水文遙測實時水情信息服務系統(tǒng)的設計研究

林杰斌

摘 要：主要對水文遙測實時水情信息服務系統(tǒng)的設計展開了研究，介紹了遙測終端，并結合具體實例，對水文遙測系統(tǒng)作了系統(tǒng)分析，以期為相關單位的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：水文遙測系統(tǒng)；RTU；遙測終端；顯示終端

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.095

所謂“水文遙測”，是指水文部門對江、河、湖泊、水庫、渠道和地下水等的水文參數(shù)進行實時監(jiān)測。隨著人們對水環(huán)境重視程度的加深，如何有效促進水文站日常工作的進步，完善水文遙測實時水情信息服務系統(tǒng)顯得尤為重要。基于此，本文就水文遙測實時水情信息服務系統(tǒng)的設計進行了研究。

1 遙測終端問題的提出

基于目前所使用的RTU的基礎上，筆者設計了一套能與RTU配套使用，可實時、動態(tài)顯示當前水位、當天雨量累計及間斷顯示上時段水位和以往雨量等數(shù)據(jù)的站內顯示終端。通過試驗，設計出的顯示終端完全能滿足水文站日常觀測的需要。遙測終端水情信息站內的顯示構想如圖1所示。

2 工程實例設計

在水文遙測系統(tǒng)所采用的各類型號的終端機中，GXU-1001型多功能遙測終端技術較為先進，與其他同類終端相比，獨特之處在于可以控制GPRS/GSM發(fā)射模塊以休眠或實時在線模式工作，并能控制攝像頭拍照生成分辨率為1 280×1 024的圖片，且具有多個外接RS232及RS485接口。這些接口對用戶是開放的，用戶可根據(jù)給定的規(guī)則對RTU進行操控，比如實時采集數(shù)據(jù)、修改工作參數(shù)、下載固態(tài)存儲器中的數(shù)據(jù)等。因此，本設計利用GXU-1001型多功能遙測終端的強大功能，為其設計了配套的顯示終端。

2.1 系統(tǒng)功能設計

根據(jù)水文站的實際需求，本次設計定義的系統(tǒng)功能主要有以下7個方面：①實時顯示當前水位；②實時監(jiān)測當天雨量累計；③間斷顯示上時段水位和昨日雨量；④與本地計算機連接后，可以拍攝觀測現(xiàn)場的圖像；⑤可存儲1年的水情信息，并能通過本地計算機采集本年度內任何時間段內的雨量和水位數(shù)據(jù)；⑥與本地計算機連接后可描繪水位過程線；⑦查看數(shù)據(jù)時可遙控操作。

2.2 電路框圖設計

通過系統(tǒng)功能定義，運用電路設計原理進行了系統(tǒng)電路框架的構思設計。本工程主要由CPU、電源、遙控、時鐘、顯示器及各種通信接口等部分組成，電路組成如圖2所示。

2.3 電路原理圖設計

運用電子技術原理和專用電子線路設計軟件Protel99SE進行了原理圖設計和印制電路板設計，并經不斷測試與修改得到了最終的電路原理圖。

本電路的核心部件為CPU，型號為STC15F4K32S4，是一款單時鐘/機器周期1T的單片機。其配置較高，處理速度快，有7個I/O端口（共56位），內置4 KB大容量SRAM、5個16位自動重裝定時/計數(shù)器和外部中斷源、4組獨立的高速異步串行通信端口、1組高速同步通信端口SPI和1個26 KB的EEPROM。基于該款芯片強大的資源配置，可利用內置的EEPROM存儲周期為5 min的雨量和水位數(shù)據(jù)，且無需增加外部存儲器；基于獨立多通信端口的特點，可同時實現(xiàn)與RTU、本地計算機、及攝像頭之間的通信，無需增加擴展電路，可使電路簡化。

2.3.1 電路與RTU的連接

本電路與RTU的連接有2種方式，可根據(jù)RTU與本電路之間的距離選擇：①串口2的P4.6（RxD）/P4.7（TxD）經MAX485電路將TTL電平轉換成RS485信號電平后，與距離大于7 m的RTU連接；②串口3的P0.1（RxD）/P0.1（TxD）經MAX232CPE電路將TTL電平轉換成RS232信號電平后，與距離小于7 m的RTU連接。

2.3.2 電路與攝像頭的連接

為了直觀顯示現(xiàn)場的情況，可通過攝像頭抓拍現(xiàn)場的圖像并分析。攝像頭可設置在被觀測現(xiàn)場，利用串口2的P3.6（RxD）/P3.7（TxD）經MAX485電路將TTL電平轉換成RS485信號電平后實現(xiàn)連接。當需要拍攝現(xiàn)場圖像時，可由本地計算機向本電路發(fā)出拍照指令即可實現(xiàn)。

