藍 標

（深圳市水務(wù)局防洪設(shè)施管理處，廣東 深圳 518000）

0 引言

目前，國內(nèi)外水文自動測報系統(tǒng)中，雨量遙測站由雨量計、遙測終端、電源系統(tǒng)（蓄電池和太陽能電池）等組成，通常采用自報式工作體制，GPRS 通訊方式。遙測站在雨量發(fā)生 1 個計量單位變化時，能實時將被測值采集、發(fā)送出去，值守功耗極低，對遙測站附屬設(shè)施如供電和發(fā)射設(shè)備要求較低，適合采用太陽能浮充蓄電池的供電方式。雖然遙測站的結(jié)構(gòu)相對簡單，但由于雨量計、遙測終端、電源系統(tǒng)是獨立的，需要分別安裝時在房頂和房間里，有時為了連線還要再鉆孔，既費時又廢力，安裝比較麻煩。因此設(shè)計一種通用靈活，易維護、安裝的雨量一體化遙測裝置是非常必要的。

1 自報式雨量遙測終端的設(shè)計

由于雨量計、電源系統(tǒng)是相對固定的，按照目前的技術(shù)是無法改變其大小的，因此設(shè)計雨量一體化遙測裝置的關(guān)鍵是設(shè)計一種新型超小型能夠放在雨量計里面的遙測終端。

1.1 遙測終端總體設(shè)計

采用模塊化設(shè)計，根據(jù)功能，整個遙測終端可分為單片機、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、人機交互和電源供電等模塊部分。

遙測終端工作流程如下：單片機讀取雨量參數(shù)，進行處理、存儲和編碼，在自報或召測方式下，經(jīng) GPRS 模塊發(fā)送至中繼站或中心站。該遙測終端具有良好的人機交互功能，可通過鍵盤操作實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)實時動態(tài)顯示。

1.2 硬件電路設(shè)計

從遙測終端的功能需求、成本、接口電路及程序復(fù)雜度等方面綜合考慮，選用高性能的單片機為控制核心，它帶有 Flash 存儲器和 RAM，支持全靜態(tài)操作及空閑、掉電等幾種可選節(jié)電模式。整個遙測終端在硬件邏輯結(jié)構(gòu)上由數(shù)據(jù)采集接口、通信接口、人機接口、實時時鐘、存儲擴展及電源電路等電路組成。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集接口電路設(shè)計

雨量數(shù)據(jù)采集采用翻斗式雨量計，當降雨量達到 0.5 或 1.0 mm，雨量計翻動 1 次發(fā)出 1 個脈沖信號觸發(fā)中斷 0，喚醒處于低功耗狀態(tài)的單片機，對雨量進行累加、存儲和即時發(fā)送。由于雨量計的干簧管開關(guān)吸合會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，為了確保雨量記錄的準確無誤，雨量計輸出脈沖信號經(jīng)過軟件去抖動后再進行處理。簡化了硬件設(shè)計，提高了設(shè)備的可靠性。

1.2.2 人機接口電路設(shè)計

為體現(xiàn)友好的人機接口界面，便于輸入和顯示控制參數(shù)等，采用 12864 點陣圖形液晶顯示模塊作為輸出顯示器件。12864 顯示模塊內(nèi)置控制驅(qū)動器S6B0724，顯示和驅(qū)動均由此控制器和外圍電路完成。配置 4 鍵盤，負責快速、準確、方便地設(shè)置參數(shù)和實現(xiàn)各種控制功能。鍵盤直接與 RB 口連接，采用中斷輸出，當有鍵按下時，電路輸出低電平，觸發(fā)單片機退出休眠狀態(tài)，后進入中斷例程，判斷哪個鍵被按下。

1.2.3 其他擴展電路

選用低功耗的 CMOS AT24C512 芯片作為擴充存儲器，該芯片帶有 I2C 總線接口的 64 kB 串行EEPROM，電路上將單片機的 I2C 總線與 SCL 和SDA 相連。該存儲器中保存設(shè)置參數(shù)、歷史水情數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集的時間標記，用戶可通過按鍵進行顯示、查閱。

