一种地下水自动监测系统的制作方法

本发明属于地质环境监测技术领域，具体涉及一种地下水自动监测系统。

背景技术：

地下水是水资源的重要组成部分，现在地下水水位持续下降、地面沉降、岩溶塌陷、海水入侵、土地退化等地质灾害与环境问题，成为经济社会发展的制约因素。现有的地下水监测绝大部分以人工测量为主，自动化程度低，检测精度差，不能满足监控地下水水位、水质等工作的要求。虽有一些地区已开始使用自动监测仪器，但仍需要采取定期到现场进行采集分析工作，且对监测仪器的运行状况无法进行实时监控，一旦发生故障难以及时排除，需要工作人员到现场进行修理、调试，耗时长，不够灵活。造成监测数据丢失、监测时间断续，影响对地下水的持续监测。

技术实现要素：

本发明提供一种地下水自动监测系统，包括中心系统和至少1个子系统，子系统通过通讯网络与中心系统通讯；

中心系统包括至少一台计算机和中心系统控制软件，中心系统控制软件设有数据接收解析模块、数据库系统及信息管理模块，具有展示、设备信息管理、数据分析、报警服务、远程控制子系统、监控、权限管理的功能；

子系统包括相连的采集主板和采集装置，采集主板包括控制模块、通讯模块、电源模块、存储模块，控制模块的数据输入输出端与通讯模块的数据输入输出端连接；电源模块包括相连的可充电电池和太阳能板，控制模块的电源管理端与电源模块的可充电电池连接，太阳能板装设在子系统外部，与可充电电池连接；控制模块的存储数据输入输出端与存储模块的存储数据输入输出端连接；采集装置包括大气压计、至少两支水位计，水位计中设有传感器，传感器包括压力传感器和温度传感器，采集装置的数据输出端与控制模块的数据输入端连接，水位计在竖直方向上间隔排布，水位计之间的间距是固定的。优选间距0.5～2m。更优选间距1m。

本发明中心系统的中心系统控制软件包括数据接收解析模块、数据库系统以及信息管理模块，主要完成终端监测设备传输数据的接入，并实现实时监测数据的解析、显示、查询、仪器设备管理、通讯设备管理、监测井信息管理、报警等功能。中心系统控制软件具体功能有：1)展示，具有GIS功能，矢量地图和影像地图相叠加作为展示数据基础，可随时在此平台上显示各监测井位的实际空间位置，并可展示各井位与基地的道路情况。当监测井位数据出现异常时，可自动跳转到当前监测井的位置，并显示数据、状态等信息。方便用户及时掌握各个监测井的位置及数据变化情况。2)设备信息管理，对监测井、监测设备、通讯设备信息进行编辑、展示。3)数据分析，使用数据列表、曲线图、报表对设备及监测信息展示。4)报警服务，对数据接收状态、电池电量的实时状态进行报警。5)设备远程控制，具有召测、补点、远程设备重启和设置、设备追踪的功能。6)监控评价，对监测设备、通讯设备电池更换周期、故障率进行统计。7)权限管理，采用用户、角色、权限的方式对工作人员管理。

本发明子系统的的采集主板，支持用户通过操控中心系统远程自定义设置数据采集间隔和发送间隔。并且支持远程仪器设置功能，不需要人员到现场去操作，大大节省了人工和交通产生的费用开支。通过内部设置的控制模块、通讯模块、电源模块、存储模块，实现多种功能：1)电源管理功能、控制电源开关，具有定时唤醒，定时关机功能。2)太阳能充电管理功能，可防止太阳能充电板对电池的过充，有效保护电池，延长电池的使用寿命。3)远程配置功能，用户可以通过北斗指挥机来更改系统配置。例如，用户不用到现场，即可修改每口监测井的数据采集间隔和发送间隔，不用到现场即可重启指定野外监测站(监测井)的设备。4)文件管理功能，子系统可以根据内存卡内配置文件的内容自动配置自身的运行参数。所采集的数据以日期为文件名，每天记录一个文件，避免了因数据记录过多而不方便查找的缺点，使用户可以快速下载所需的任意一天的数据。5)子系统除可监测用户指定参数外，还可以监测电池电压、北斗信号强度等信息。

本发明的子系统设有太阳能板，可以自行供电，不需要外接电源。太阳能板与可充电电池(通常选择可充电锂电池)能保证子系统正常运转8～10年。太阳能板采用多晶硅太阳能板，充电电压6V，最大功率为5W，工作电流为0.83A，材料为多晶硅电池+EVA+钢化玻璃+铝合金框架。由于系统采用超低功耗设置，每天太阳能充电电量远大于系统消耗电量，正常情况下，系统可以联系运行8-10年而不用更换。

