远程水位监控系统

可根据水面情况来选择浸入式压力传 感器的安装位置。理想的安装位置为 （ｈ’为量程范围内水位最高点高度，为 水面波浪的最大波长，Ｍ为水位计量 程）。对于上述方法无法消除的水波干 扰，可以在测量过程中通过软件来修 正测量结果。
ｂ．流速
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图６压力传感器安装示意图
［３］张南纶，泛布尔代数在开关电路中 的应用，电子学报，Ｖ０１．１４，ＮＯ．４，１９８６年 ７月
［４］孙晓明，张南纶， 九点控制器，第 四届世界智能控制与自动化大会论文集，华 东理工大学出版社，２００２年，ｐ６４４～６４８
３、结论 从上面对非线性系统的研究表明，
［１］孙晓明、张南纶，基本型逻辑控制 器中国人工智能进展北京邮电大学出版社
ａ．水波
前者发送控制命令。硬件原理图见图ｊ
根据波浪原理可知，在日＞∥２时
所示。
（脉深，啵长），质点可认为是静止的，
流速对水位测量的影响主要是产 生水平或者垂直的动压力，从而导致 水位计的测量误差。但是流速所产生 动压力，一般为水平方向。为解决此类 问题，可以采用加装测井或者传感器 垂直安装等方式来解决。
块。对于显示模块，可以定义当无键盘 ＡＮＴｌ和ＡＮＴ２引脚是接收时低噪声接收
输入时，在一定延时后ＬｃＤ屏停止工 放大器ＬＮＡ的输入，以及发送时发射功
作。对于通讯模块，硬件上在保证通讯 率放大器ＰＡ的输出。连接ｎＲＦ４０１的天
正常的情况下尽量降低发射功率，在 线可以以差分方式连接到ｎＲＦ４０１，一
软件上采用通讯协议和可变占空比的 个５０ Ｑ的单端天线也可以通过一个差
２００４第０５期
酞．、： 测试技术与自动化卷
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ｎＲＦ４０１被配置成传统的外差式接收机， 所接收的射频调制的数字信号被低噪 声放大器放大，经混频器、中放、滤波 后进入解调器，解调后变换成数字信 号输出（ＤＯｕＴ端）。在发射模式中，数字
参考文献：
２００１年 ［２］孙晓明、张南纶、曾嘉，Ａｎａｌｙｓｌｓ
０ｆ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ０ｆ Ｔｈｅ Ｎ１ ｎｅ—Ｄ０１ ｎｔ ＣＯｎｔｒ０１］ｅｒ． ＰｒＯｃｅｅｄｌｎｇｓ ０ｆ ｔｈｅ ２００２ Ｉｎｔｅｒｎａｔｌｏｎａｌ ＣＯｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｎ ＣＯｎｔｒ０］ａｎｄ ＡｕｔＯｍａｔｌＯｎ，×１ａｍｅｎ，Ｃｈｌｎａ。Ｊｕｎ．２００２ （２００２ ＩＥＥＥ版权，Ｏ一７８０３—７４１３—４），Ｐ７３５— ７３８。
水位计软件程序流程图
基准面比较，看是否出现较大误差。如 果出现较大误差，则选择合适的修正 系数“，使得Ｈ。一￡＜Ｈｏ＝ｈ测ｇ“＜Ｈ。＋ ￡（ｅ为允许误差）内，将“保存。下次 输出的水位实际值就为测量值与“的 乘积。
三、小结 本系统的设计实现了河流、大坝
水位的实时测量和远程网络通讯，适 用于对水位水情监控要求较高的领域。 该系统的智能化、无线化、自动化的设 计为水位水情提供了安全保证和精度 需求。◆
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．．■上接第１５页
其中，Ｈ为压力传感器１、压力传感器 ２之间的垂直距离，为定值。
由此就能时刻监视水位计所在位 置的环境参数，如水位，含沙量，温度， 大气压力等等。这些参数为时刻监视 水文水情及水位计环境提供了可靠的 保障。
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下转第２６页◆
２００４第０５期
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测试技术与自动化卷 １＿ｅｓｔ １－ｅｃｈｎｏＩｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
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图５调整后的系统响应曲线 从上面的分析发现，在死区特性 较小的时候对系统的影响主要集中在 稳态作用部分，此时应该相应地调整 对应的稳态控制作用Ｋ。，在死区特性相 对较大的时候，就应该注意到对动态 性能的影响，并作出相应的调整。
图４供民原王里图
