地下水動態(tài)水位信號采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
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1 系統(tǒng)設計
1.1 系統(tǒng)設計要求
采集器的功能是將深井中的水位或水深信息收集起來，通過無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機系統(tǒng)。為了節(jié)省人力資源，采集器需要長時間免維護運行。采集系統(tǒng)要求架設維護方便、無需布線等，這就要求盡量減少施工環(huán)節(jié)，提高工作效率，降低成本。因此，提出了以下設計要求：
(1)通信可靠；
(2)低功耗，電池供電；
(3)架設成本低；
(4)易維護。
1.2 現(xiàn)狀分析
目前市場上出現(xiàn)的采集模塊靜態(tài)功耗較大，一般為200 mW～600 mW不等，制作下位機體積大，需外加蓄電池和太陽能板，容易被盜以及人為破壞；安裝復雜，在無電源地區(qū)使用時架設成本較高，不適用于條件較苛刻的專用場合；集成無線RTU體積也偏大，不能進階二次開發(fā)成專用產(chǎn)品，不能低壓供電也限制了在此系統(tǒng)中的應用。
1.3 系統(tǒng)方案
GSM網(wǎng)絡通信方式具有高速、可靠、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，易于實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信。 SMS是移動運營商提供的短消息服務，它基于GSM網(wǎng)絡通信。SMS支持GSM設備點對點和一點對多點的消息傳送，并可傳送一條短信和容納140 B的文本信息。在目標設備未在線或故障等情況下，短消息會暫存在運營商的服務器中，該種方式可以得到較高可靠程度。上位機系統(tǒng)可以是個人移動設備也可以是支持SMS的專用監(jiān)測設備。
GPRS是基于GSM網(wǎng)絡的高速數(shù)據(jù)業(yè)務，資費低，但在網(wǎng)絡繁忙時數(shù)據(jù)丟包、掉線的情況時有發(fā)生。由于地下水變化相對緩慢，對系統(tǒng)的實時性要求不高，所以采用SMS方式進行無線數(shù)據(jù)通信足以滿足要求，對于本系統(tǒng)資費同樣低廉。
為了易于更換和維護采集器，采用通用的5號堿性電池供電。硬件上采用各功能模塊選擇性分離供電，軟件上采用定時采集、定時上傳的方式大大降低了功耗，確定了長時間電池供電的可行性，從而免去了布線和安裝太陽能電池的工序和成本。采集器與GSM通信模塊集成，縮小了體積，可內(nèi)置于被測井口處，以方便安裝和后期維護。
2硬件設計
2.1 硬件結構
采集器(下位機)由微處理器、電池組、電源管理、GPRS模塊、壓力傳感器、時鐘日歷、信號調(diào)理以及A/D轉換器組成，如圖1所示。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/188569.htm
2.2 模塊設計
(1)主控制器：ATmega88V單片機作為采集器的微控制單元，內(nèi)置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲器，免去了外部存儲器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗，單片機工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時鐘頻率下。
(2)時鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時鐘日歷模塊，由獨立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進行實時通信，CPU查詢時間確定采集器的工作狀態(tài)。
(3)壓力傳感器：采用國產(chǎn)的KY型壓力傳感器，集成電壓變送器，工作電壓為10.5 V～15 V，輸出信號為1 V～5V，量程為0 m～100m
(4)A/D轉換器: 使用的是AD7921，12位A/D轉換器，SPI串行接口，它由電壓基準芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。
(5)信號調(diào)理：采用通用雙運放LM2904調(diào)理傳感器輸出信號和電池電壓信號送給A/D轉換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供(12 V)，對壓力變送器的1 V～5 V信號進行調(diào)理，首先前級為跟隨器，運放的輸出用一個電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號，第二路信號為電池電壓信號，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值(7 V)調(diào)整為小于A/D轉換的滿度值電壓(2.5 V)。兩路信號送給A/D轉換器進行數(shù)字量化。
(6)電源管理：4節(jié)5號電池串聯(lián)，取其中2節(jié)電池為單片機供電，用IRFU220與IRFU9530構成2個推挽輸出由單片機的GPIO選擇性地為測量部分(包括壓力傳感器、A/D轉換器、信號調(diào)理電路)和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個LT1086穩(wěn)壓后為GSM模塊提供3.6 V電源，由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號調(diào)理電路提供12 V電源。
(7)GSM模塊：采用Wavecom公司的GR64模塊，與單片機的接口為異步串行接口，編程時采用AT指令對模塊進行設置、會話以及打包數(shù)據(jù)和發(fā)送信息。
2.3測量誤差分析
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