劉 偉 ，吳永新 ，陳宇驍

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.南京市水利局，江蘇 南京 210018；3.河海大學計算機與信息學院（常州），江蘇 常州 213022）

0 引言

中小型水庫的水文測驗和安全防護關系著下游的安全和周邊城鄉(xiāng)的發(fā)展，對水資源的需求和防汛安全要求逐漸提高。利用中小型水庫信息采集傳輸關鍵技術，實現(xiàn)中小型水庫防汛和安全監(jiān)測自動化采集傳輸并進行分析評估，便于防汛抗旱指揮和其他部門應急決策、指揮、調度，利用科技手段，提高水庫管理水平，最大程度避免損失和在安全狀態(tài)下充分利用水資源。

國內(nèi)大部分中小型水庫沒有防汛信息采集技術設施，水庫建設時亦沒有同步建設水位測井。目前不可能重新建設水位測井，因此，傳感器不能采用常規(guī)的浮子式水位傳感器完成水位監(jiān)測。通過引進消化吸收德國免測井水文測驗技術，解決中小型水庫水文專項測驗問題，是一種有益的嘗試。通過消化吸收應用，開發(fā)出針對我國中小型水庫特點的水文監(jiān)測處理技術，推動了國內(nèi)中小型水庫水文自動監(jiān)測和管理水平的發(fā)展。

目前市場上的水情遙測終端只能適應固定的傳感器，如果要更換傳感器必須要更換相應的終端程序，或者通過軟件對終端機進行設置，給開發(fā)和安裝維護人員帶來了不便。傳感器自適應水情遙測終端機則彌補了這方面的不足。

1 遙測終端機自適應設計

1.1 串口通信

水情傳感器設備種類繁多，形式各異。測量水位的傳感器通訊方式也多種多樣，串行通信由于實現(xiàn)簡單，需要的系統(tǒng)硬件資源較少，在水情遙測系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。串行通信接口（SCI）中最常用的有 RS-232、RS-485 和 SDI-12 通信接口。

串行通信接口的傳感器在與遙測終端機通信的過程中，波特率和通訊協(xié)議隨設備不同而異。要設計具有自適應能力的遙測終端機，首先要對傳感器進行智能識別。經(jīng)過對大量串行通訊的傳感器進行分析，得出傳感器識別主要在于波特率和握手通信的差異。通過建立通信協(xié)議棧，根據(jù)傳感器的 ID 號調用不同的通訊協(xié)議程序，能實現(xiàn)對傳感器的自動調用。

1.2 波特率自適應

在通信過程中，只有通信雙方采用相同的波特率時，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸，這給串行通信傳感器的使用帶來不便，特別是對于波特率變化的情況[1]。如果能夠實現(xiàn)串行接口速率的自適應，無疑會提高串行傳感器使用的靈活性和通用性。

波特率自適應的常用方法主要有標準波特率窮舉法和碼元寬度實時檢驗法[2]。標準波特率窮舉法要求數(shù)據(jù)終端傳輸數(shù)據(jù)所采用的波特率必須在有限的幾個固定數(shù)值之間變化，如標準波特率序列。串行設備啟動后，逐個嘗試以不同的波特率接收數(shù)據(jù)終端發(fā)出的特征字符，直到能正確接收為止。碼元寬度實時檢測法要求數(shù)據(jù)終端按照約定發(fā)送特征字符，串行設備測量輸入數(shù)據(jù)的碼元寬度，而后計算出待測的波特率。例如，某 GSM 模塊在設計時為了適應各種波特率，要求通信系統(tǒng)首先發(fā)送 08H，然后發(fā)送指令，它就是依靠數(shù)據(jù) 08H 的碼元寬度計算出對方波特率的。波特率窮舉法適應于波特率在幾個有限的固定數(shù)值的變化，并且從機的工作振蕩頻率穩(wěn)定可靠。由于水情傳感器的波特率比較固定，集中在 1200，4800，9600，12000 bps 等，且工作穩(wěn)定可靠；而碼元寬度實時檢測法需要占用單片機過多資源。因此本文采用標準波特率窮舉法，待遙測終端機啟動通信程序后，逐個嘗試用不同的波特率接受傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，直到能正確接收為止。

1.3 多傳感器握手通信

每種水文傳感器會提供大量通信協(xié)議指令，以提供給用戶使用不同的功能，如對傳感器的波特率、長度、地址進行設置或者訪問水文測值等。在對傳感器進行識別時，無須一一使用這些通信協(xié)議，只需要從傳感器的通信協(xié)議中，取出握手協(xié)議，得出傳感器特征即可。