本发明采用至少2个水位计，且水位计在竖直方向上间隔排布，水位计之间的间距是固定的。这样的设置可以通过压差计算卤水密度。

卤水密度是通过两只压力传感器所测压力的压力差来计算获得。在液体中，处在不同深度的压强不同，根据物理公式P＝ρgH，其中，P为压强，ρ为液体密度，g为重力加速度，H为液柱高度。两只压力传感器所测的压强为：

P1＝ρ卤水*g*H1

P2＝ρ卤水*g*H2

ρ卤水＝(P1-P2)/g(H1-H2)

当两只传感器之间的深度差值已知时，即H1-H2为已知，g为常数，P1和P2可通过传感器读数测得。所以卤水的密度就可以计算出。为了方便计算和保证测量精度，本发明通常采用不锈钢支架，将两只传感器通过固定螺纹固定到0.5～2m的间距，通常选择1m的间距。从而保证了卤水的水密度精度与压力精度直接相关。

在本发明中，采集主板是E700采集主板，采集主板的通讯模块可与北斗卫星进行数据传输，将控制模块发来的数据通过北斗卫星传送到中心系统中，并可从北斗卫星中读取北斗时钟，将获得的信息反馈给控制模块，控制模块获取信息后可校正子系统的时钟。

E700采集主板低功耗，功能可扩展，操作简单，集成化程度高，该主板可采集多路RS485数据信号，可编程对每一通道进行数据的采集和存储。E700采集主板的具体指标：供电电压3.7～4.2V直流，接口RS485、RS232接口，最大输出电流5A，待机电流小于1mA。

本发明通过北斗卫星系统实现子系统与中心系统的数据传输，解决了无人区通信问题和各类传感器通信兼容问题。

在本发明中，控制系统电源管理端具有太阳能充电管理功能，控制太阳能板与可充电电池间电路的开启与关闭；

在本发明中，控制系统电源管理端具有电源管理功能，控制子系统电路的开启与关闭。优选可根据控制系统设定的时间开启或关闭。

在本发明中，存储模块设有存储卡，存储卡接入存储模块中，可存储子系统获得的数据，存储卡抽出，可接入任一台电脑中，读取所存储的数据。

作为优选，存储模块设有数据接口，可支持用户插入存储设备，读取所存储的数据。

本发明的存储模块设有大容量的存储卡，通常采用4G容量的存储卡，可存储10年的数据而不用删除文件。用户可操作中心系统获取数据，也可通过取出子系统内存储卡，通过SD卡托直接插到电脑上读取数据；或使用子系统存储模块的数据接口，在野外也可实时方便的获取数据。接口数据记录格式可采用通用的TXT文本文件，不需要专业软件即可读取编辑。

在本发明中，控制系统具有远程配置功能模块，可接收中心系统发来的指令，更改子系统的系统配置。

在本发明中，子系统与中心系统之间传输的数据，经过加密算法加密后，再通过北斗系统传输。

子系统在采集数据后，将数据使用加密算法加密，然后通过北斗通信卫星，将数据发送给中心系统，通过中心系统控制软件，将数据解密后加入到数据库，数据库本身也进行了数据加密防护。

本发明采用了双层加/解密措施，一是北斗系统的硬件加/解密，二是主板内部嵌入式软件和监测中心管理软件的数据加/解密。

1)硬件加/解密：北斗系统采用码分多址直接扩频通信体制，其抗干扰能力强，并且在一定程度上保证了数据的保密性，完全满足水情数据采集应用中对数据的可靠性、保密性的要求。北斗系统允许传递机密级(含)以下的信息。

2)软件加/解密：E700主板内部嵌入式软件具有数据加密功能，在采集传感器测量数据后，将数据使用加密算法加密，然后通过北斗通信卫星，将数据发送给指挥机，指挥机将数据传送到电脑后，通过监测中心管理软件，将数据解密后加入到数据库，数据库本身也进行了数据加密防护。