數(shù)據(jù)采集的時間標記和報平安時間間隔計算采用 RS5C372A 實時時鐘芯片來實現(xiàn)。RS5C372A 提供年、月、周、日、時、秒的數(shù)據(jù)信息，采用 I2C 與CPU 進行通信，接口簡單，并可通過設(shè)置來進行走時精度的校正。

遙測終端安裝在野外，沒有持續(xù)的電力供給，為實現(xiàn)長期無人值守環(huán)境下的自動監(jiān)測，采用太陽能板和蓄電池供電系統(tǒng)。

超小型遙測終端的尺寸：11 cm×3.9 cm×6.3 cm（長×寬×高）。

1.3 軟件設(shè)計

遙測終端實現(xiàn)的主要功能有：1）根據(jù)規(guī)約，當產(chǎn)生 1 mm 雨量時，采集各種傳感器數(shù)據(jù)和電源狀態(tài)參數(shù)信息，并進行存儲和發(fā)送；2）無參數(shù)發(fā)送時終端處于值守狀態(tài)下，按自報周期（缺省值為 8 h）向中心站全量發(fā)送數(shù)據(jù)，以顯示遙測站正常工作，實現(xiàn)報平安功能；3）召測方式下，響應(yīng)中心站的數(shù)據(jù)要求指令，采集各種數(shù)據(jù)并全量發(fā)送；4）響應(yīng)鍵盤指令，接收和更新參數(shù)的設(shè)置與修改，動態(tài)顯示水情數(shù)據(jù)、終端狀態(tài)信息等。

軟件的主程序工作流程如下：系統(tǒng)初始化，確保系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)；默認進入休眠模式，以降低終端系統(tǒng)功耗；等待外部中斷喚醒系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)采集、傳送，實現(xiàn)各種控制功能。

實現(xiàn)功能的硬中斷例程主要包括雨量、定時器、鍵盤等中斷例程。雨量中斷例程完成雨量的累加、存儲和發(fā)送。定時器中斷例程，首先采集雨量數(shù)據(jù)，檢查測量值變化是否超過 1 cm，是則存儲數(shù)據(jù)并重新采集雨量數(shù)據(jù)及電源電壓參數(shù)后發(fā)送；否則讀取實時時鐘的值，計算時間間隔，若達報平安周期，則進行各種數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。鍵盤中斷例程主要負責接受鍵盤命令，進行相應(yīng)處理，包括實時顯示和參數(shù)設(shè)置。例程中定時器的作用是規(guī)定最大按鍵操作間隔時間（一般 30～60 s），即在按鍵操作間隔超時后強行進入低功耗狀態(tài)，防止長時間無操作時的電源過多消耗。

軟件流程中主要包括數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送和實時顯示等功能模塊，顯示模塊和按鍵配合，用于測站終端的參數(shù)設(shè)置，如測站編號、采樣和發(fā)送時間間隔等；同時可用于測站的檢測維護。

2 雨量一體化遙測系統(tǒng)的設(shè)計

由超小型遙測終端組成的一體化雨量遙測站，基本組成和普通雨量遙測站相似，只是把全部設(shè)備集中放進雨量計的不銹鋼筒里。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

雨量一體化遙測系統(tǒng)主要包括中心站、GPRS 通信、水文遙測站等部分。

2.1.1 雨量遙測設(shè)備的組裝

一體化雨量遙測站是將所有設(shè)備全部組裝在 1 個不銹鐵機箱內(nèi)，或者把遙測終端、電池安裝在雨量計里面，并將雨量計固定在裝有太陽能的支架上，這更適合我國國情，可廣泛應(yīng)用在水文自動測報系統(tǒng)中。