1.3.1 感應式數(shù)字水位傳感器

感應式數(shù)字水位傳感器是一種采用微處理器芯片為控制器，內(nèi)置通訊電路的數(shù)字式水位傳感器，具備高可靠性及抗干擾性能，可應用于江河、湖泊、水庫、水電站、灌區(qū)及輸水等水利工程中的水位監(jiān)測。通訊協(xié)議采用 Modbus-RTU 標準協(xié)議，波特率為 9600 bps，1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位，低位先發(fā)送，無校驗。有 4 種命令格式，使用命令如表1 所示[3]。

由于傳感器的地址、長度的信息未知，分析 4種命令格式，可以將讀版本號作為握手協(xié)議[3]。讀版本號的通信命令格式：目標地址 + 功能碼 + 起始地址 + 寄存器個數(shù) + CRC 校驗。地址未知，可采用廣播幀的方式，即目標地址發(fā)送 00。發(fā)送 0003 0003 0001 75 DB，響應：0A 030E 5633 2E 302E 3320 5443 3430 312D 33 CRC（本響應共 18 字節(jié)）。0A 表述傳感器的地址為 10 號，030E 5633 2E 302E 3320 5443 3430 312D 33 表示傳感器的版本號為V3.0.3 TC401-3。傳感器的地址是可以設置的，但是版本號是固定不變的，可以根據(jù)回執(zhí)中的版本號信息來判定傳感器是否為感應式數(shù)字水位計。

表1 感應式數(shù)字水位傳感器使用命令一覽表

1.3.2 氣泡水位計

PS-Light 系列氣泡水位計為高精度水位傳感器，主要用于水文站水位觀測點不便建井或者建井費用昂貴的地點。它具有安裝、維護方便，操作靈活，運行穩(wěn)定、可靠、精度高等特點，是遙測系統(tǒng)中水位監(jiān)測尤其是無井水位監(jiān)測的理想水位監(jiān)測儀器。它的輸出信號為 RS-232，通過遙測終端機RS-232 口獲取水位計采集的信息[4]。其通訊協(xié)議如圖1 所示。

PS-Light2 協(xié)議本身比較復雜，如果等待氣泡水位計測量到水位，需要的時間比較長，而喚醒命令只需要等待 1 s 的時間，因此可以將喚醒命令作為握手通信協(xié)議。而儀器的波特率是未知的，因此就要用到波特率自適應程序，波特率自適應程序首先使用常用的波特率 9600 bps，然后使用 19200 bps，其次使用 1200 bps，再將其它常用的波特率進行輪詢使用。具體步驟如下：1）總線電源開啟，將串行口中的 DTR 引腳置高電平； 2）發(fā)送廣播信息幀，即發(fā)送 0xF002 命令；3）等待 1 s 的時間；4）調用波特率自適應程序，發(fā)送讀信道數(shù)命令碼 0x504A；5）輪詢等待應答信號，得到氣泡水位計的波特率[5]。

1.3.3 雷達水位計

OTT RLS 雷達液位計是一種非接觸式水位測量儀，是測量地表水位的新型測量設備，不受溫度等外界環(huán)境影響，在水文野外測量中具有很多優(yōu)點。該傳感器設計緊湊，安裝方便，免維護。因不與水面接觸，在測量中不受淤泥、水上垃圾等因素的影響，使用該儀器不需建測井，通過內(nèi)置軟件自動修正波浪影響。

圖1 PS-Light2通信協(xié)議

OTT RLS 供電電壓為 12 V，非工作狀態(tài)時能自動進入低功耗狀態(tài)，采用 SDI-12 通信協(xié)議。SDI-12是一種標準的接口方式，它提供了連接數(shù)據(jù)采集器和智能傳感器的方法。SDI-12 通信協(xié)議采樣 3 線制，包括 +12 V 電源線、數(shù)據(jù)線和地線。

SDI-12 支持的傳感器與記錄器之間的通訊是依靠在數(shù)據(jù)線上互相交換美國標準信息交換 ASCII 來實現(xiàn)的。SDI-12 的波特率設定為 1200 bps。1 個字節(jié) (1 幀) 由 10 個二進制位組成：1 個起始位(第 1 位)，7 個字符編碼位，1 個偶校驗位 (第 9 位)和 1 個停止位[6]。

其典型的測量步驟如下：

1）主機發(fā)中斷命令，內(nèi)容是： break 和 mark信號。其中，break 信號是持續(xù)至少 12.00 ms 的空號信號；然后是持續(xù) 8.33 ms（允許誤差 -0.4 ms）的 mark 信號。

2）主機設備向指定地址的傳感器發(fā)送命令, 指示它進行測量。

3）該地址傳感器在 15 ms 內(nèi)做出應答，返回測量數(shù)據(jù)所需的最大時間和將要返回的數(shù)據(jù)的數(shù)目。

4）如果測量結果立即可以得到，則記錄設備給傳感器發(fā)送命令，指令它傳回測量結果；如果測量結果未準備好，則數(shù)據(jù)記錄設備等待傳感器發(fā)出請求，這個請求表明數(shù)據(jù)已準備好，然后記錄設備傳送命令取數(shù)據(jù)。

