雨水情自動監測系統的組成及應用

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、水位傳感器等參數為主的數據監測系統的設計構成，以及在實際中應用。

關鍵詞：傳感器；單片機數據采集；遠程通訊RTU

1 雨水情監測系統的應用背景

在水利信息自動化應用中，雨量、水位的監測正由自動化取代傳統的人工采集，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據，第二個功能是將采集的數據傳送給運行監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中，是整監測個系統的重要組成部分。目前環保、水情、氣象、石油、煤礦、電力、交通、農業以及科研領域的數據采集系統廣泛應用RTU。要做好水情預報工作，就必須實時監測諸如雨量、溫度、水位、閘門開啟情況、濕度以及流量等參數，這些參數如果不借助RTU監測，而是通過人工監測，其困難是不可想象的。目前很多RTU監測點都配備為無人值守的監測點，這些監測點一旦建成，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、穩定以及成本低等特點，因此在水情監測中被廣泛應用，無人值守RTU主要通過兩種方式向中心站發送數據，一種是通過無線電臺，這種方式屬于自建網絡，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據的地方，除了氣象和水利行業外，在油田自動化、變電站的遠程監測點、供氣供水管網以及輸油管道的監控點都被廣泛使用，具有良好的社會和經濟效益。

2 遠程遙測終端組成

本系統面向水情監測，因此與大部分遠程監測系統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的可擴展性，稍加改造就完全可以應用到機房監測以及氣象監測等領域。水情監測主要監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。這些參數根據位置遠近以及現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據，盡量選擇穩定的傳輸方式，在很多情況下也可以選擇多種方式傳送一組數據，確保數據及時傳輸到中心站。本系統目前可以采集雨量、水位、以及風速、風向、氣壓、氣溫以及濕度等數據，系統主要由遠程采集數據的監測站以及負責數據處理的中心站組成。

數據監測站：數據監測站全部為無人值守的遙測站，減少人力成本，監測站一經安裝調試完成就不再需要專人值班看守，監測站主要采取兩種方式采集數據，一種是定時的采集，另一種是觸發方式的采集。定時采集根據用戶提前設置的時間間隔采集數據，而觸發采集則根據由外界觸發采集，例如蒸發量以及雨量的采集常采取觸發采集，當蒸發量以及雨量發生了一定量的變化，例1mm/0.5mm變化時（具體數值可以提前設置）就觸發一次額采集，并將數據發送到中心站，監測站處理簡單的采集以及傳輸外，也會對數據進行一定處理，例如過濾一些干擾數據，對數據集進行壓縮，減少數據傳輸量。

中心站：中心站是系統操作平臺，負責收集、分析、統計和查詢各測站的實時數據、歷史數據、報警信息等，并生成各種統計報表，將數據存檔并發出各種預報。

3 實際應用

3.1 硬件設計

為了使系統具有靈活性和可靠性，遙測數據采集系統采用模塊化結構，具有各種功能模塊，如采集，傳輸等等，各模塊自帶CPU，具備一定數據處理和故障檢測能力。從元件級別，系統級別同時考慮低功耗的問題。所有總控模塊統一遍址，為大規模組網提供條件。內部采用統一協議，搭配極為靈活，針對不同的行業和各類傳感器，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的需求。在面對新型接口的傳感器時，只要針對性的開發出采集模塊，就可以很快在系統中應用，大大縮短了開發周期。

由于采用模塊化結構，各模塊都具有一定數據處理能力，并且功能大大細化。主要的模塊有MAIN主模塊，其功能是數據處理、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。

雨水情自動監測系統的原理圖見圖1。從原理圖中可以看出，系統的整個核心就是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主模塊有數據需要中心站發送時，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星設備，從空中把數據傳遞到中心站。當然數據也可以用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據保存到數據庫，為其它應用軟件提供最基本、最原始的數據。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、數字式水位計，它們的地線實際上是雨水情自動測報系統的數字地，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。

雨水情自動監測系統采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續陰雨天氣正常供電，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，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，點對點發送和接收，但是使用費較高，按短信條數收費；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

雨水情自動監測系統的工作狀態有三種狀態：

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

（2）中繼狀態：常態下長上電，接收遠端站點數據，轉發到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態：常態下長上電，當中心站招測時，隨時發送或接收遠端數據并轉發中心監控計算機，同時可完成自報狀態和中繼狀態工作。

MAIN模塊是整個系統的核心，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）：

數據采集：數據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，就能最大限度節約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態，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，海事衛星，北斗衛星，GPS等各種衛星終端，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：

接收內部數據時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節約電能，接收外部數據接收外部數據時（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據采集系統，通過衛星、電臺、短信等通信方式實現了遠程數據采集系統的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現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。該方法也可以用于類似的工業場合中。

參考文獻

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

[2]楊金巖.8051單片機數據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。

雨水情自動監測系統采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續陰雨天氣正常供電，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，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，點對點發送和接收，但是使用費較高，按短信條數收費；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

雨水情自動監測系統的工作狀態有三種狀態：

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

（2）中繼狀態：常態下長上電，接收遠端站點數據，轉發到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態：常態下長上電，當中心站招測時，隨時發送或接收遠端數據并轉發中心監控計算機，同時可完成自報狀態和中繼狀態工作。

MAIN模塊是整個系統的核心，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）：

數據采集：數據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，就能最大限度節約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態，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，海事衛星，北斗衛星，GPS等各種衛星終端，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：

接收內部數據時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節約電能，接收外部數據接收外部數據時（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據采集系統，通過衛星、電臺、短信等通信方式實現了遠程數據采集系統的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現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。該方法也可以用于類似的工業場合中。

參考文獻

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

[2]楊金巖.8051單片機數據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。

雨水情自動監測系統采用太陽能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個月連續陰雨天氣正常供電，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，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，點對點發送和接收，但是使用費較高，按短信條數收費；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

雨水情自動監測系統的工作狀態有三種狀態：

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

（2）中繼狀態：常態下長上電，接收遠端站點數據，轉發到下一中繼站點或中心站點。

（3）長上電狀態：常態下長上電，當中心站招測時，隨時發送或接收遠端數據并轉發中心監控計算機，同時可完成自報狀態和中繼狀態工作。

MAIN模塊是整個系統的核心，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）：

數據采集：數據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，就能最大限度節約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動狀態，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，海事衛星，北斗衛星，GPS等各種衛星終端，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：

接收內部數據時（見圖5）：

在整個工作過程中，通過對各通道電源的單獨控制，就能最大限度節約電能，接收外部數據接收外部數據時（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據采集系統，通過衛星、電臺、短信等通信方式實現了遠程數據采集系統的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術，實現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。該方法也可以用于類似的工業場合中。

參考文獻

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

[2]楊金巖.8051單片機數據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