在本发明中，传感器是扩散硅绝压传感器。优选k1485型扩散硅绝压传感器，扩散硅绝压传感器内设压力传感器和温度传感器。

本发明选用的扩散硅绝压传感器，精度高，能实时获取地下水实时动态和水位变化情况，更好的进行水密度和水温度的监测。

k1485型扩散硅绝压传感器，全量程压力精度为0.05％FS，量程为0～20m，测量水位精度为20mX 0.05％＝1cm，温度传感器测量精度：±0.2℃。且传感器材质为耐腐蚀316L不锈钢，数据接口为RS485数字量，可直接为系统主板采集，避免了由模拟量信号转数字量信号的精度损失。k1485型扩散硅绝压传感器内部除了压力传感器，还设有温度传感器，可实时对压力传感器进行温度补偿，降低了压力传感器因温度变化产生的精度漂移现象。

在本发明中，大气压计是绝压压力传感器。

为了保证水位测量值的准确性，以及各个压力传感器的一致性，大气压传感器通常选用同一厂家生产的绝压压力传感器。大气压传感器测量范围为0.8-1.3Bar，测量精度为0.05％FS，输出为RS485数字量输出。

在本发明中，子系统各部件间通过数据线缆连接，数据线缆包括数据传输线、屏蔽层、钢丝、抗拉纤维及外层包裹的PUR材料。优选的是，抗拉纤维选用凯夫拉抗拉纤维。

数据线缆长期浸泡在卤水中，应具备抗腐蚀、抗拉、耐磨等特性。所以本发明中，数据线缆的最外层采用PUR材料，耐磨耐腐。数据线缆内部配凯夫拉抗拉纤维和钢丝，提高线缆的机械强度和抗拉力。

PUR材料指是由异氰酸酯与多元醇反应而制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。PUR制品分为发泡制品和非发泡制品两大类，发泡制品有软质、硬质、半硬质PUR泡沫塑料；非发泡制品包括涂料、粘合剂、合成皮革、弹性体和弹性纤维等材料。凯夫拉抗拉纤维是美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料产品的品牌名，材料原名聚对苯二甲酰对苯二胺，具有密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型的优点。

在本发明中，子系统的采集主板设于耐老化防水外壳内。优选POM材料制成的防水等级IPX68的外壳，优选外壳的形状为圆柱体。

在本发明中，采集装置的大气压计和水位计分别设于防水外壳内，防水外壳设有与外界联通的通孔，大气压计、水位计的传感器设在通孔处。

本发明采用耐老化防水外壳，采集和存储单元采用防水外壳，且安装与不锈钢管内部，有效的增加了系统一体性和安全性。通常采用高强度POM耐腐材料做成，两道O型密封圈将主板与外界隔离，具有IPX68防水等级。外壳设计成圆柱型，可跟太阳能板不锈钢支架配合，直接安装在钢管内部，而不再需要外面悬挂仪器箱，保证主机的安全性。

在本发明中，子系统整体装设于不锈钢管内部，通过支架固定。优选还设有防雷器，并将整个子系统接地。

由于子系统是在野外露天运行，本发明充分考虑设备的防水和防雷措施，设有防雷器，并通过接地方式保护设备不受雷击。并且考虑到安装的便捷性，所有硬件采用简单、易安装方式。同时，可选用防盗螺丝和专用工具安装，提高防盗性与安全性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)完成了地下水监测数据采集、存储、发送的自动化和智能化，节省人力、财力和时间成本。通过北斗卫星进行通信，解决无人区通信问题和各类传感器通信兼容问题。同时系统可远程配置，减少了日常维护的工作量，使用起来智能方便。

2)整套系统性能稳定，耐腐蚀，可自行供电，不需要外接电源。同时使用太阳能充电系统，保证系统能稳定工作8-10年。采用大容量存储卡，可存储10年的数据而不用删除文件，同时对数据加密后进行传输，保障数据安全。

3)传感器精度高，准确且实时获取地下水实时动态和水位变化情况，更好进行水密度和水温度等的监测。同时采用高精度压力传感器进行水位采集，采用固定深度差压方式计算卤水密度。

4)子系统在野外露天运行，设备的防水性和防雷等措施充分。且采用耐老化防水的外壳，有效的增加了系统安全性。

总的来说，本发明的地下水自动监测系统精度高、使用方便，稳定可靠，可对地下水水位、水温、卤水密度等参数的定时自动采集，并通过北斗卫星传输数据。可广泛应用于海洋、环保、气象、水利、水文、水电等领域。