2.3.3 電路與本地計算機的連接

CPU串口1的P3.0（RxD）/P3.1（TxD）經MAX232CPE電平轉換后，與本地計算機的COM通信口連接，本地計算機可以向電路發(fā)出下載數(shù)據(jù)、拍攝圖像、校正時鐘，設置水位基準值等指令，并可根據(jù)工作需要描繪及顯示水位過程線，直觀地反映水位的變化過程。

2.3.4 遙控電路

遙控電路由遙控接收模塊及3個光電耦合器組成。手持遙控器有“A”“B”“C”“D”按鍵，每一個按鍵對應不同的無線脈沖編碼，遙控接收模塊通過解碼得到對應的鍵值。本電路定義“A”鍵顯示當前水位和當日雨量，“B”鍵顯示上時段水位，“C”鍵顯示昨日雨量。

2.3.5 顯示電路

顯示電路由7段帶小數(shù)點的LED數(shù)碼顯示器組成。時間由10位0.5英寸的顯示器組成，可顯示年、月、日、時、分等。由于靜態(tài)顯示方式的需要，每個“字”的字段碼由一個74F164八位移位器來存儲及驅動。水位數(shù)據(jù)顯示由5個1.5英寸的顯示器組成，最大顯示值為999.99 m，根據(jù)需要可以通過本地計算機設置基準水位值。雨量數(shù)據(jù)顯示是由4個1.5英寸的顯示器構成，最大顯示值為999.9 m，由于靜態(tài)顯示方式的需要，每一個顯示器的字段碼需由一個74F164八位移位器來存儲及驅動，但因74F164的帶負載能力很弱，不足以驅動1.5英寸的LED顯示屏，所以，雨量和水位電路的每一個顯示器除了需要74F164移位器之外，還需增置1片ULN2803A芯片。當前水位、當日雨量與上時段水位、昨日雨量分別共用水位顯示電路和雨量顯示電路。需要顯示哪一種數(shù)據(jù)，可通過操作以定義好的手持遙控器面板上的按鈕選擇。與本電路相連的RTU每5 min自動采集一次雨量和水位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)除按了按照RTU的工作要求將信息存儲于本地，并通過設定的通信方式發(fā)送至遠方的水情數(shù)據(jù)中心外，還會通過RS485/RS232串口傳送至本電路中來。因此，本電路所保存的數(shù)據(jù)每5 min將自動一次刷新。

2.3.6 時鐘電路

時鐘電路是為了顯示實時時間而設置的，主要由X1228S芯片組成，顯示的時間跟與之連接的RTU的時鐘同步，時鐘校正由RTU完成。

2.3.7 電源電路

電源電路不僅可用于為CPU提供穩(wěn)定、可靠的5 V工作電壓，還可以在CPU的控制下為LED數(shù)碼顯示器電路提供可控制的電源。由于LED顯示器的功耗較大，電源電路直接供電有利于降低電路的功耗，延長電路元器件的使用壽命，降低電路的故障率。因此，對LED數(shù)碼顯示器的供電分別設有A，B，C三個回路，分別用于水位顯示器、雨量顯示器和時鐘顯示器的電路供電。

3 產品測試

在上述原理圖設計的基礎上，委托生產廠家生產樣品并應用于水文站的日常工作中進行實際應用測試。按照設計時定義的系統(tǒng)功能，每項逐步觀測，比如觀測是否為每5 min刷新一次數(shù)據(jù)，水位等數(shù)據(jù)是否顯示正常、數(shù)據(jù)是否與RTU中的數(shù)據(jù)一致、本地采集是否正常等。經過2個月的對比觀測證明，RTU與顯示終端之間的數(shù)據(jù)傳輸正確、穩(wěn)定，可以作為日常觀測應用。

4 結束語

綜上所述，水文遙測系統(tǒng)主要用于監(jiān)視河流、湖泊、水庫的水利運行情況，能及時反映各水域的水文特征，以便相關部門的決策，防止洪澇災害的發(fā)生。因此，我們需要做好水文遙測系統(tǒng)的設計工作，以為今后的水文測報工作貢獻力量。

參考文獻

[1]唐躍平，符偉杰，褚澤帆.水文信息化智能遙測終端的研究與設計[J].電子設計工程，2015（23）.

[2]王江，李江艷.實時雨水情報警短信系統(tǒng)平臺的設計開發(fā)[J].中國水運月刊，2013（13）.

〔編輯：張思楠〕