雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的組成及應用

蔣虹+++黃明

摘 要：介紹了廣泛應用于水利信息自動化采集中的雨量、水位傳感器等參數(shù)為主的數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的設計構成，以及在實際中應用。

關鍵詞：傳感器；單片機數(shù)據(jù)采集；遠程通訊RTU

1 雨水情監(jiān)測系統(tǒng)的應用背景

在水利信息自動化應用中，雨量、水位的監(jiān)測正由自動化取代傳統(tǒng)的人工采集，RTU也即遠程遙測終端，其主要完成兩個功能，第一個功能是采集前端傳感器的數(shù)據(jù)，第二個功能是將采集的數(shù)據(jù)傳送給運行監(jiān)測分析軟件的工控機，遠程遙測終端廣泛應用于各種各樣的的自動測報系統(tǒng)中，是整監(jiān)測個系統(tǒng)的重要組成部分。目前環(huán)保、水情、氣象、石油、煤礦、電力、交通、農業(yè)以及科研領域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用RTU。要做好水情預報工作，就必須實時監(jiān)測諸如雨量、溫度、水位、閘門開啟情況、濕度以及流量等參數(shù)，這些參數(shù)如果不借助RTU監(jiān)測，而是通過人工監(jiān)測，其困難是不可想象的。目前很多RTU監(jiān)測點都配備為無人值守的監(jiān)測點，這些監(jiān)測點一旦建成，就不需要排專人看守，極大降低人力成本。無人值守RTU具有高效、穩(wěn)定以及成本低等特點，因此在水情監(jiān)測中被廣泛應用，無人值守RTU主要通過兩種方式向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，一種是通過無線電臺，這種方式屬于自建網(wǎng)絡，不需要額外的費用，但傳輸距離有限；另一種方式是借助公共的GSM網(wǎng)絡，這種方式基本不受距離的限制，但由于需要借助外部的傳輸網(wǎng)絡，需要交納一定的費用。遠程遙測終端RTU主要應用于需要遙測數(shù)據(jù)的地方，除了氣象和水利行業(yè)外，在油田自動化、變電站的遠程監(jiān)測點、供氣供水管網(wǎng)以及輸油管道的監(jiān)控點都被廣泛使用，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。

2 遠程遙測終端組成

本系統(tǒng)面向水情監(jiān)測，因此與大部分遠程監(jiān)測系統(tǒng)具有很多的共性又有很多的獨特性，在設計之初就充分考慮了系統(tǒng)的可擴展性，稍加改造就完全可以應用到機房監(jiān)測以及氣象監(jiān)測等領域。水情監(jiān)測主要監(jiān)測水庫以及河流的水情，主要包括水流流量、水庫以及河流的水位、水溫、各進出水口的閘門開啟情況以及大壩安全等參數(shù)。這些參數(shù)根據(jù)位置遠近以及現(xiàn)有條件分別選擇不同的傳輸方式傳送到中心站。對于那些要求實時性高的水情數(shù)據(jù)，盡量選擇穩(wěn)定的傳輸方式，在很多情況下也可以選擇多種方式傳送一組數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)街行恼尽１鞠到y(tǒng)目前可以采集雨量、水位、以及風速、風向、氣壓、氣溫以及濕度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要由遠程采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測站以及負責數(shù)據(jù)處理的中心站組成。

數(shù)據(jù)監(jiān)測站：數(shù)據(jù)監(jiān)測站全部為無人值守的遙測站，減少人力成本，監(jiān)測站一經(jīng)安裝調試完成就不再需要專人值班看守，監(jiān)測站主要采取兩種方式采集數(shù)據(jù)，一種是定時的采集，另一種是觸發(fā)方式的采集。定時采集根據(jù)用戶提前設置的時間間隔采集數(shù)據(jù)，而觸發(fā)采集則根據(jù)由外界觸發(fā)采集，例如蒸發(fā)量以及雨量的采集常采取觸發(fā)采集，當蒸發(fā)量以及雨量發(fā)生了一定量的變化，例1mm/0.5mm變化時（具體數(shù)值可以提前設置）就觸發(fā)一次額采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站，監(jiān)測站處理簡單的采集以及傳輸外，也會對數(shù)據(jù)進行一定處理，例如過濾一些干擾數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)集進行壓縮，減少數(shù)據(jù)傳輸量。

中心站：中心站是系統(tǒng)操作平臺，負責收集、分析、統(tǒng)計和查詢各測站的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報警信息等，并生成各種統(tǒng)計報表，將數(shù)據(jù)存檔并發(fā)出各種預報。

3 實際應用

3.1 硬件設計

為了使系統(tǒng)具有靈活性和可靠性，遙測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化結構，具有各種功能模塊，如采集，傳輸?shù)鹊龋髂K自帶CPU，具備一定數(shù)據(jù)處理和故障檢測能力。從元件級別，系統(tǒng)級別同時考慮低功耗的問題。所有總控模塊統(tǒng)一遍址，為大規(guī)模組網(wǎng)提供條件。內部采用統(tǒng)一協(xié)議，搭配極為靈活，針對不同的行業(yè)和各類傳感器，無須對傳輸和總控模塊做任何改動，只需搭配不同的采集模塊，就可以適應不同行業(yè)的需求。在面對新型接口的傳感器時，只要針對性的開發(fā)出采集模塊，就可以很快在系統(tǒng)中應用，大大縮短了開發(fā)周期。

