海島雨量監測系統的設計與實現

宋廣軍，田苗苗

（浙江海洋大學數理與信息學院，浙江 舟山 316022）

海島雨量監測系統的設計與實現

宋廣軍，田苗苗

（浙江海洋大學數理與信息學院，浙江 舟山 316022）

為了實現沿海附近山體、島嶼等地區降雨量的遠程無線實時監測，設計了一套基于ZigBee和GPRS無線通信技術，適用于海島的雨量實時采集監控系統，實時將多個地區雨量數據通過Zigbee組網經GPRS遠程通信傳回監測中心，從而使監測人員及時了解降雨情況，并做出決策。

海島；雨量監測；ZigBee；GPRS

目前，我國水情自動遙測技術水平不斷提高，但是對于沿海島嶼而言，各個監測點往往分布廣、距離遠、數量多，部分監測點位置偏僻，這些特點使得數據的傳輸在安全性、準確性以及實時性等方面存在較大的問題。由于受沿海多變的氣候條件影響，海島監測點也容易出現故障和損壞、維護難度較大。為了降低開發和維護成本，提高水情監測的準確性和安全性，研究開發了一種對雨量的情況進行及時監測和分析系統，該系統結合ZigBee和GPRS技術可進行多點分布式協調工作，適用于海島水情監測，為監管部門提供多層次信息管理和決策支持手段。

1 系統功能和結構設計

1.1 系統功能設計

雨量監測系統的主要功能是實現了對雨量信息進行自動采集，自動傳輸，自動存儲，可以實現對各地區、島嶼等雨量的實時采集和監測，并將信息實時的發送至遠程的監測中心，便于監測人員對各地區雨情的分析與統計，從而及時了解各地的降雨情況，對存在的潛在風險及時給出預警和決策。

ZigBee技術是一種具有短距離、低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本、低時延等特點的雙向無線通信技術。將Zig?bee技術應用于雨量監測系統的設計中可以較好地提高系統性能，并降低成本。GPRS模塊是遠程傳輸模塊，彌補了Zigbee模塊通信傳輸距離過短的問題。雨量傳感器采集到各個監測點的雨量信息通過單片機主控系統的處理后，經過CC2530模塊（Zigbee模塊）無線傳輸自組網將各個地區收集到的數據經GPRS模塊傳送至監測中心，便于監測人員對數據進行實時的統計分析。

系統設計的基本要求：①數據的采集要具有高度準確性以及實時性。②穩定且持續的外部電源供電。③通過上位機可以了解到Zigbee模塊實時采集傳輸到服務器的降水量數據的變化情況。

1.2 系統整體框架設計

本系統下位機節點采用翻斗式雨量傳感器采集到的數據傳送給單片機，并通過Zigbee與GPRS模塊傳到上位機的雨量監測系統進行數據分析。該系統的整體框架如圖1所示。

圖1 雨量監測系統的總體結構

2 硬件電路設計及工作原理

從圖1的系統結構圖可知，該雨量監測系統包含信息采集模塊，單片機主控系統及時鐘模塊，Zigbee模塊，GPRS模塊，服務器監測中心。

2.1 系統整體硬件設計

系統采用的是AT89C51單片機與Zigbee進行串口通信從而實現數據的傳輸[2]。整體硬件電路設計由雨量傳感器輸出的信號連接單片機通過串口與Zigbee模塊連接，將數據由Zigbee無線傳輸模塊傳輸至終端Zigbee模塊。Zigbee網絡終端節點把所有整合到的數據傳輸至GPRS模塊上，GPRS經遠程傳輸至與電腦進行串口通信的終端GPRS模塊上，并通過串口將接收到的數據以各種形式在中心服務器界面上顯示。

2.2 信息采集模塊

系統采用雨量傳感器模塊測量雨量的大小，該模塊的信號輸出線連接至單片機引腳即可。當雨量在雨量傳感器的翻斗中積累到了一定量，翻斗便會將水排出，根據該翻斗式雨量傳感器的規格，觸發一個翻斗落下時的雨量為0.5mm，記錄兩次翻斗觸發的相隔時間，由此得出雨量的大小。當然由于外界因素與人為操作失誤導致雨水泄露、雨水殘留、裝置變形等原因使測量時可能產生隨機誤差。

