水位监测需求分析

1.1 课题研究的意义及作用

中国水之源总量居世界第六位，人均占有水资源量仅为世界人均占有量的四分之一，并且在地域上分布很不平衡，长江以北的广大地区，特别是北方大、中城市大部分地区处于缺水状态，水资源短缺已成为制约我国经济发展的一个重要因素。合理的利用水资源已成为我国现在面临的一个重要问题。

为了达到水资源的合理利用，除了要在兴修水利工程和提高全民节水意识等方面努力提高。而更重要的是应用新的技术信息，实时准确的了解和掌握各种水情信息，以此根据做出正确的水资源调度和管理，做到防患于未然，尽可能减少水资源的浪费。再加上长久以来水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用。水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控。在现场可能无法靠近或 无需人力来监控时，我们就可以通过远程监控，坐在监控室里对着相关的仪器就能对现场进行监控，既方便又节省人力。

为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。但是,由于不同电站有着不同的实际情况,因此就有着不同的技术要求,而且水位参数的测量方法和测量位置不同，对监测设备的要求亦有所不同。这样往往造成监测系统设备专用化程度高,品种多,互换性差,不利于设备维护,亦增加了设备设计、生产、安装的复杂性。因此,在综合研究水电站水位监测的实际情况以及特点的基础上,利用现代电子技术,特别是单片机技术和不挥发存储器技术,设计开发一种通用性好,可靠性高,维护方便,可适用于多种监测环境的多模式水位自动监测系统具有重要的实际意义。

本课题根据水库的水位测量需要,设计远程单片机水位监测系统，系统具有水位的自动检测、定时处理、数据GPRS 远程上传等功能。该监控系统的设计将会大大节省了人力物力，能够低功耗的实现24 小时连续监测和上传，实时控制水库水位，更好的适应现代水位测量的需求，为水库的大坝的安全、蓄水泄洪等提供依据。

1.2 课题研究的背景及发展现状

随着我国经济社会的发展，对水文信息不断提出新要求，水文观测内容不断

增加，对观测手段和方法以及水文监测技术的研发和应用提出了越来越高的要

求；现代电子技术、传感技术、通信技术、嵌入式技术和计算机技术的迅速发展和普及，为远程监控系统的实现提供了理想的平台，因此越来越多的水文站把基于无线通讯技术的嵌入式arm监控系统作为水利系统自动化管理的新手段。而随着水利自动化技术不断发展，水利系统的自动化水平也在逐步提高。水文监测是水文传感器技术与采集、存储、传输、处理技术的集成。其监测范围为：江、河、湖泊、水库、渠道和地下水等水文参数。监测内容为：水位、流量、流速、降雨（雪）、蒸发、泥沙、冰凌、墒情、水质等。而本次设计所涉及的水库水位远程监测只是水文监测系统中的一部分，用来监测水库水位。

从水文传统的人工监测技术分析来看，主要存在以下问题：记录方式以模拟

方式为主，就是数字方式记录的也很难方便的输入计算机处理；据处理基本靠人

工处理判断，费时易错；水文信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差，

无法适应现代水文的需求 。

目前我国水文自动测报系统建设的三个阶段：初级阶段、发展阶段以及网络化阶段。上一世纪七十年代中期开始到八十年代中期为初级阶段。八十年代中后期开始的十余年为（小流域）水文自动测试系统建设的发展期。九十年代后期为适应防汛和水利调度现代化、信息化的要求，以及近代通信、嵌入式、计算机和网络技术高速发展的时代特点，水文自动测试系统的建设进入了网络化阶段。

近三十年的发展历史，水文自动测报系统的建设和技术有了巨大的进步。在

不同的历史时期，所建系统快速采集的数据，为防汛和水利调度的决策提供了依

据和参考，发挥了相当大的社会经济效益。不少系统除常规水雨情信息外，闸门

开度、大坝渗压渗流、灌区水位流量、土壤墒情、风向风速、温度湿度、地下水

位乃至在线水质监视参数陆续纳入遥测系统，使遥测系统的功能大为扩展，从而

可为防汛、水利调度、水环境管理等各应用服务提供了更多的实时数据。

水文自动测报系统运用的先进技术有：

·可靠的传感技术：各种类型的传感技术，声学、光学、力学和化学的传感技术。

系统的可自动监测的参数不断丰富。

·所有可利用的通信技术：有线和无线通信技术，自建和公共通信网等。系统的

实时传输越来越快捷、准确。

·计算机及电子技术：从单片机到个人电脑、服务器，从高可靠的RTU 到双机

冗余，系统功能和可靠性不断提高。

·网络技术：从局域网到广域网，从数据库到数据共享，为预报提供了更好的数

据基础。系统为地方乃至全国的防汛、水资源调度及时提供准确数据的能力越来

越强 。

现在用于自动化监测的水位传感器主要有浮子式水位计、压力式水位计、电子水尺和超声波水位计等。这些传感器可以直接接到嵌入式isc2410主板的扩展口上，自动监测水位参数。

2 方案设计与比较

2.1 系统方案分析

本文主要探讨了基于无线通讯的模拟水库监测系统的设计问题。该系统要求

对水库的水位进行远程实时监测以保证水库的安全。设计思路是在下位端利用单

片机将传感器采集的水库信息进行处理，将处理好的数据通过无线模块传送到上

位机端，在上位机上可以清楚地观察水库的实时情况。根据实际应用的的需求，

本系统所使用的主要模块选择如下。

2.1.1 水位测量方式选择

（1）采用浮子感应原理。当水库水位变化时，浮子的移动通过钢丝绳、鼓

形轮使轴上的光电编码器发生相应的移动，从而将机械位移量转换成电子数字量

送给微机系统进行处理，实时显示水位信号。该测量方式是我国最早采用的一种

水位测量方式，技术相对成熟，比其其它水位测量方式，要多一套机械传动机构，

容易发生钢丝锈蚀、缠绕等故障，维护安装相对较繁杂，九十年代以后已不常采

用。

（2）采用压阻式液位变送器。水库水位变化时，压阻式液位变送器将水深

压力信号转换为电压信号，送给微机系统进行处理，实时显示水位信号。该水位

测量方式因无机械传动部分，维护安装方便，测量精度可靠性不断提高，是当今

用得较多的一种水位测量方式。

（3）超声波水位测量。超声波测量水位的原理是利用超声波的反射时间来

测距，传感装置向水面发射超声波，水面反射部分回波，反射波被装置探测，波

的运动时间与距离成正比，通过声速及所测时间即可求得水位。利用超声波测量

水位对温度、湿度要求较高。否则，温度、湿度变化大，则超声波传播速度的变

化也大，从而导致较大的测量误差。该测量方式研究较多，应用相对较少。

水位测量方式比较结果：水位测量方式较多，有浮子式、压阻式、超声波、

激光、吹气式等。从性价比及国内综合应用情况看，选用压阻式液位变送器作为

水位测量方式较合适 。