由于采用模塊化結構，各模塊都具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并且功能大大細化。主要的模塊有MAIN主模塊，其功能是數(shù)據(jù)處理、流程控制、遠程通信、雨量計輸入、RS485傳感器接入；VS振弦模塊，其功能是振弦式傳感器和電阻式傳感器接入；另外還有一些輔助功能模塊如I/U模塊-4～20mA傳感器輸入、PSTN模塊、RF調制解調模塊、信號輸入防雷模塊等。本系統(tǒng)具備故障自檢能力，能在非人工干預的情況下檢測故障點，確定故障能力，為快速檢修提供基礎。在主模塊MAIN的設計中采用具備ISP和IAP能力的大容量FLASHROM單片機，可以遠程修改升級片上程序，無須技術人員到測站所在地就可以修改片上軟件，在交通條件惡劣的地方應用將非常方便，大大減低維護工作量。

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的原理圖見圖1。從原理圖中可以看出，系統(tǒng)的整個核心就是MAIN主模塊，它可以直接接入485接口的傳感器，也可以通過I/U模塊接如4～20mA接口傳感器，或者通過VS弦式模塊接入弦式傳感器。由于整個系統(tǒng)采用低功耗技術設計，MAIN主模塊的工作電流僅為50mA，而其待機電流更是低至50uA，所以完全可以采用太陽能電池和蓄電池組合的供電方式進行供電，充電控制工作過程是：充電控制電路要求當蓄電池電壓低于10.8V時，停止向MAIN主模塊供電，為蓄電池沖電，當蓄電池電壓低于13.8V高于10.8V時，邊充電邊工作，蓄電池電壓高于13.8V，則停止向蓄電池充電。當測站的MAIN主模塊有數(shù)據(jù)需要中心站發(fā)送時，可以采取多種方式進行通信，如通過RF調制解調模塊連接的電臺，或者通過短信模塊或衛(wèi)星設備，從空中把數(shù)據(jù)傳遞到中心站。當然數(shù)據(jù)也可以用PSTN模塊通過有線方式傳遞到中心站。中心站的功能主要就是將接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，為其它應用軟件提供最基本、最原始的數(shù)據(jù)。中心站也可以對測站進行遠程通信，如對測站進行招測等。

在實際應用中，具體的水位雨量遙測站組成結構見圖2，它包含了20W太陽能電池板、12V38AH蓄電池、太陽能充電保護器、GPRS/GSM通信終端、雨量、水位傳感器。在圖2中，防雷模塊還連接了太陽能電池、數(shù)字式水位計，它們的地線實際上是雨水情自動測報系統(tǒng)的數(shù)字地，所以它們可以共用同一個防雷模塊，共占用6路防雷通道，每個防雷模塊共有9路通道，MAIN主模塊和防雷模塊構成了最基本的RTU。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構成。

水位測量采用浮子式水位計，輸出信號線采用RS485串行通信接口標準，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對應連接端，浮子水位計在使用前需要分別對水位計和RTU的MAIN模塊進行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實際需要選定。

雨量測量采用翻斗式雨量計，承雨口內徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對RTU的MAIN模塊進行雨量計使用地址進行配置。翻斗式雨量計為雙干簧管雨量計共有3根輸出信號線：一根為信號線A而另一根為信號線B，這兩根線在雨量計中并未定義，可以定義任意一根為信號線A，另一根定義為信號線B，再加上數(shù)字地線，雨量計信號線纜通常有屏蔽層，進入機箱后該屏蔽層需與機箱地連接。同樣信號線進入機箱后，先進入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽能電池板采用單晶硅太陽能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標稱功率20W；太陽能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護可充電蓄電池或鋰電池，對于高寒地區(qū)，應選用耐低溫的充電電池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手機短消息模塊采用現(xiàn)成的產品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡單，點對點發(fā)送和接收，但是使用費較高，按短信條數(shù)收費；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 軟件設計

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時，自動喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強制采集時間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長上電，接收遠端站點數(shù)據(jù)，轉發(fā)到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態(tài)：常態(tài)下長上電，當中心站招測時，隨時發(fā)送或接收遠端數(shù)據(jù)并轉發(fā)中心監(jiān)控計算機，同時可完成自報狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個系統(tǒng)的核心，其設計設計思路是：

自動控制總流程：自動控制過程按照以下時序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個時序工作（見圖4）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競爭和沖突

通訊：基于當前應用的特點，通訊模塊將采用多路串口的結構，多個串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機多能，能方便接入各種信道。同時，這種簡單的結構也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進行：

