基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统设计.pdf

第4 6 卷第11期2023年11 月水电站机电技术Mechanical&Electrical Technique of Hydropower StationVol.46 No.11Nov.202353基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统设计陈业超（中山市堤围管理中心，广东中山52 8 4 0 0）摘要：常规泵站水闸信息实时采集系统准确性不高、系统延迟时间过长并且多采用人工技术来操作，设计基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统。硬件设计中，首先对作为系统主控芯片的单片机进行设计并对单片机连接电源进行分析。除单片机外，系统内多个传感器相互配合运行，包括光电开关传感器、电机转速传感器、ARM传感器以及红外线传感器。利用红外线传感器感知水位变化，并发送到光电开关传感器和ARM传感器，最后基于电机转速传感器发送到系统。软件设计中，对泵站水闸信息数据进行预处理，并对预处理后的数据进行特征提取，最后基于多个传感器的相互配合实现泵站水闸信息实时采集。为验证系统功能进行测试试验，结果显示系统在功能延时和压力值误差方面均具有明显优势。关键词：多传感器；泵站水闸；信息采集中图分类号：TV675DOl:10.13599/ki.11-5130.2023.11.016文献标识码：A文章编号：16 7 2-538 7(2 0 2 3)11-0 0 53-0 4功能，从而方便工作人员实时查看和管理这些数据。0引言同时也可以设置各种异常报警机制及处理方法，确泵站水闸是用于调节水流的设施，通常安装在保在发生突发事件时第一时间得到相应处理。泵站的出水口处。它可以控制泵站排放的流量和压1硬件设计力，以保证整个供水系统运行稳定、高效。同时，水闸还可以作为防洪设施，在洪灾来临时关闭门板，将洪水挡住。泵站和水闸都是现代城市生活中不可缺少的基础设施之一。它们可以有效地解决城市用水问题,并在自然灾害时提供重要的保护作用。泵站和水闸的信息采集可以通过传感器、监控设备、自动化系统等方式进行。常见的信息采集项目有：水位测量，使用水位计或超声波传感器来测量水位高度，以便确定泵站/水闸需要加注或放水的情况 3；流速监测，使用流量计或涡轮流量计等设备来测定河流中的流速,并根据数据调整泵站/水闸开启程度；温度监控，在特定区域安装温度传感器，检查是否存在过热问题，防止机械故障发生；液压压力检测，使用压力表或其他专业仪器，在管道中监控液体的压力，确保不会出现漏洞或损坏；能源消耗评估，记录电能消耗和功率输出数据并对其进行分析，以优化泵站/水闸运行效率并减少能源消耗；远程访问与报警功能，可以设置远程访问1.1单片机单片机作为系统设计的主控芯片，对系统性能起着关键的作用。面向泵站水闸信息采集领域，目前广泛应用的主控芯片主要有51，STC,PIC，A VR，STM32，A r d u i n o 等。为满足泵站水闸信息采集系统基本功能所需，减少外界环境、周围电路等干扰影响、满足一次处理数据的宽度，秉持价格便宜、抗干扰强、加密性好、兼容性好、速度快、空间合理利用等原则，选用STC89C52RC单片机作为信息采集系统的主控芯片。单片机最小系统由电源电路、时钟电路、复位电路组成。其中电源电路获取SV电源，为单片机供电，首先是将用户交流2 2 0 V电压转换为SV直流电压，然后再将SV电源转换为3.3V稳定直流电压供单片机收稿日期：2 0 2 3-0 8-0 8作者简介：陈业超（19 7 7-),男，高级工程师，从事堤围水闸泵站水利工程建设、管理、运行调度，水旱灾害防御和水利信息化管理工作。54使用，满足设计需求。电路原理图如图1和图2 所示。中F1C5R6NTC5DMP224KGC3XLCEARTHVDD5INR17P6SMB6.8CA图2 5 3.3V电源原理图图1中的U1是一个微型交流转直流模块，可以接人8 5 30 5V范围内的交流电压,通过U1把用户交流2 2 0 V电压整流成SV直流电源输出。R8是NTC热敏电阻,电阻值随着温度升高而下降,可以有效抑制接入交流电压时的浪涌电流。R6是压敏电阻，在电源输人端通过R6和F1保险丝起到过压保护的作用，有效防止过电压进人电路 5。C6和C9是X1等级的安规电容,接于两电力线之间,用于抑制差模干扰。为了滤除信号线上输人的共模电磁干扰以及自身向外的电磁干扰，抑制信号干扰，在电路中加人了共模电感Ll。图2 中采用正向低压降稳压器U10,将SV直流电源作输入转换成3.3V稳定直流电压输出，以供单片机其他模块使用。其中C22是电源输入滤波电容，C23是输出滤波电容，减少输出电压的波动并抑制自激振荡。在电路设计中，R17和C23组成RC滤波电路，滤除电源端噪声信号，提高信噪比，可以有效抑制信号干扰。