附图说明

图1是本发明地下水自动监测系统示意图；

图2是本发明数据线缆结构示意图；图中X1-凯夫拉纤维；X2-钢丝；X3-数据线缆；X4-屏蔽层；

图3是本发明采集主板结构示意图；

图4是本发明外壳结构示意图；

图5是本发明子系统安装示意图一；

图6是本发明子系统安装示意图二；

图7是本发明子系统安装示意图三；

图8是本发明防盗螺丝结构图；

图9是本发明防盗螺丝专用工具结构图；

图10是本发明中心系统控制软件登录界面示意图；

图11是本发明中心系统控制软件监测井位置分布影像示意图；

图12是本发明中心系统控制软件监测井位置分布地形示意图；

图13是本发明中心系统控制软件监测井快速定位示意图；

图14是本发明中心系统控制软件监测井信息示意图；

图15是本发明中心系统控制软件监测设备信息示意图；

图16是本发明中心系统控制软件通讯设备示意图；

图17是本发明中心系统控制软件监测数据历史记录示意图；

图18是本发明中心系统控制软件水位变化曲线示意图；

图19是本发明中心系统控制软件温度变化曲线示意图；

图20是本发明中心系统控制软件数据接收状态分析示意图；

图21是本发明中心系统控制软件电池电量低报警示意图；

图22是本发明中心系统控制软件电池更换周期统计示意图；

图23是本发明中心系统控制软件设备故障统计示意图；

图24是本发明中心系统控制软件角色、权限设置示意图；

附图标记：1-地下水自动监测系统；2-中心系统；3-子系统；4-采集主板；41-控制模块；42-通讯模块；43-电源模块；431-可充电电池；432-太阳能板；44-存储模块；5-采集装置；51-大气压计；52-水位计；6-中心系统控制软件7-传感器；71-压力传感器；72-温度传感器；8-数据线缆；81-数据传输线；82-屏蔽层；83-钢丝；84-抗拉纤维；85-PUR材料；

具体实施方式

本发明提供一种地下水自动监测系统1，包括中心系统2和至少1个子系统3，子系统3通过通讯网络与中心系统2通讯；

中心系统2包括至少一台计算机和中心系统控制软件6，中心系统控制软件6设有数据接收解析模块、数据库系统及信息管理模块，具有展示、设备信息管理、数据分析、报警服务、远程控制子系统、监控、权限管理的功能；

子系统3包括相连的采集主板4和采集装置5，采集主板4包括控制模块41、通讯模块42、电源模块43、存储模块44，控制模块41的数据输入输出端与通讯模块42的数据输入输出端连接；电源模块42包括相连的可充电电池431和太阳能板432，控制模块41的电源管理端与电源模块43的可充电电池431连接，太阳能板432装设在子系统3外部，与可充电电池431连接；控制模块41的存储数据输入输出端与存储模块44的存储数据输入输出端连接；采集装置5包括大气压计51、至少两支水位计52，水位计52中设有传感器7，传感器7包括压力传感器71和温度传感器72，采集装置5的数据输出端与控制模块41的数据输入端连接，水位计52在竖直方向上间隔排布，水位计52之间的间距是固定的。优选间距0.5～2m。更优选间距1m。

在本发明中，采集主板4是E700采集主板，采集主板4的通讯模块42可与北斗卫星进行数据传输，将控制模块41发来的数据通过北斗卫星传送到中心系统2中，并可从北斗卫星中读取北斗时钟，将获得的信息反馈给控制模块41，控制模块41获取信息后可校正子系统3的时钟。

在本发明中，控制系统41电源管理端具有太阳能充电管理功能，控制太阳能板432与可充电电池431间电路的开启与关闭。

在本发明中，控制系统41电源管理端具有电源管理功能，控制子系统3电路的开启与关闭，优选可根据控制系统41设定的时间开启或关闭。

在本发明中，存储模块44设有存储卡，存储卡接入存储模块44中，可存储子系统3获得的数据，存储卡抽出，可接入任一台电脑中，读取所存储的数据。

作为优选，存储模块44设有数据接口，可支持用户插入存储设备，读取所存储的数据。

在本发明中，控制系统41具有远程配置功能模块，可接收中心系统2发来的指令，更改子系统3的系统配置。

在本发明中，子系统3与中心系统2之间传输的数据，经过加密算法加密后，再通过北斗系统传输。

在本发明中，传感器7是扩散硅绝压传感器。优选k1485型扩散硅绝压传感器，扩散硅绝压传感器内设压力传感器71和温度传感器72。

在本发明中，大气压计51是绝压压力传感器。

在本发明中，子系统3各部件间通过数据线缆8连接，数据线缆8包括数据传输线81、屏蔽层82、钢丝83、抗拉纤维84及外层包裹的PUR材料85。优选的是，抗拉纤维84选用凯夫拉抗拉纤维。

