基于多種可再生能源供電的寒區(qū)冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.pdf

1、冰情檢測(cè)與冰凌災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)防是中國(guó)南北極科學(xué)考察、高寒區(qū)內(nèi)陸河道水文預(yù)報(bào)、水電大壩與長(zhǎng)距離輸水工程、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域急需的應(yīng)用技術(shù)，也是國(guó)家防汛減災(zāi)系統(tǒng)建設(shè)的主要任務(wù)之一。由于冰情監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)大多地處氣象條件惡劣、交通、供電條件受限的野外環(huán)境，要實(shí)現(xiàn)對(duì)極寒區(qū)野外環(huán)境下對(duì)河流、湖泊、水庫(kù)等現(xiàn)場(chǎng)冰情的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)將會(huì)遇到比常規(guī)條件下水文測(cè)報(bào)更大的困難，一般設(shè)備價(jià)格昂貴、功耗高、抗凍性差，特別是如何解決檢測(cè)系統(tǒng)長(zhǎng)期供電、在極低溫（低于-30℃）

2、環(huán)境下設(shè)備的正常工作的問題，是目前國(guó)際、國(guó)內(nèi)水利工程與水文測(cè)報(bào)領(lǐng)域尚未得到很好解決的國(guó)際性難題。
　　本課題針對(duì)冬季野外環(huán)境常年處于于-30℃下的黑龍江流域河道野外冰情檢測(cè)的需求，在水利部公益性科研專項(xiàng)“黃河冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)(No.201201080)”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于空氣、冰與水物理特性差異的冰層生消過程與力學(xué)強(qiáng)度連續(xù)在線檢測(cè)原理研究(No.51279122)”等項(xiàng)目資助下，設(shè)計(jì)了基于冰、水、空氣物理特

3、性差異由多種可再生能源供電的寒區(qū)冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
　　該系統(tǒng)研制了可以對(duì)冰層內(nèi)部及冰下水層等效電阻、溫度梯度變化狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)的R-T冰層厚度傳感器，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江河道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的特殊地理環(huán)境，提出了利用再生能源的環(huán)保型水光互補(bǔ)供電系統(tǒng)、超低功耗智能保溫系統(tǒng)的特殊冰情檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，融合了單片機(jī)、GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃滦碗娮有畔⑻幚砑夹g(shù)，設(shè)計(jì)研制了低功耗、低成本、抗低溫的冰情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在極低溫野外環(huán)境下對(duì)黑龍江河道封

4、凍期水體冰蓋的定點(diǎn)、實(shí)時(shí)、連續(xù)、遠(yuǎn)程、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，為高緯度地區(qū)冬季冰情檢測(cè)提供了一種可行的系統(tǒng)設(shè)備。在設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過程中，本論文完成了以下研究?jī)?nèi)容:
　　1.在分析了現(xiàn)有冰情檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用于黑龍江河道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的特殊地理環(huán)境，提出了利用再生能源的環(huán)保型水光互補(bǔ)供電系統(tǒng)、超低功耗智能保溫系統(tǒng)的特殊冰情檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
　　2.在-50℃～30℃溫度范圍內(nèi)對(duì)冰和水的等效電阻隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了冰、水等效

5、電阻受溫度影響的變化規(guī)律以及冰層中溫度梯度的分布規(guī)律，建立了在-50℃～30℃溫度范圍內(nèi)基于冰、水、空氣等效電阻-溫度差異檢測(cè)冰水情的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?
　　3.根據(jù)研究試驗(yàn)結(jié)果和高寒地區(qū)工程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)際情況，完成了包括現(xiàn)場(chǎng)采集和上位機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、功能控制的冰情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了新的利用可再生能源的環(huán)保型水光互補(bǔ)供電系統(tǒng);
　　4.完成了冰層厚度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了與傳感器配套的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理

6、硬件電路及模塊選型。在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理硬件電路設(shè)計(jì)中除設(shè)計(jì)了常規(guī)的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理電路外，還根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用于極寒區(qū)野外環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用的超低功耗智能保溫防凍系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以在氣溫低至-50℃的高寒地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間保持正常工作，提高了系統(tǒng)設(shè)備的抗凍性和可靠性;
　　5.完成了冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集電路的軟件設(shè)計(jì)，使檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冰情現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)處理、遠(yuǎn)程通信，使整個(gè)冰情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的遠(yuǎn)程無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)功能