5）傳感器應答，返回 1 個或多個測量結果。

OTT RLS 產(chǎn)品手冊提供了很多命令接口以供用戶使用，根據(jù)自適應設計只需要提取其中的握手通訊協(xié)議即可。本例中使用激活 OTT RLS 命令 A！(A表示設備地址)。具體過程如下：1）將遙測終端機的串口 RS-485 定義為普通 IO 口；2）置 TXD（串口發(fā)送引腳）高電平，并保持 12.00 ms；3）置 TXD 低電平，并保持 8.33 ms；4）遙測終端機串口波特率設置為 1200 bps，并發(fā)送激活命令 0！ (0 表示廣播地址)；5）接受回執(zhí)，并判斷回執(zhí)是否正確。

每增加 1 種傳感器就需要多增加 1 段傳感器識別程序，并添加到通信協(xié)議棧。在傳感器接到遙測終端機的時刻，利用傳感器的觸發(fā)信號，調用協(xié)議棧中相應的識別程序，識別到正確的傳感器特征后，系統(tǒng)自動進入采集和發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，不再調用協(xié)議棧中的其他通信程序，因此無需占用過多的系統(tǒng)資源。

2 自適應遙測終端機的應用

中小型水庫遙測系統(tǒng)的功能需求主要有以下幾點：

1）正確接收 1 次所屬全部水庫報汛站的遙測數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、入庫的時間不超過 5 min，并能及時向區(qū)縣分發(fā)，提供水庫水情信息服務。

2）系統(tǒng)通信采用 GPRS 和 GSM 自報方式。

3）采集傳輸設備符合結構簡單、可靠、低功耗的原則，所有遙測站都在無人值守的條件下工作。系統(tǒng)能長期地，特別是在暴雨洪水等惡劣天氣條件下可靠地工作，具有較強的抵御外部干擾的手段。

在中小水庫遙測系統(tǒng)采用自適應遙測終端機，可滿足以上需求。

采用自適應遙測終端機的中小型水庫遙測系統(tǒng)已于 2011 年 2 月應用于948 項目：南京市江寧區(qū)中小型水庫信息采集傳輸關鍵技術中，目前運行正常。項目分別在趙村、東焦、安基山、湯泉、泗隴、牌坊等水庫設置信息采集站點。采用免建井氣泡和雷達水位計作為水文傳感器，提供了大量的現(xiàn)場水文數(shù)據(jù)，在水文極值和遇險參數(shù)出現(xiàn)時自動報警，保障中小水庫安全運行。將從中心站獲取的趙村水庫 2011 年 5 月的部分早 8 點數(shù)據(jù)與人工測試數(shù)據(jù)進行對比，對比結果如表2 所示。

由表2 可以看出，誤差范圍保持在 ±1 cm 之間，屬于正常誤差范圍。證明該系統(tǒng)中的自適應遙測終端能夠穩(wěn)定采集實時正確的數(shù)據(jù)，可以在野外應用。

表2 自報數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比表cm

3 結語

自適應遙測終端應用于中小型水庫信息采集系統(tǒng)中，將波特率自適應和自舉協(xié)議技術應用于水文傳感器的識別上，增強了系統(tǒng)的靈活性。本文列舉的數(shù)字感應式傳感器，氣泡式和雷達水位計適應于國內(nèi)很多中小型水庫應用。終端機在設計時，盡量先使用常用的波特率和應答時間較短的通信協(xié)議，以減少系統(tǒng)的識別時間，增強芯片使用的效率，從而使得遙測設備具有簡單的，無須人工干預的智能化調解的功能。另外如果系統(tǒng)增加其他傳感器，則可將其他傳感器的識別程序集中在同一協(xié)議棧中，增加識別不同的傳感器，增強系統(tǒng)的可擴展性。

[1]王宜懷，劉曉升. 嵌入式應用技術基礎教程[M]. 北京：清華大學出版社，2007 (11): 138-139.

[2]潘育山，靳桅，鄔芝權. 單片機串行通信波特率的自適應實現(xiàn)方法[J]. 現(xiàn)代電子技術，2003 (24): 58-60.

[3]太原理工天成科技股份有限公司. TC401 感應式數(shù)字水位傳感器用戶手冊[S]. 太原：太原理工天成科技股份有限公司，2009: 6-8.

[4]SEBA_PS-Light2 [S]. SEBA .2007:3

[5]SEBA_PS-LIGHT-2_Sensor_SHWP_Protocol [S].Ma/Cs,den 2010:16.

[6]SDI-12(EN). SDI-12 Support Group [S]. 2005: 1-12.