设计中使用了瞬态抑制二极管DS,来保护电路安全。瞬态抑制二极管的反向截止电压为5.8 V,击穿电压为6.4 5V,能够防止交流电源的浪涌电流、静电放电以及开关电源噪音带来的损害，还可以抑制尖峰电压，把电压钳制在SV。最后通过发光二极管LED表示电路能否正常工作 6 。接下来选择按键复位进行复位电路设计，在无法正常运行程序或由于单片机受到外部干扰造成寄存器数据错误时，通过RESET复位键，电容快速通水电站机电技术过电阻回路放电，RST引脚的电位快速转变为高电平，维持到按键释放，使程序重新开始运行。根据公C6C4L1U1C9VLU0608-331图1单机片连接电路原理图TP_5VVDD5D5第4 6 卷式(1)和公式(2)可知,通电时,执行一条单周期指令只需0.1s,双周期指令则需要0.2 s。其中单片机最小系统原理图，如图3所示。T,=T,=12 T,U10VDD3.3C22C2310uF/16V一TP_GND(1)(2)LEDC2LED+5V1.2传感器除了单片机以外，在该信息采集系统中多个传感器相互配合运作，传感器的类型主要有光电开关传感器、电机转速传感器、ARM传感器以及红外线传感器。其中光电开关传感器，由接收器和发射器组成,具有结构简单、操作简便等优点。漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关以及槽式光电开关为目前常用的光电开关类型，工作示意图如图4 所示。图4 光电开关工作示意图选择对射式光电开关作为水位位置检测传感C3X1C1R1图3单片机原理图XTAL1XTAL2RSTPSENALEEAP1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7PO.O/ADOPO.1/AD1PO.2IAD2PO.3/AD3PO.4/AD4PO.5/ADSPO.6/AD6PO.7IAD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1.TXDP3.2INTOP3.3INT1P3.4/TOP3:5/T1P3.6WRP3.7/RD第11期器，由发送端和接收端组成,结构上两者相互分离，在光束被中断的情况下产生开关信号变化。无物体遮挡的状态下，接收器接收到发射器发射的光束，处于高电平状态，而在有物体遮挡的状态下光束被中断,处于低电平状态。电机驱动传感器主要是检测系统运动的快慢及其运动方向,其内部的驱动电路采用了H型的单桥为主要驱动方式。该驱动电路的启动开关通常是IRF4905或者IRF3205的晶体管，而电机驱动传感器的芯片则是IRF1210,以便完成对整体运动的监控。内部最主要的控制器则需要利用PWM信号来实现控制，基本上可以维持着泵站水闸信息采集系统整体的正常工作状态。红外线传感器利用红外感应装置来检测在进行信息采集过程中是否存在异常，从而根据反馈的结果来实现避让以及运行轨迹不被干扰。在ARM传感器运行中，单片机起着数据交换的作用，图5为传感器与单片机之间关系图。指令单片机HMC5885响应图5传感器与单片机之间关系图以上4 种传感器的使用，具体关系见图6。红外线传感器电源2软件设计2.1泵站水闸信息预处理在经过对信息采集系统硬件设计后,对系统进行软件设计。首先需要对数据信息进行预处理操作，预处理中运用聚类算法进行数据筛选，在聚类空间中，数据分布分为低密度区域和高密度区域，通过公式(3)可以得到低密度区域的关系数值：nd=(v-b,)n.v为在给定函数所属空间的位置信息；n,为当陈业超：基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统设计析数据，关系式如下：n;=p(na+n)xip代表区域经分割后子区域数量；i代表属性密度集中值。2.2泵站水闸信息特征量提取经过上述对数据预处理操作之后，对泵站水闸信息进行特征量提取，首先特征可以代表泵站水闸的物理信息，包括水位、水温、容量等信息。接下来通过DS算法对特征进行准确提取,其中DS算法的原理见图7。指令似然函数Pls上位机响应风扇核心控制芯ARM传感器片光电开关传感器图6 系统硬件传感器结构图55前函数所属空间的属性值域；b为低密度区域中对象样本个数。如果聚类空间中的数据类型在低密度区域被分割，则高密度区域中的数据将会显现出来。接下来根据公式(4)可以得到高密度区域的关系数值：ng=(v-a,)n.i为高密度区域中对象个数。接下来根据分析公式(3)和公式(4)的计算结果，可以得到泵站水闸信息数据经筛选后得到的聚类分(5)信任函数Bel证据拒绝证据信任结论区间的信任上限图7 DS算法的原理图根据图7 可知，各个区间分别代表数据特征信任程度,其中合成规则是DS算法中证据理论最为重要的一项操作。通过DS算法可以对泵站水闸物理信息特征进行信任度判断,并进行提取 。