水位检测无线传输设计方案

　　一、系统背景及设计目标
    
　　本系统完成水位检测，并将水位传感器的数据通过无线网络的方式传输回电站监控中心。这样就不需要像传统的数据采集方式那样，进行长距离施工、布线，才能够将数据传输回控制中心，减少了安装和维护上的困难。
   
　　本方案的水位自动检测和无线传输设备，达到以下设计目标：
　　1、设备自成系统，除了电源以外，无需额外的硬件设备支持，检测数据通过串口直接输出；
　　2、安装、维护简单；
　　3、系统自带网络配置软件，操作简单。
　　方案中现场数据采集设备，发电厂房内的数据接收设备（将无线数据转换成RS485 总线数据）均采用传统设计方案。在设计中，有几个备选方案，主要不同是实现数据的远距离传输具体方式不同，但都采用无线传输方式。

　　二、系统的组成
    
　　本系统由系统电源、水位传感器、数据采集控制设备、无线数据传输发送终端、无线数据接收终端组成。其中前四个部分构成前端采集设备，安装在水位采集现场，系统电源为整机提供稳定可靠的电源；水位传感器完成水位的检测；数据采集控制系统完成对水位传感器输出RS485 信号进行采集、分析，另外完成对无线模块、硬复位系统的控制；无线终端完成数据的网络传输。无线数据接收终端是一台无线终端，它通过无线网络得到前端采集设备获得的数据，并将无线数据转换成RS485 总线数据输出。

　　2.1、检测系统构成及特点
    
　　系统采用无线网络技术的无线检测系统，将水位传感器的输出信号，通过AD 采样，转换成无线网络可以传输的数据，传输到电站监控中心，实现了对水位进行实时在线检测，真正做到了远距离遥测。
   
　　系统具有实时性：实时在线监测；灵活性：用户可根据自己的需求，灵活、方便的设置参数；安全性：不论是产品、还是工具及其维护，都具有系统安全性和可靠性；采集方式：实时采集等特点。

图 1 系统构成示意图

　　1）传感器部分
    
　　选用中美合资麦克传感器公司的 MPM4700 型智能液位变送器，该传感器的特点是：全不锈钢结构，体积小，外壳防护等级可达 IP68；与介质接触的材料为陶瓷，可抵抗较强的压力冲击；顶部不锈钢帽可拆除，即可仿制膜片的意外损坏，又便于定期清洗；感压膜片与介质接触面积大，不易被堵塞。

　　2）无线数据传输设备
　　本方案中，设计了三种无线数据传输方式，它们各有优缺点，下面先对三种无线传输方式做具体说明。

　　A、无线 GPRS 数据传输方式

图 2 无线GPRS 终端

　　GPRS 模块在水位检测点和电站监控机房内均需要分别安装一个GPRS 模块，它主要完成数据的远距离传输。GPRS 其实是手机连接互联网的分组交换协议，这就可以使得GPRS 设备成为一个互联网设备，便于数据传输。

　　本公司的 GPRS 模块，在普通模块的基础上，增加TCP/IP 协议，同时自带AT 指令解释器。使用RS485 接口，数据传输部分采用透明传输的方式，便于连接到各种现有的成熟设备上，而不需要更改已有的数据传输协议。

　　B、 GSM 短信传输方式 

图 3 短信模块

　　在无线数据传输中，目前使用得非常多的是短信方式。只要用户熟悉 AT指令，则可以采用短信方式，将采集到的数据，传输到远端的一个短信接收模块上。

　　3）系统电源
    
　　系统电源采用外接 220VAC 1A 供电。系统电源模块使用隔离开关电源，首先将220AVC 电源转换成12VDC 的直流电源，然后再转换成各个模块需要的电源。

　　4）系统可维护性设计
    
　　本系统是安装在野外，如果系统出了问题，需要工程人员到现场维护，既费时，又费人力、财力，所以这里设计两层保障措施，防制系统死机。第一层措施是在无线网络中增加“心跳”数据包，如果长时间未收到心跳数据包，则进行一次软复位，同时发送复位指令给前端系统的其他设备，让所有设备进行一次软复位。但是第一层是建立在前端设备未出现死机情况下，才能进行，所以还需要独立于前端设备的一种硬复位方式，当前端设备系统出现问题的时候能够操作设备完成一次复位，并重新运行。第二层措施是在前端设备上，配备一个短信模块，并由短信模块输出 IO 控制前端设备供电。当前端设备出现问题的时候，又远端控制中心发送多条（例如3 条，为了防制误传）短信给前端设备的短信模块，短信模块收到短信之后，判断是否为复位指令，如果是则关断前端设备电源，延时数秒钟之后重新给设备上电，这样就完成一次系统复位。

　　5）前端采集设备的安装
   
　　前端采集设备，即系统电源、水位传感器、数据采集设备、无线数据传输发送终端，安装在野外露天环境下，因此必须做到防水、防雨、防雷击，所以需要对它们的结构及安装做相应的设计，下面先解决防水、防雨问题，在第四部分再对防雷击进行设计。

　　2.2 水位传感器安装
   
　　由于本检测系统是测量电厂上游进水口处水位，即对流动的水测量液位，所以安装时在水中插入一根Φ45左右的钢管，在管子位于水流方向的反向不同高度开若干个Φ5 左右的小孔，使水进入管中，在管的出口处将电缆线和接线盒固定。安装示意图如下： 
 