安裝好的一體化雨量遙測站如圖1 所示。

圖1 一體化雨量遙測站現(xiàn)場

2.1.2 水情接收中心站

水情接收中心站由 GPRS 接收模塊、服務(wù)器、水情接收等軟件組成[1]。

工作原理如下：雨量遙測站的雨情數(shù)據(jù)終端完成雨量信息的采集和處理，經(jīng)編碼調(diào)制后，通過GPRS 通信傳送到水情中心站，在軟件的控制下，通過 GPRS 通信接收平臺，接收每個水文遙測站發(fā)出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理判斷后，把正確的水情信息存到中心站的數(shù)據(jù)庫，并由計算機完成各種水情信息的分析、顯示、匯總、報警、打印等處理工作。

2.2 水情遙測系統(tǒng)設(shè)計方案

2.2.1 水情遙測系統(tǒng)設(shè)計目標

GPRS 水情遙測系統(tǒng)的設(shè)計目標是：可靠、實用、經(jīng)濟、先進，在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平。

1）可靠性：選用技術(shù)成熟，信譽好的產(chǎn)品；

2）實用性：友好的人機界面，清晰、實用、易于操作；

3）經(jīng)濟性：實行優(yōu)化調(diào)度，合理利用水資源，實現(xiàn)最好的經(jīng)濟和社會效益，提高運行管理人員的管理水平和工作效率；

4）先進性：采用目前國內(nèi)外最先進、可靠的遙測終端，采用具有發(fā)展?jié)摿Φ能浖脚_。

2.2.2 產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)

該雨量遙測終端可廣泛用于觀測江河、湖泊、水庫、水電廠等各種場合的雨量，也可為水情測報、水利工程管理自動化系統(tǒng)配套使用，方便地實現(xiàn)雨量的自動測量、采集、存貯、報訊及資料收集、傳遞、整編工作。

主要技術(shù)參數(shù)如下：

1）記錄年雨量 ≥9000 mm，記錄日雨量 ≥2000 mm；

2）記錄年水位 0～40.95 m，記錄日水位0～40.95 m[2]；

3）記錄采集間隔 5 min（可調(diào)）；

4）LCD 液晶顯示器（漢字顯示）；

5）鍵盤 4 個，可修改、查詢、檢索參數(shù)及記錄數(shù)據(jù)；

6）工作電壓 6～16 V （有電壓測量顯示）；

7）功耗低，采用了省電芯片和省電設(shè)計理念，設(shè)備值守功耗只有 5 mA（含通信設(shè)備）；

8）功能多，采集傳感器的類型多，傳輸通信方式多；

9）抗雷擊，所有設(shè)備集成在鏡面不銹鋼雨量計桶內(nèi)，防雷擊，抗干擾；

10）容量大，遙測存貯一體化設(shè)計，配內(nèi)置 U盤，可實現(xiàn)海量存儲；

11）人性化設(shè)計，帶背光液晶中文界面菜單，按主菜單和子菜單分類設(shè)置；

12）安裝簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計合理，雨量計、監(jiān)測終端和電源有機結(jié)合，免拉線；

13）智能化，實現(xiàn)雨強自動、10 mm 降雨總量和翻斗容量變化自動跟蹤等校正；

14）適應(yīng)性強，環(huán)境溫度、工作電壓檢測和電源管理，現(xiàn)場按鍵和遠程命令修改遙測終端參數(shù)。

2.2.3 主要創(chuàng)新點

由雨量一體化裝置組成的水情自動測報系統(tǒng)具有功能強、操作簡捷、功耗低、體積小、準確性高等特點，使用 GSM 移動通訊網(wǎng)絡(luò)作為信道，用GSM 短信或 GPRS 進行數(shù)據(jù)傳輸。有如下幾個創(chuàng)新點：

1）系統(tǒng)功能。能夠達到既能滿足水情信息采集（防汛），又能完成水文資料自動收集的功能。

2）通訊方式。采用 GPRS 與短信 2 種信道，互為備份，當 GPRS 信道出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠自動切換到短信信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