电机驱动传感器(3)(4)结论区间的信任下降2.3多传感器对泵站水闸信息采集上述提到的多种传感器相互配合运作，其主要目的是将水闸特征量信息进行初始化，将连续的特征转化为离散特征。需要先对特征属性进行排序，排列顺序为由大到小；初始的两个断点之间会构成一个新的区间；根据确定的离散状态特征进行断点区间的衡量，从而可以更加合理地对其进行选择或者分割；按照一定的算法对数据进行控制,以此来防止数据信息的丢失8。在此项操作中,以DS算法的理论依据为基础，通过传感器采集到的信息需满足下式：K(R=R式中，J代表泵站水闸物理特征系数；R代表电(6)56力驱动传感器驱动效率。通过固定的算法，对数据信息的特征量进行预处理,经过一定运算可以得到相互融合的结果,将所得到的结果与预先设置进行对比之后，可以实现利用多传感器对泵站水闸的相关信息进行实时采集。至此基于多传感器的泵站水闸信息采集系统设计完成。3测试试验3.1试验说明为验证本文设计的基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统具有可使用性，进行系统功能测试试验。3.2试验准备该测试试验环境见表1。表1环境配置信息名称内容处理器:Celeron(R)Dual-CoreT3100硬件环境主频:1.9 0 GHz内存:2.0 GB操作系统：WindowsXP软件环境集成开发平台：MyEclipse8.6JAVA开发工具包：JDK1.86.0Path路径:D:Vavaljdk1.6.0_10lbin;JDK配置ClassPath 路径：D:Vavaljdk1.6.0_10llibldt.jar;CloudSimClassPath路径：D：l c l o u d s i m-3.0 l j a r s l配置cloudsim-3.0.jar测试系统功能之前，首先要通过上位机软件对电能信息采集终端的系统参数和基本参数进行设置，完成命令下发任务。其中系统参数设置包括主站中心服务器的IP和端口号、APN和报警主机等。基本参数设置包括采集终端的设备号、采集上报时间设置、网络设置、表计和方案管理。注意网络设置中的IP地址要和本机网络在同一网段下，才能进行以太网通信。表计管理添加测点标识时，必须要根据电表通信参数来设置测点，系统测试采用的电表为三相四线式智能电表，测试所用电表的通信地址为7 0,通信协议可以选择MODBUS或者DL/T 645-2007,波特率为2 4 0 0,校验方式为8 E10。一个表计测点下最多支持50 个采集方案。3.3试验结果此次试验中，将系统传输数据延迟时间和压力值误差作为对比数据，其结果见表2。水电站机电技术表2 系统传输数据延迟时间/s压力值误差/%第一次0.25第二次2.15第三次1.79根据表2 数据可以看出，本文设计的基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统在第一次试验时，系统延迟时间为0.2 5s,其压力值误差为0.9 6%。已知延迟时间标准为3.7 s,因此可以得出本文方法在系统功能上延迟时间符合系统功能标准要求。为防止试验具有偶然性，在进行的其他两次测试中，基于多传感器的泵站水闸信息实时采集系统延迟时间分别为2.15s和1.7 9 s，压力值误差分别为1.0 6%和1.34%。经过上述数据的对比可以得到,本文方法延时时间和压力值误差方面在符合系统设计要求的前提下效果更好，因此在泵站水闸信息采集中更具有实用性。是否符合标准是是是是第4 6 卷0.961.061.344结语本研究泵站水闸信息实时采集系统从硬件和软件两方面进行设计，最后基于传感器相互配合实现信息的实时采集。但此次设计还存在很多不足，泵站水闸可能会由于一些客观因素影响水位的变化以至于信息数据不准确，在这一方面还需要深入研究。参考文献：1郝艳艳：基于多传感器的农业信息采集系统设计.长江信息通信,2 0 2 3,36（1)：9 9-10 2.2王辉.基于传感器技术的新型泵站水闸实时信息采集管理系统.水利科学与寒区工程,2 0 2 1,4(1)：111-115.3卢彪,陈宇，邱慧丽.基于无线传输技术的多传感器信息融合和信息采集系统的研究与设计.兰州文理学院学报（自然科学版）,2 0 19,33(4)：4 8-51.4郭璐璐.泵站水闸施工存在的质量问题及技术管理措施探讨D).工程技术研究,2 0 2 1,6(2 1)：19 5-19 6.5钱福军,唐鸿儒,包加桐.一种大型闸站信息管理系统整合方案的设计与实现.计算机应用与软件，2 0 14,31(12)：129-131.6陈业超.水利工程泵站水闸建设的施工管理探析.城市建设理论研究（电子版）,2 0 2 3（17)：4 5-4 7.7李晓作.水利工程中水闸泵站的施工质量管理与技术运用).珠江水运,2 0 2 2(2 4)：4 7-4 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