接收內部數(shù)據(jù)時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時（見圖6）：

4 結束語

文章通過微機組成的中心站與單片機組成的測站構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺、短信等通信方式實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現(xiàn)了整個電路的微功耗設計，達到了mA級的工作電流，uA級的待機電流。在軟件編制上，采用流行的高級語言編寫代碼，實現(xiàn)了PC機與單片機的多種遠程通信方式，也使得復雜的功能和控制邏輯在單片機上較為容易實現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場合中。

參考文獻

[1]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：航空航天大學出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：計算機應用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：電子技術及計算機應用。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構成。

水位測量采用浮子式水位計，輸出信號線采用RS485串行通信接口標準，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對應連接端，浮子水位計在使用前需要分別對水位計和RTU的MAIN模塊進行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實際需要選定。

雨量測量采用翻斗式雨量計，承雨口內徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對RTU的MAIN模塊進行雨量計使用地址進行配置。翻斗式雨量計為雙干簧管雨量計共有3根輸出信號線：一根為信號線A而另一根為信號線B，這兩根線在雨量計中并未定義，可以定義任意一根為信號線A，另一根定義為信號線B，再加上數(shù)字地線，雨量計信號線纜通常有屏蔽層，進入機箱后該屏蔽層需與機箱地連接。同樣信號線進入機箱后，先進入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽能電池板采用單晶硅太陽能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標稱功率20W；太陽能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護可充電蓄電池或鋰電池，對于高寒地區(qū)，應選用耐低溫的充電電池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手機短消息模塊采用現(xiàn)成的產品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡單，點對點發(fā)送和接收，但是使用費較高，按短信條數(shù)收費；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 軟件設計

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時，自動喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強制采集時間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長上電，接收遠端站點數(shù)據(jù)，轉發(fā)到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態(tài)：常態(tài)下長上電，當中心站招測時，隨時發(fā)送或接收遠端數(shù)據(jù)并轉發(fā)中心監(jiān)控計算機，同時可完成自報狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個系統(tǒng)的核心，其設計設計思路是：

自動控制總流程：自動控制過程按照以下時序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個時序工作（見圖4）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競爭和沖突

通訊：基于當前應用的特點，通訊模塊將采用多路串口的結構，多個串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機多能，能方便接入各種信道。同時，這種簡單的結構也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進行：

接收內部數(shù)據(jù)時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時（見圖6）：

4 結束語

文章通過微機組成的中心站與單片機組成的測站構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺、短信等通信方式實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現(xiàn)了整個電路的微功耗設計，達到了mA級的工作電流，uA級的待機電流。在軟件編制上，采用流行的高級語言編寫代碼，實現(xiàn)了PC機與單片機的多種遠程通信方式，也使得復雜的功能和控制邏輯在單片機上較為容易實現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場合中。

參考文獻

[1]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：航空航天大學出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：計算機應用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：電子技術及計算機應用。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構成。

水位測量采用浮子式水位計，輸出信號線采用RS485串行通信接口標準，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對應連接端，浮子水位計在使用前需要分別對水位計和RTU的MAIN模塊進行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實際需要選定。

雨量測量采用翻斗式雨量計，承雨口內徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對RTU的MAIN模塊進行雨量計使用地址進行配置。翻斗式雨量計為雙干簧管雨量計共有3根輸出信號線：一根為信號線A而另一根為信號線B，這兩根線在雨量計中并未定義，可以定義任意一根為信號線A，另一根定義為信號線B，再加上數(shù)字地線，雨量計信號線纜通常有屏蔽層，進入機箱后該屏蔽層需與機箱地連接。同樣信號線進入機箱后，先進入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽能電池板采用單晶硅太陽能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標稱功率20W；太陽能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護可充電蓄電池或鋰電池，對于高寒地區(qū)，應選用耐低溫的充電電池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手機短消息模塊采用現(xiàn)成的產品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡單，點對點發(fā)送和接收，但是使用費較高，按短信條數(shù)收費；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 軟件設計

雨水情自動監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時，自動喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強制采集時間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長上電，接收遠端站點數(shù)據(jù)，轉發(fā)到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態(tài)：常態(tài)下長上電，當中心站招測時，隨時發(fā)送或接收遠端數(shù)據(jù)并轉發(fā)中心監(jiān)控計算機，同時可完成自報狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個系統(tǒng)的核心，其設計設計思路是：

自動控制總流程：自動控制過程按照以下時序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個時序工作（見圖4）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競爭和沖突

通訊：基于當前應用的特點，通訊模塊將采用多路串口的結構，多個串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機多能，能方便接入各種信道。同時，這種簡單的結構也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進行：

接收內部數(shù)據(jù)時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時（見圖6）：

4 結束語

文章通過微機組成的中心站與單片機組成的測站構成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺、短信等通信方式實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現(xiàn)了整個電路的微功耗設計，達到了mA級的工作電流，uA級的待機電流。在軟件編制上，采用流行的高級語言編寫代碼，實現(xiàn)了PC機與單片機的多種遠程通信方式，也使得復雜的功能和控制邏輯在單片機上較為容易實現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場合中。

參考文獻

[1]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：航空航天大學出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技術與應用實例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：計算機應用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽人，高級工程師，研究方向：電子技術及計算機應用。endprint