图4 液位传感器的现场安装示意图

图5 固定用脚架和法兰

　　投入液体中的部分为全密封不锈钢结构，传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内，防护等级为IP68；接线盒为铸铝结构件，安装于方便接线的地方，防护等级为IP65。传感器及放大电路，以及接线盒完全可以露天安装。

　　系统电源、数据采集设备、GPRS 终端安装采用的防水措施是，将安装于户外的系统电源、数据采集设备、GPRS 终端，固定在密闭的金属外壳机箱内。其中，需要外接的电缆，如无线检测终端用的天线延长电缆、信号电缆等，使用防水防爆的航空插头连接到机箱外部。无论开孔设置在哪里，在开孔处均需填充防水物质（如：腻子膏）。该金属机箱安装在水位传感器装置的固定脚架另一端，如上图4所示。

　　6）无线数据接收终端

　　发电厂房内安装无线数据接收终端，考虑到厂房内信号可能较差，需要使用射频馈线将天线延伸到厂房以外，如图1 所示。无线接收终端通过无线网络，从前端设备获得水位数据及现场其他参数；另一方面，将得到的数据通过RS485总线输出到厂房的监控设备，或者将水位数据转换为4~20mA 的模拟信号输出。

　　2.3、无线传感器网络方式 
 

4 2.4GHz 无线数据传输模块

　　2.4、三种无线数据传输方式的比较

　　传输距离：GPRS 和GSM 短信方式的传输距离仅受移动网络的影响，凡是有移动网络的地方，都可以采用这两种方式；无线传感器网络，可靠的传输距离为可视3Km，由于水位测量点距离电厂距离达到9Km，而且中间有山遮挡，所以必须增加中继节点，采取接力传输的方式才能够将数据送回发电厂房，除了测量点和厂房以外，另外至少需要配置3 个中继节点。

　　数据传输实时性：GPRS 方式，由于设备随时都在GPRS 网络中，两个GPRS设备形成点对点网络，所以可以较快的传输数据，延时一遍在10s 以内；GSM 短信方式，短信的发送与接收对于移动网络来说还是一个比较复杂的过程，发送短信一方，先要将短信发送到短信中心，短信中心再找到目的手机号，然后将短信发送给目标，中间可能收到短信阻塞、信号好坏的影响，延时从几秒到一天不等；无线传感器网络，由于是自组网，不受移动网络的影响，一旦网络建立完成，就可以较快的传输数据，一般延时在2s 左右。

　　维护费用：GPRS 的数据是按照流量计费，一般月租5 元，可以有30Mbytes的流量，基本可以满足大多数输出传输的要求，使用费较低；短信方式，没有一条数据，均需要发送一条短消息，虽然短消息的容量可以达到每条140 字节，但是基本上是几个字节就需要一条短信，所以如果每分钟有5条短信的话，每月的费用是非常惊人的；无线传感器网络，由于使用自组网，且是免申请的2.4GHz 频段，使用过程中完全无费用要求。

　　可靠性：由于三种方式均采用国外进口器件和成熟方案，而且三种方式均已用于多次工程项目，因此可靠性、技术成熟度上都是较高的。考虑到安装维护、数据传输实时性，其中GPRS 方式，在各种方式中占有一定优势，只是要承担一定的使用费用；如果使用费用是一个问题，则可以选择无线传感器网络方式，但是需要增加中继节点的安装和维护。综合考虑，建议选用GPRS 方式。

　　2.5、GPRS 网络设置软件
   
　　如果选用 GPRS 方式，考虑到GPRS 网络的特殊性，以及使用的灵活性，本系统需要配套一个网络设置软件，对串口波特率、工作模式、DTU 模式等进行相应的设置，软件界面如下图所示。 

图7 GPRS 模块网络配置软件界面

　　三、系统防雷设计
    
　　前面已经完成了前端检测设备的防水、防雨设计，下面针对防雷进行设计。
    
　　3.1、雷击破坏途径

　　由于前端设备是安装在户外，雷雨天气将对设备产生影响，将可能由以下几
种途径对系统产生破坏。
　　①直击雷：雷电直接击在露天的前端设备上造成设备损坏；雷电直接击在电源或检测线缆上造成线缆熔断。
　　②雷电波侵入：电源线、信号传输或其他金属管线遭到雷击或被雷电感应时，雷电波沿这些金属导线侵入设备，造成电位差使设备损坏。
　　③雷电感应：
    
　　当雷击中避雷针时，在引下线周围会产生很强的瞬变电磁场。处在电磁场中的检测设备和传输线路会感应出较大的电动势。这种现象叫电磁感应。当有带电的雷云出现时，在雷云下面的建筑物和传输线路上都会感应出与雷云相反的电荷。这种感应电荷在低压架空线路上可达100KV，信号线路上可40－60KV。这种现象叫静电感应。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。
    
　　电磁感应和静电感应称为感应雷，又叫二次雷击。它对设备的损害没有直击雷来的猛然，但它要比直击雷发生的机率大得多，按原邮电部的统计感应雷造成的雷击事故约占雷击事故总和的80%。

　　3.2、无线设备防雷措施

    根据对无线设备的结构分析，以及雷电可能的侵入途径，设计了以下防雷解决方案。前端设备应置于接闪器（避雷针或其它接闪导体）有效保护范围之内。当前端设备独立架设时，原则上为了防止避雷针及引下线上的暂态高电位，避雷针最好距前端设备3－4 米的距离。如有困难避雷针也可以架设在前端设备的机箱上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ8 的镀锌圆钢。为防止电磁感应，电源线和信号线应穿在金属管内以达到屏蔽作用，屏蔽金属管的两端均应接地。

　　为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线、信号线和控制线。

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