摘要：本文主要探讨输变电工程水土保持在线监测系统，以提高水土保持监测工作质量和效率。以影响水土流失的气象因子与土壤含水量作为研究对象，选择符合技术要求的传感器，将传统的水土保持监测设备与最新测试技术、计算机技术和通信技术相结合，初步集成研发了水土保持在线监测系统关键技术。经现场试运行验证，系统关键技术测试数据误差率小于５％，精确度和可靠性较高。系统运行状态稳定，软件用户界面操作简单且功能完善，采集和处理数据具有直观、准确、实时的优点。[结论]研制的输变电工程水土保持在线监测系统关键技术具有良好的稳定性和精确度，满足技术要求，可应用于输变电工程水土流失监测实践工作中。
关键词：水土保持；在线监测；采集与控制；输变电工程；
1系统总体结构
输变电工程水土保持在线监测关键技术主要包括传感器集成、采集与控制模块、数据分析终端３部分。其中，传感器集成主要是集成雨量、温度、湿度、风速、风向、土壤含水量等传感器，将原始量转变为电信号并传输；采集与控制模块采用ＤＳＰＩＣ系列工业级单片机作为主控芯片，用于定时采集、存储传来的信号；数据分析终端是ＰＣ机设计程序，用于数据收集分析、处理、数字化显示、存储和形成报告等。系统总体设计框。如图１所示，输变电工程水土保持在线监测系统是现代测试技术和现代通讯技术相结合的产物，其工作原理是对水土流失各影响因子进行定时采样和按序存储，经ＵＳＢ本地导出或无线远程到监测中心，利用专用分析软件对所采集的信息进行归纳、统计和分析，最终得到监测地的水土流失状况。
2硬件设计
2.1传感器选型
鉴于目前传感器市场已较为成熟，本文选择市场上满足水土流失影响因子技术指标监测要求的传感器。各监测指标传感器选型为：
（1）雨量选择ＣＧ－０４型翻斗式雨量传感器；
（2）温度选择ＰＨＱＷ大气温度传感器，采用高精度热敏电阻作为感应部件，其阻值随温度变化而变化；
（3）湿度选择ＰＨＱＳ大气温度传感器，采用高分子薄膜湿敏电容作为感应部件，其介电常数随相对湿度而变化；
（4）风速选择ＰＨＷＳ风速传感器，采用传统三风杯结构，当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率信号；
（5）风向选择ＰＨＷＤ风向传感器，采用低惯性风标及精密电位器，当风向发生变化时，尾翼转动通过轴杆带动电位器轴芯转动，从而在电位器的活动端产生变化的电阻信号输出；
（6）土壤水分选择ＰＨ－ＴＳ１００土壤水分传感器，采用时域反射ＴＤＲ法进行测量，即通过测量土壤的介电常数，直接稳定地衡量各种土壤的真实水分含量，与土壤本身的机理无关。
（7）传感器供电由２２０Ｖ市政供电通过集成开关电源模块转为１２Ｖ提供。温度、湿度、风速、风向和土壤水分等监测传感器输出信号均采用ＲＳ４８５通讯；雨量传感器输出采用干簧管通断。
2.2采集与控制模块
采集与控制模块硬件主要包括：单片机最小系统、数据存储、通讯模块、电源模块和实时时钟模块。
2.3数据分析终端
硬件设计选择ＰＣ机作为上位机，利用ＵＳＢ通讯，定期读取采集数据，完成动作命令的发送端和上传数据的接收端，实现数据的分析、显示、存储和读取。
上位机程序是整个系统的测试管理层，为用户提供测试平台与系统的信息互动，也是各功能模块的入口。上位机程序基于Ｌａｂｗｉｎｄｏｗｓ／ＣＶＩ虚拟仪器进行开发。测试平台的功能模块有：
（1）设置功能。实现产品信息的输入以及参数的下传设置；
（2）下载功能。实现将采集数据按照存储目录的顺序读入上位机内存中，并从上位机发命令将下位机内存数据全部擦除；
（3）数据管理功能。实现数据的存储和查询，并导出报告；
（4）数据处理与显示，将读入的数据进行分离、处理和显示。上位机总体结构框图如图２所示。
3软件设计
3.1采集与控制模块
单片机（下位机）主程序流程图如图所示。程序以Ｃ语言为基础，利用ＭＰＬＡＢ开发软件编写。因为数据采集、数据存储的子程序动作次数不同，所以读取时间（ＲＴＣ）设定也不同。但每次动作采集数据流程相同。其中，雨量采集设定每分钟１次，温度、湿度、风速、风向、土壤水分等采集设定每半小时１次。采集的数据缓存至单片机中，每小时将数据打包存储至数据存储芯片。下位机在接收到正确的读数指令后，开始在内存数据中寻找按照指令携带的月、日信息的指定数据，按照通讯协议中规定的数据格式返回给上位机。
3.2数据分析终端
上位机（ＰＣ）向采控模块发送读取数据目录命令，将数据从目录区读回到ＰＣ内存，通过查看目录可知采控模块存储数据的时间。系统查询某天数据时，ＰＣ发送读数命令，采控模块将该天的数据量按２４ｈ连续排列，每天的数据量总数为１６８０，每１ｈ数据量为７０，数据格式为“温度、湿度、风速、风向、土壤水分、雨量（６０个点）”。ＰＣ按此格式读取该天的数据量，再重新拆分提取各参数的数据，并以整数形式存储在内存中。在图形处理过程中，程序将上面的原始数据进行拆解、分离、整合出各类数据，然后利用ＧＲＡＰＨ控件显示时间与各监测值的图形。因为温度、湿度、风速、风向、土壤水分等每３０ｍｉｎ采集１个点，可以显示在同１张图中；而雨量每１ｍｉｎ采集１个点，所以单独绘制图形。
4运行结果及分析
测试系统通过ＵＳＢ通讯与ＰＣ连接，可进行参数设置、数据查询、图形显示和报告导出等操作。软件对监测数据可按要求进行分析处理，根据实测数据，分析日平均温度、湿度、风速和日降雨量的变化情况，并绘制图形。为了验证系统在其他日期数据采集的准确度，选用市场上可读数的各独立指标传感器开展对比试验。对比验证试验持续时间１个月，试验方法为：将对比传感器和监测系统放置在同种环境下，等传感器工作稳定后，读取各独立传感器数据和监测系统测试数据。通过对比，得出各指标偏差均不超过５％。因此，研制的输变电工程水土保持在线监测系统关键技术具有良好的稳定性和精确度，满足技术要求。
结束语
综上所述，监测系统测试在高温、低温、大风、雷雨天气等不利条件下，无死机和数据丢失的情况，证明监测系统具备良好的工作稳定性和可靠性。监测系统测试数据误差率小于５％，证明系统采集和处理数据具有足够的准确性。监测系统上、下位机通讯良好，数据传输准确、迅速，数据管理软件用户界面操作简便、功能齐全。相比其他现有水土保持监测技术，本研究开发的水土保持在线监测系统可以满足输变电工程线性分布的特点，并且采集和处理数据具有直观、准确、实时的优点，但是目前还存在以下问题：测试期间，曾发生停电状况，导致部分数据缺失，建议为测试系统配备备用电源，保障系统关键技术能不间断工作。
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论文作者:范庆虎
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
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