在本发明中，子系统3的采集主板4设于耐老化防水外壳内，优选POM材料制成的防水等级IPX68的外壳，优选外壳的形状为圆柱体。

在本发明中，采集装置5的大气压计51和水位计52分别设于防水外壳内，防水外壳设有与外界联通的通孔，大气压计51、水位计52的传感器7设在通孔处。

在本发明中，子系统3整体装设于不锈钢管内部，通过支架固定。优选还设有防雷器，并将整个子系统3接地。

实施例1

根据罗布泊国投罗钾地下水监测井的实际情况，本发明提供一种地下水自动监测系统1，包括中心系统2和至少1个子系统3，子系统3通过通讯网络与中心系统2通讯；

中心系统2包括至少一台计算机和中心系统控制软件6，中心系统控制软件6设有数据接收解析模块、数据库系统及信息管理模块，具有展示、设备信息管理、数据分析、报警服务、远程控制子系统、监控、权限管理的功能；

子系统3包括相连的采集主板4和采集装置5，采集主板4包括控制模块41、通讯模块42、电源模块43、存储模块44，控制模块41的数据输入输出端与通讯模块42的数据输入输出端连接；电源模块42包括相连的可充电电池431和太阳能板432，控制模块41的电源管理端与电源模块43的可充电电池431连接，太阳能板432装设在子系统3外部，与可充电电池431连接；控制模块41的存储数据输入输出端与存储模块44的存储数据输入输出端连接；采集装置5包括大气压计51、两支水位计52，水位计52中设有传感器7，传感器7包括压力传感器71和温度传感器72，采集装置5的数据输出端与控制模块41的数据输入端连接，水位计52在竖直方向上间隔排布，水位计52之间的间距是固定的。间距1m。两只水位计支架采用不锈钢制作，支架上焊接两螺纹安装孔，确保螺纹安装平面相距距离为1m，用钢尺测量焊接精度小于1mm。以确保两只传感器间距精准，减少卤水密度计算误差。

在本发明中，采集主板4是E700采集主板，采集主板4的通讯模块42可与北斗卫星进行数据传输，将控制模块41发来的数据通过北斗卫星传送到中心系统2中，并可从北斗卫星中读取北斗时钟，将获得的信息反馈给控制模块41，控制模块41获取信息后可校正子系统3的时钟。

在本发明中，控制系统41电源管理端具有太阳能充电管理功能，控制太阳能板432与可充电电池431间电路的开启与关闭；

在本发明中，控制系统41电源管理端具有电源管理功能，控制子系统3电路的开启与关闭。可根据控制系统41设定的时间开启或关闭。

在本发明中，存储模块44设有存储卡，存储卡接入存储模块44中，可存储子系统3获得的数据，存储卡抽出，可接入任一台电脑中，读取所存储的数据。

在本发明中，存储模块44设有数据接口，可支持用户插入存储设备，读取所存储的数据。

在本发明中，控制系统41具有远程配置功能模块，可接收中心系统2发来的指令，更改子系统3的系统配置。

在本发明中，子系统3与中心系统2之间传输的数据，经过加密算法加密后，再通过北斗系统传输。

在本发明中，传感器7为k1485型扩散硅绝压传感器，扩散硅绝压传感器内设压力传感器71和温度传感器72。

在本发明中，大气压计51是绝压压力传感器。

在本发明中，子系统3各部件间通过数据线缆8连接，数据线缆8包括数据传输线81、屏蔽层82、钢丝83、抗拉纤维84及外层包裹的PUR材料85。抗拉纤维84选用凯夫拉抗拉纤维。

在本发明中，子系统3的采集主板4设于POM材料制成的防水等级IPX68的耐老化防水外壳内，外壳的形状为圆柱体。

在本发明中，采集装置5的大气压计51和水位计52分别设于防水外壳内，防水外壳设有与外界联通的通孔，大气压计51、水位计52的传感器7设在通孔处。

在本发明中，子系统3整体装设于不锈钢管内部，通过支架固定。全不锈钢支架外表喷涂白漆，增加一层防护。支架设计所有走线均在钢管内部，无外露线缆，还设有防雷器，并将整个子系统3接地。支架螺丝固定部分采用专用防盗螺丝，在易拧开或者连接处采用焊接或者暗销(视现场安装条件选择)方式安装。

实施例2

同实施例1，只是采用3个水位计52，水位计52在竖直方向上间隔排布，水位计52之间的间距是固定的。间距1m。

实施例3

同实施例1，水位计52间距2m。