信号经ＤＩＮ端输入，经锁相环和压控振
候为系统提供电力。原理如图４所示。 荡器处理后进入到发射功率放大器射
为了保证系统的可靠运行，须对 频输出。由于采用了晶体振荡和ＰＬＬ合
系统功耗进行限制。一般来讲，本系统 成技木，频率稳定性极好；采用ＦｓＫ调
中耗电量最大的为显示模块、通讯模 制和解调，抗干扰能力强。ｎＲＦ４０１的
九点控制器特殊的闭开环结构在其对 非线性系统的控制中可以带来很大的 益处。在对非线性系统进行处理时，可 相应地将系统简化为各个特殊的非线 性环节，然后分析对系统控制作用及 其性能指标的影响，根据上述的控制 作用分析以及根据各个控制作用的特 点和功能进行对控制策略进行调整。 这就将非线性系统的控制问题得到了 极大的简化，这也是九点控制器设计 的成功之处。◆
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图５ ｎＲＦ４０１通讯电气原理图
ｎＲＦ４０１是Ｎｏｒｄｉｃ公司研制的单片 ｕＨＦ无线收发芯片，工作在４３３ＭＨｚ ＩＳＭ
（Ｉ ｎｄｕｓｔ ｒ１ ａｌ， ｓ ｃｉ ｅｎｔｉｆｉ ｃ ａｎｄ
Ｍｅｄｉｃａｌ）频段。它采用ＦｓＫ调制解调 技术，抗干扰能力强，并采用ＰＬＬ频率 合成技术，频率稳定性好，发射功率最 大可达１ ＯｄＢｍ，接收灵敏度最大为一 １０５ｄＢｍ，数据传输速率可达２０Ｋｂｐｓ，工 作电压在十３～５Ｖ之间。在接收模式中，
参考文献： １．ｎＲＦ４０１技术手册 ２．Ⅸ传感器的理论与设计基础及其应用》
单成祥编著国防工业出版社 ３．Ⅸ压力式水位计应用及精度分析》
丰建勤《海洋测绘》２００２年第二期 ４．《压力传感水位计在解台船闸的应用》
王秦地 《水运工程＊１９９６年第三期
鼋号盘—量ＥＬＥｃＴＲｏＮｌｃＳ ＱｕＡＬｌＴＹ
万方数据
１．电源： 水位计实际应用的自然环境多种
多样（比如没有电力供应的偏远山区或 者高原地区），因此能源选用就成为必 须考虑的问题。本着就地取材的思路， 充分利用当地的能源，如太阳能，风能 及水势能等。在这些能源中，太阳能因 其具有成本低、可靠性高等优点较其 它几种形式的能源更具有优势。由于 太阳能具有一定的周期性（太阳的有 无），因此必须提供备用电源，如锂电 池等蓄电池。这样就可以将多余的电 能储存起来，以备在太阳能不足的时
本系统由水位计和远程终端构成。 水位计实时收集被测点环境信息及水 位信息（如环境温度、大气压力、水面 高度、水体含沙量等等），然后将有关 数据发送给远程终端。数据经处理后， 信息导人数据库备份、这些数据可指 导工作人员采取相应的措施而对实际 水情加以利用或控制。
二、远程水位监控系统的设计： 远程水位监控系统中需要注意以
技术与自动化卷 ｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
４ ＠摘 要：本文针对河流、大坝水位特性而设计了一套远程水位监控系统，其中包括总体设计方案、硬件电路设固
计和软件编程思想，并对其远程网络通讯进行了详细的设计。
关键宇：水位监控 无线通讯 智能化
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｏｒ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｉｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｔｅ卜ＩｅｖｅＩ ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｊｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ。ｌｅｖｅＩ ｃｈａｒａｃｔｅｎｓｔｉｃｓ ｉｎ ｒｉｖｅｒｓ ｏｒ ｄａｍｓ，ｉｎｃｌｕｄＩｎｇ ｔｈｅ ｏｖｅｒａ¨ｃｏｎｃｅｐｔｕａＩ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｔｈｏｕｇｈｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ Ｉｏｎｇ·ｄｉｓｔａｎｃｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔＩｏｎ ｉｎ甘１ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａＩｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｉｎ
