温度传感器，具有体积小、测量范围大、功耗低、精度高和稳定可靠等优点。

传感器受到地下水压力后并感知水温后产生一组频率，这组频率通过高强度电缆传到监测仪，监测仪经过模拟信号/数字信号转换和相关计算等处理，得出水位埋深值和水温值，如图6所示。

压力(水位)温度一体化传感器集成了陶瓷压力传感器和温度传感器，经接口电路和A/D转换电路把压力和温度信号经过处理和整合(需测水位值时，要根据与压力对应关系换算)，形成频率信号传递给监测仪表头。这样的频率信号可以传输远达上千米，也不容易受到干扰。

本实用新型的工作过程：

地下水自动监测测报系统主要由监测主站和地下水自动监测仪(遥测分站)组成，遥测分站配有压力、温度一体化传感器，传感器测量到水位及水温频率值之后传送给遥测分站，遥测分站通过内部计算得出具体的水位及水温值并显示于遥测分站之上，主站配套软件发送招测命令给分站集成电路上的GSM模块，GSM通讯模块通过短信将所监测数据6组一打包发回给主站，并显示于主站软件，同时，可通过手机短信发送命令给分站手机号码招测实时数据与历史数据，分站收到命令后将指定数据以短信形式发回到招测手机号码上。

本实用新型的工作原理：

①遥测分站(地下水监测仪)

遥测分站由机箱、表头、电源和压力温度一体化传感器等。分站表头包含了单片机、显示屏、键盘、接口模块和GSM模块等。单片机通过运行软件控制分站完成各种指定功能；显示屏采用中文显示模式，可以显示测量数据和配合键盘进行分站参数设置；GSM模块用来实现将采集数据通过GSM短信形式发送给数据处理主站或指定的水文监测员的手机。

参见图7，遥测分站以H＝L-h为基本计算公式计算水位埋深。

H：表示水位埋深值(水位埋深是指监测井口固定点到水面的距离)；

L：表示传感器放入孔口内的线长；

h表示探头埋深(即压力传感器探头在水面以下的距离)。

压力温度一体化传感器放入水面下，受到水压而产生一组频率，这组频率通过高强度电缆传到表头，它通过模拟信号/数字信号相互转换等处理，得出h值，因放入孔内线长L一定，利用上述公式即可计算出H。计算出的水位埋深值和温度值在监测仪的显示器上显示并可以通过内置GSM通信模块发送到数据处理主站和相应手机。

②GSM网络数据传输的实现：

GSM俗称″全球通″，GSM系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。目前世界上主要的两大GSM系统为GSM 900及GSM1800，由于采用了不同频率，因此适用的手机也不尽相同。前者发展的时间较早，使用的国家较多，后者发展的时间较晚，使用的国家也较少。物理特性方面，前者频谱较低，波长较长，穿透力较差，但传送的距离较远，而手机发射功率较强，耗电量较大，因此待机时间较短；而后者的频谱较高，波长较短，穿透力佳，但传送的距离短，其手机的发射功率较小，待机时间则相应地较长。

串口是计算机上一种非常通用的设备通信协议，大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。

根据研究，制定的地下水自动监测测报系统的通讯协议如下：

包头：DD  包尾：#13#10

包头(2位)	站号(8位)	时间(10位)	埋深(6位)	水温(6位)	包尾(2位)
						DD					#13#10

波特率：9600  数据位：8  停止位：1  奇偶校验位：无

根据网络特点和本系统的需求，我们选用了GSM模块和其短消息业务(SMS)完成控制命令和监测数据的无线远程传输(见图3.7)。遥测分站和数据处理主站均安装GSM模块，双方通过GSM SMS双向通讯：主站向分站发送控制命令指示分站完成相应的操作；分站以短信形式将监测数据发送到主站或指定的手机。GSM SMS方式实现简单，通信费用低，数据可靠安全，保证了在无人值守下情况下对地下水的实时监测。监测仪可以分布在任何GSM网络可以覆盖的地方，它的数量理论上可以无限多，实际上仅受GSM网络吞吐量的影响，但是都能够满足大型的监测系统的要求。

数据处理主站上需要增加GSM Modem模块并为其提供稳定的工作电源；遥测分站上也已集成了GSM Modem模块，见图3。

遥测分站(监测仪)主要完成数据采集、预处理、数据编码、加密，控制GSM模块向主站发出打包后的数据；主站主要完成获取数据，解码，解密，将数据存入数据库等功能。

③压力(水位)-温度一体化传感器

本系统配套的用来测量水位和温度的传感器为一体化压力-温度传感器。它的压力传感器为抗腐蚀的陶瓷型：压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变；厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号。温度传感器采用的是一线制数字温度传感器，具有体积小、测量范围大、精度高等优点。

传感器受到地下水压力后并感知水温后产生一组频率，这组频率通过高强度电缆传到监测仪，监测仪经过模拟信号/数字信号转换和相关计算等处理，得出水位埋深值和水温值。见图6。

压力(水位)-温度一体化传感器集成了陶瓷压力传感器和温度传感器，经接口电路和A/D转换电路把压力和温度信号经过处理和整合(需测水位值时，要根据与压力对应关系换算)，形成频率信号传递给监测仪表头。这样的频率信号可以传输远达上千米，也不容易受到干扰。

本实用新型的工作方式：

地下水自动监测测报系统采用手机短信发送命令方式，在主站内部集成电路中集成有SIM手机卡，在遥测分站中同样集成有GSM通讯模块，配置有SIM卡，监测主站通过主站卡号发送短信给分站手机卡号，分站卡号收到短信后发送相关数据给主站，主站接收数据并显示，属于单项通讯的半双工工作方式。

Claims (4)

1、一种地下水自动监测测报系统，其特征在于：包括监测主站，监测主站通过网络与地下水自动监测仪连接，监测仪与压力温度一体化传感器连接。

2、根据权利要求1所述的地下水自动监测测报系统，其特征在于：监测仪包括单片机，单片机通过接口电路与压力温度一体化传感器连接，单片机上连有GSM模块。

3、根据权利要求1所述的地下水自动监测测报系统，其特征在于：监测主站包括工控机，工控机上连有GSM模块。

4、根据权利要求1所述的地下水自动监测测报系统，其特征在于：压力温度一体化传感器集成了陶瓷压力传感器和一线制数字温度传感器。

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