1系统结构
农田灌区地下水位自动监测系统主要由多个灌溉机井水位监测终端、数据监测中心和传输网络3部分组成，系统总体结构如图2所示。灌溉机井水位监测终端与数据监测中心采用C/S架构设计，传输网络采用GPＲS－VPN专网通信方式，并为使用的每张SIM卡绑定一个内部的IP地址，使数据在专网上传输，而不进入Internet网络，保障了数据传输的安全性。灌溉机井水位监测终端按照一定的规则部署在灌区机井的样本里，负责获取井内水位的高度，并通过GPＲS模块接入VPN网络，建立与监测中心服务器的TCP/IP网络连接，将采集到的水位信息和终端的ID打包上传到数据监测中心;监测中心上运行着专业设计的管理软件，负责收集来自各灌溉机井水位监测终端的水位高度信息，并实时直观集中地显示在显示器上，同时将数据存入数据库ACCESS2003中以便进行数据查询调用，也可实现历史曲线分析、报表统计和自动报警等功能［6］。如果由于降雨或者干旱等原因使灌区地下水位超出了预设的安全范围，管理软件会自动发出报警信号，告知管理人员科学调控地下水位，确保灌区的地下水位在合理的开采范围之内。
2灌溉机井水位监测终端
灌溉机井水位监测终端主要由嵌入式处理器LPC2129、GPＲS无线通信模块SIM300C、水位传感器PY206、调理放大电路、存储器K9K2G8U0M、SIM卡和LED显示器等组成，监测终端硬件结构如图3所示。水位传感器PY206被投到井中，受水压作用经调理放大后，输出0～5V的电压信号，嵌入式处理器LPC2129将其进行模数转化，根据预设的参数，计算出水位面距离地平面的距离h＇，并显示在本地的LED上，供现场的工作人员观察;嵌入式处理器LPC2129通过串口向GPＲS通信模块SIM300C发送AT指令建立与数据中心的TCP/IP网络连接，再将终端的ID号、采集时间和水位高度等信息进行打包，上传至数据中心服务器;一旦当网络出现故障无法与数据中心通信时，会将采集到的这些数据保存到本地的存储器K9K2G8U0M上，当网络恢复时再自动上传，保证了监测数据的完整性［7］。2．1水位传感器水压力传感器PY206采用进口高精度感应芯体，先进的贴片工艺，全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力以及优异的介质兼容性;配套带有零点、满量程补偿和温度补偿的高精度、高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA和0～5VDC标准电信号。该传感器最小量程为0．6MPa，量大量程为120MPa，综合精度:±0．25%FS、±0．5%FS和±1%FS［8］;供电为24VDC(15～30VDC);绝缘电阻≥1000MΩ/100VDC。控制器LPC2129的ADC0接口与压力传感器的电压输出相连，即可完成水压数据的采集和数字化处理，再根据公式(1)，将其转化为水位高度信息。2．2数据通信协议灌溉机井水位监测终端在软件设计方面主要获取从水位传感器PY206输出的电压信号，并将终端的相关信息一起发送到数据中心。为了保证终端与数据中心的通信能够相互识别，通信过程还要遵循一定的规则，故定义了特殊的数据通信协议，数据打包时就会按照这个协议格式进行封装成帧。通信时利用文本格式传输，根据串口通信特点定义:一个数据帧共计29字节，每个字符占用一个字节［9］。终端发送数据帧结构如表1所示。数据帧的开头以“star”为开始，并以“end”作为结束标志，中间部分为数据区，主要包括终端的ID号、数据的采集时间和水位的高度信息。同时，在存入本地存储器K9K2G8U0M和数据中心的数据库AC-CESS2003的过程中，也是按照这个数据帧格式进行建表。
3农田灌区地下水位监测管理软件
监测中心管理软件借助PC完成，工作在Windows环境下，是一个集数据输入、存储、显示、网络管理、数据库、查询和分析统计预测于一体的多功能软件。其采用VC++6．0作为开发工具编写，通过调用Socket函数与灌溉机井水位监测终端建立TCP/IP网络连接进行通信，接收灌溉机井水位监测终端定时发送来的地下水位数据;主机对这些数据处理后，将信息动态显示在屏幕上，同时将数据保存在数据库AC-CESS2003中，以备在需要的时候查询及进行分析统计预测，为今后安排灌溉作业提供数据支持，也可打印报表输出［10］。监测中心管理软件结构与功能框图如图4所示。管理软件实现的主要功能包括:①利用MScomm串口控件，实现与各地下水位监测终端的通信;②用Teechart控件实时绘制灌区各机井内的水位高度－时间曲线图;③根据历史数据进行统计分析，建立地下水位变化模型。数据监测中心服务器始终保持与灌区各监测终端的网络连接和数据交互，一旦发现监测机井的地下水位超过预设的安全范围时会自动触发报警，提醒数据中心的值班人员察看显示画面，并通知相应的管理人员指导灌区农民合理作业，控制水位在最佳位置，使灌区供需水量保持平衡［11－12］。
4试验结果与分析
为了验证系统的功能，对北方平原某灌区进行了为期12个月的地下水位监测。由于灌溉机井本身在选址建设时就考虑了均匀分布，选择了其中的6口井作为监测样本，对该区域地下水动态水位进行监测和分析。设置水位记录周期为6h，每天采样4次，测量与记录精度达到了0．01m。每口井的月度平均水位如表2所示。从表1中可以看出，这6口灌溉机井在同一时期(相同月份)的水位高度基本上持平，也验证了系统测量的准确性;但该灌区每个月的平均水位随着时间的变化上下浮动。设置水位的安全范围为－15～－30m，将表1中平均地下水位高度数据转化为直观图，如图5所示。从该区域月平均水位高度看，1－4月份由于没有灌溉需求，降水也很少，所以水位比较平稳;在5月份，由于灌溉用水加大，出现了相对降低的趋势;从6月份开始，由于持续的降水的原因，水位又出现了明显上浮，直到7－9月份，这也是雨季的旺季，地下水位到了最高－20．42m;在10－12月份，基本没有了灌溉需求，故水位基本没有太大的浮动。从灌溉用水量的年际特征变化来看，灌溉用水量与当年降水情势有一定关联性，且该灌区全年的地下水位都在警戒安全范围之内。
5结论
系统采用水位压力传感器获取地下水位高度，并选择了覆盖范围广的GPＲS网络技术解决了分布式数据传输问题，省去了复杂的网络建设费用。数据监测中心管理软件功能强大，不仅能监测每口井的水位高度，还可以利用数据库资源，建立水位高度与时间模型，对灌区地下水位的发展趋势分析预测，一旦出现地下水位超出了安全范围，能自动发出报警，提醒管理人员采取必要措施。经过长达12个月的实验表明，该系统工作稳定可靠，能够直观了解地下水水位动态变化情况，测量精度达到了0．01m，为合理管理灌区地下水的开采提供了强有力的数据支持。
作者：尹飞凰 单位：河南职业技术学院 电气工程系