２００４第０５期
远程水位监控系统
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
刘湘， 胡生清， 张会群 合肥工业大学仪器仪表学院,安徽,合肥,230009;合肥锻压机床有限公司,安徽,合肥,230022
电子质量 ELECTRONICS QUALITY 2004，(5) 0次
参考文献(4条)
其中最基本的也是最重要的为水 位标定，因为传感器特性（如线性度， 温漂等）会随着时间、环境改变而改 变，所以在实际中必须加装能自动标 定的硬件或者软件来达到此种目的。 但是由于本系统由多个传感器组成， 其特性并不一致，因此在实际应用中
可以修改统一修正系数“得出Ｈ≈＝Ｈ… ｇ“。如图６所示，在水位在量程Ｍ内 变化的时候，在适当位置加装一只水 位开关。水位到达水位开关所在位置 时，开关量变化被单片机识别，系统立 即进入到标定状态。其原理图见图６。 水位开关位置高度为定值Ｈ。（其值在调 试时输入单片机），即可以作为基准 面。单片机先将水位值（未标定前）与
水位计中用到的传感器主要有大 气压力传感器、水下压力传感器１、２及
温度传感器，分别用来测量ｐ。、ｐ、、ｐ，、 仪。其中ｐ。为大气压实测值，ａ为温度 实测值，ｐ，、ｐ。为压力传感器１、２的压 力实测值。温度测出之后可以通过查 表得到温度修正系数０ｃ，并可以通过计 算得出含沙量修正系数经查表得出水 体实际含沙量。
下几点：电源、远程无线通讯、检测信 号的干扰及消除、智能化程度等。其系 统原理图如图１、图２、图３所示：
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万方数据
图１水位计硬件原理图
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圆圆图２远程终端原理图
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图３无线通讯系统示意图
该系统工作方式为：传感器输出模 拟量信号经过滤波放大，再经Ａ／Ｄ转换 送入单片机内，单片机根据需要，将数 据通过通讯模块发送给远程终端或者 通过显示屏显示出来。远程终端通过 通讯模块（如无线中继站）发送控制命 令（比如自动校正、复位等），水位计将 执行相应程序。
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一、绪论 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。 本系统能对水位进行实时无线监测， 从而在保证江堤安全的同时，提高了 水文水利科学管理水平。
1.nRED401技术手册 2.单成祥 传感器的理论与设计基础及其应用
3.丰建勤 压力式水位计应用及精度分析[期刊论文]-海洋测绘 2002(2) 4.王秦地 压力传感水位计在解台船闸的应用[期刊论文]-水运工程 1996(3)
ｃ．水体密度，温度，大气压力 由公式ｐ＝ｐｇｇｇｈ可知压力与水的
密度、重力加速度、水位的高度有关。 但是在实际运用中，水体密度受温度、 含沙量等因素影响，重力加速度受海 拔及经纬度影响，其值为变量。因此必 须用修正公式ｐ＝仅ｇ垤ｐｇｐ驴来测量水 位高ｈ＝（ｐ—ｐ。）／（ｑｇＹｇｐｇｐｇｇ），其中ｐ。为 大气压力、“为温度修正系数、Ｙ为含 沙量修正系数、ｐ为重力加速度修正系 数。其中ｐ需现场调试标定时输入。ｐ。、 仪、Ｙ会随着环境和时间而变化，因此， 加入对ｐ。、ａ、丫的测量或者间接测量， 不但保证了测量结果的准确性和可靠 性，而且能得出水位计的一些环境参 数。如图６所示。
４．智能化 远程水位计因其所处环境恶劣，
所以必须在软件及硬件中加入故障判 断的能力，比如在正常情况下ｐ。，ｐ．， ｐ。伐和Ｙ都是在一定的范围内，如果 最后的结果偏离了正常范围，形成粗 大误差，可通过查询方式发现问题，并 及时报警，同时将问题传感器隔离，以 达到水位计能继续保持工作一段时间。 这时虽然系统精确度下降，而可靠性 却得到一定程度的提高。
方式，来降低平均工作电流，达到节能 分转换匹配网络连接到ｎＲＦ４０１。
的目的。
３．信号干扰及解决方法：
２．远程通讯：
水位计在使用过程中，其测量精
在水位计中，因为其自身安装环 度会受到水波、流速、水体密度、温度、
境比较特殊，所以在终端通讯方式上 大气压力等因素影响。
选择无线通讯的方式，其工作原理为：
水位计向远程终端发送数据，后者向