2.3 ZigBee模塊

系統的Zigbee模塊是采用TI公司研發的CC2530為無線傳輸模塊的主芯片，符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻發射器，用來實現ZigBee應用的單片RF收發器。為了增加通信距離，系統中采用CC2530和CC2591相結合的設計增加了RF發射功率。本系統的無線網絡拓撲結構采用樹型結構[3]。

2.4 GPRS模塊

通用無線分組業務技術,簡稱GPRS(General Packet Radio Ser?vice),是一種以GSM為基礎的數據傳輸技術。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA通道進行數據傳輸。

系統選用SIMCOM推出的sim900a模塊，它是一個雙頻GSM/GPRS通訊模塊。sim900a采用省電技術設計，內嵌TCP/IP協議，方便數據傳輸。

3 系統的軟件設計

3.1 數據采集節點的軟件設計

數據采集節點軟件負責完成雨量水位等信息的采集發送。由監測中心向指定地區監測點發出啟動命令后，數據采集節點上電啟動，首先進行各部件初始化，并且啟動定時器。由于數據采集節點是根據需求，每隔一段時間檢測一次數據，所以要進行采樣頻率的設定。當初始化參數設定好后，數據采集節點開始采集數據，然后進行存儲以及發送。當數據發送完畢后，如果已經到達設定好的采樣時間，則繼續采集保存并發送數據，否則的話一直處于等待狀態。

3.2 系統上位機軟件設計

遠程監控中心軟件包括一個人機交互界面，具有實時數據顯示、歷史數據分析及查詢等功能。將各雨量監控點傳來的雨量數據信息都存放于服務器的實時數據庫中進行處理，分析整理后存入歷史數據庫中。系統能夠顯示實時的根據雨量水情況給出分析結果和報警信息，同時生成雨量水位監測報表，該中心系統功能包括：實時數據顯示，用戶管理，數據報表查詢，歷史數據查詢，設備管理，報警設置。

4 實驗測量及硬件調試

由于實驗測量環境的限制，系統的設計與制作完成后，在實驗室條件下進行模擬降雨的實驗。由人工模擬降雨，流入翻斗式雨量傳感器。收集流出的雨水，記錄相鄰兩次翻斗之間的時間間隔（時間間隔越短說明雨量越大），計算出實際雨量的大小，按照不同的時間間隔，反復進行多組實驗測試，再由相應系統測得的數據進行比對獲得系統測試誤差。表1為其中一組測試數據結果。

由于該雨量傳感器的最大測量值為8mm/min,所以表1中第九組數據的降雨強度超過了雨量傳感器所能測量的最大測量值，所以第九組數據無效。

表1 模擬雨量測得的數據

誤差分析：

（1）手動測量的過程中會使水量有所損耗。

（2）實際測量時用的雨量計本身存在誤差，并且在讀數時和估讀時產生了誤差。

（3）雨量傳感器本身存在系統誤差導致。

4 結論與展望

系統采用zigbee和GPRS無線通信技術，為山區島嶼雨量監測系統的建設提供了一種方便靈活、成本低、可靠性高的解決方案。采用sim900a模塊實現GPRS通信功能，增強了系統的信息實時傳輸能力。系統具有成本低、功耗小、無需布線、覆蓋范圍廣、能實時在線監測等優點，解決了山區島嶼的范圍廣、安全性差、不能實時在線監測等難題，具有良好的可靠性和較高的實用價值。系統在軟硬件的設計上還需逐漸完善其功能，增強系統數據通信技術的先進性，使其測量精度和自動化程度上得到進一步提高。

[1]周林，陳玉，馮婷婷.基于ZigBee的自愈組網與協議實現[J]．通信技術，2012(04)：1-4．

[2]趙全利.單片機原理及應用[M]．機械工業出版社，2012.

[3]張育琪．基于ZigBee技術的無線數據采集系統設計[D]．西安：西安電子科技大學，2010．

P415.1

A

1006—7973（2017）12-0066-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.026

浙江省自然科學基金（LY16F020014）；國家科技部星火計劃項目（2015GA700041）