基于GPRS的新疆区域水资源监控系统设计与实现

也尔盼·乌尔克西

（新疆维吾尔自治区乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐 830000）

新疆远离海洋，深居内陆，四周有高山阻隔，海洋气流不易到达，降水量少，气候干燥。水资源成为制约新疆地区发展的重要因素。要在拥有这样气候的地区发展现代农业，就必须充分利用水资源，最大程度减少水资源浪费。

1 水资源监测系统

水资源监测系统由监控中心和测控点组成，是一种两级控制体系。第一级是系统监控中心，系统监控中心由主CPRS[1]通信模块和中心计算机（可以直接发出操控命令的计算机）共同组成；第二级是各个测控点，测控点由水位传感器、分CPRS通信模块、控制器等组成。每个监控点将监测点利用分GPRS模块将传感器获得的数据发送到主GPRS模块上，主GPRS模块再将数据传输到监测中心计算机，监测中心计算机将接受的数据进行筛选、整理，建立数据库，为区域用水提供自动化计算、制定合理的用水调度方案。

2 水资源监测系统硬件设计

（1）传输工具选择。因CPRS可以与指定的数据中心IP地址建立连接功能，可以在监控中心和各测试点之间建立一条双向传输的无线连路，所以利用CPRS作为传输数据的工具。

（2）传感器的选择。超声波水位传感器是一种与被测介质无接触的测量装置，基于传感器本身的工作原理，在测量时不用考虑腐蚀、淤泥等因素，测量的数据相对比较稳定。最终选择超声波水位传感器。

（3）电源模块的选择。各个测试点所在地带比较偏僻，无法选择室内供电，利用太阳能为测量装置供电是一种十全十美的方法。选择合适的蓄电池以及太阳能板是设计的关键步骤。水资源监测系统总功率为5.5 W，即蓄电池容量应大于5.5 Ah。考虑到遇上阴雨天气以及可能会有残留电，蓄电池选择10 V，24 Ah的铅酸蓄电池。考虑新疆地区有效光照时间、温差、损耗等因素，最终选择最大输出功率为15 W，输出电压为24 V，输出电流为l A的太阳能板。同时，对监控系统进行低功耗设计：考虑选用低功耗的芯片和器件；设计小功耗的硬件电路。有效控制电源的消耗，也需要重点考虑。根据新疆当地地区的供电情况，设计分区供电和间断供电的方法控制监测系统供电，降低不必要的消耗功率。

3 水资源监测系统软件设计

3.1 水资源监测系统中心计算机程序设计

水资源监测系统设计核心是中心计算机程序的设计。中心计算机的设计核心是监测系统控制软件的开发。监测系统控制软件主要包括：文件管理模块、用水系统模块、用水需求模块、配水计划模块、水量计量模块、用水控制模块、统计模块、政策法规模块、水费管理模块、优化用水模块。监测系统可以在用户录入用水区以后，对不同用水区的基本属性进行定义，从而建立基本结构。从干流开始，建立干流输水结构，进而建立支流与用水区的配水结构。监测系统还具有数据载入、数据整理、密码管理、数据备份、操作记录等功能。

3.2 水资源管理智能决策系统设计

3.2.1 用水预报与节约用水决策子系统

本系统由水资源原始数据、非充分用水信息、配调用水信息、交替用水信息、节约用水信息以及上述信息集成后的数据组成，立足水资源现状，面向全城百姓。只需在控制系统中输入此时的气象、上壤等参数，就可以准确、快速地作出用水预报与节约决策方案。

在节约用水实践中，一般采用农田用水平衡原理。如式（1）所示：

式中：I为T时段内的所需水量，mm；P为T时段内的降雨量，mm；G为T时段内补的给地下水量，mm，ET为T时段内的农作物水分蒸发量，mm；D为地表渗漏量，mm；R为地表流量，mm；AWS为T时段土壤有效储水量，mm。

预报未来用水时间，如式（2）所示：

式中：t为预报的未来用水间隔天数，d；Pe为预计降雨量，mm；Ge为T时段内地下平均补给水量，mm/d；Etc为T时段内平均农作物水分蒸发量，mm/d。

根据己知的气象信息推求ET值，由农作物的种类、生长周期或生长所需温差估算Kc值，从而可得Etc=Kc×ET；结合土壤中矿物质种类、土壤渗入能力、地表初始时含水量以及地下水深度，计算降雨量Pe，地下平均补给水量Ge以及土壤储水量AWS。Kc是影响农作物自身特性需水量的因素，mm/d。在进行用水决策时，除考虑农作物所处的生育阶段、适合农作物生长的土壤、以及适宜的水分外，影响最终决策的因素是：本次灌溉农作物的收益是否大于所用水资源的成本。y为本次农作物的增长量，kg/hm2；Py为农作物产品的预计销售价格，元/kg；Px为水资源的价格，元/m3；x为本次每小时的用水，m3/hm2。

3.2.2 计划用水区域与水量调配管理系统

本系统主要用途是新疆区域的计划用水管理和水量调配决策。其功能包含了新疆不同区域计划用水的管理。主要包括平均年度降雨量、全渠系、干支渠段水源蒸发量和需水区域的用水计划，分为两个程序：

（1）进行实际用水时各河流水量调配。主要包括就近配水、按比例配水、按需配水和河流干流支流优化配水等配水方案，各个方案适用于不同用水情况。

（2）进行区域用水总结。区域用水结束后需快速准确地进行各区域的用水量总计，与计划用水量进行对比，并进行本次用水总结。主要包括每次、每天、每月、每季和每年的用水总结，为各个区域实施节约用水管理提供决策。

4 水资源监测系统的实现

软件设计的关键在于控制中心与各测点之间链接的准确性。在软件设计时采用链接结果对比的做法，对各个测试点传输过来的数据进行校验，保证测试数据的正确性。每个测试点都有不同的地址编码，当控制中心向GPRS模块发送（在监测点安装，作为远程通讯设备）一个地址编码指令时，GPRS模块将编码传送给测试点，测试点接收到该指令，比较是否与自身的地址编码相同，如不相同则停止比较，如相同则表示目的地就是该测试点，并开始接收其他命令，见图2。

图2 监测系统程序流程

本系统应用于新疆地区的节水建设项目，在干流、支流、斗流布置24个监测点，利用超声波水位传感器完成各监测点的数据自动采集以及处理，实现水资源的远程控制和监测，监测程序为远程监控点→分GPRS模块→主GPRS模块→监测中心计算机。

5 结语

基于系统硬件设计、系统软件设计完成基于CPRS的新疆区域水资源监控系统设计，是实现水资源优化调度的基础。监控系统利用CPRS来完成数据监测、采集以及监测点与控制中心的连接，形成动态用水方案，有效地提高了区域水资源的利用率。该系统改善了过去难于动态配水、水资源利用率低、收费不合理等现象，降低了百姓的劳动强度，最重要的是节约了宝贵的水资源，满足了新疆地区对水资源的需求。