3）資料查詢?，F(xiàn)場能查詢每 5 min、小時、日的水情資料。

4）遠程遙調(diào)。能夠通過短信方式進行遠程遙調(diào)并修改各種參數(shù)，如時間、水位校正、IP 地址、站碼等。

2.2.4 關(guān)鍵技術(shù)

1）采用各種省電方式，配備 12 AH/6 V 蓄電池和 4 W 太陽能板，可保證 50 d 連續(xù)陰天設(shè)備正常工作。

2）從遙測終端的功能需求、成本、接口電路及程序復(fù)雜度等方面綜合考慮，選用高性能的單片機為控制核心，設(shè)計成超小終端。

2.2.5 雨量一體化遙測系統(tǒng)特點

1）水情查詢：能夠通過短信方式進行遠程水情數(shù)據(jù)的查詢，方便工作人員及時遠程掌握水情。

2）現(xiàn)場調(diào)整：現(xiàn)場調(diào)整、檢修可設(shè)置不進入模塊記錄。

3）顯示器：采用 128×64 點陣圖形中文液晶顯示器，主顯示頁面中文指示水位、雨量，圖形表示手機信號強度、電池容量，顯示實時時間，并有操作提示。

4）終端校時：終端時鐘自動校時。

5）現(xiàn)場設(shè)置：現(xiàn)場能夠修改各種參數(shù)，如時間、傳感器、站碼、雨量水位起報門限等。

6）工作方式：查詢應(yīng)答與定時自報、超限加報混合模式工作和定時方式可選 2, 4, 8, 24 等時段模式。

7）控制方式：采用可用短信方式遠程設(shè)置運行方式并回送結(jié)果，手機查詢水情數(shù)據(jù)。

8）存儲時間：固態(tài)存儲功能，原始數(shù)據(jù)記錄在終端 IC 芯片上。記錄年雨量 ≥9000 mm；記錄日雨量 ≥2000 mm；記錄有效時間 ：900 d（單參數(shù)）。

9）召測功能：測站能響應(yīng)中心站遠程資料召測命令（SMS），通過 GPRS 遙測信道將固態(tài)存儲數(shù)據(jù)上傳到中心站，最小時間間隔為 1 d。也可以到測站用 U 盤讀取數(shù)據(jù)

10）時鐘誤差：時鐘自動校時。

2.3 中心軟件

2.3.1 接收軟件

中心接收軟件將接收到的水文信息進入中心站的 SqlServer 2000 數(shù)據(jù)庫，用戶把數(shù)據(jù)庫的水文數(shù)據(jù)調(diào)出來進行編制水情應(yīng)用軟件。

2.3.2 水雨情信息查詢、維護、報表管理功能

查詢功能包括：實現(xiàn)單站水位、雨量，水位雨量查詢，單站水位過程線、雨量分布柱狀圖查詢。

用戶登陸要完成的功能如下：用戶輸入用戶名、密碼，一般用戶可查詢數(shù)據(jù)，檢驗用戶權(quán)限。操作員權(quán)限的有修改和查詢數(shù)據(jù)功能，管理員可對各表進行維護，包括對各表數(shù)據(jù)的增加、修改、刪除。

報表管理功能包括：水位日、月報表，降雨量日、月報表，水位、降雨量年報表。

3 應(yīng)用實例

2010 年 9 月 30 日以來，海南省遭遇連續(xù)強降雨，多條河流發(fā)生超警戒水位洪水，部分地區(qū)受淹嚴重，164 萬多人受災(zāi)。由于海南省水情信息管理系統(tǒng)二期工程中的 117 個雨量站全部采用一體化遙測裝置，全部遙測站工作正常，水雨情信息都能夠發(fā)出，中心站能夠準確無誤地收到水雨情信息，最大程度地減少了災(zāi)害損失。

4 結(jié)語

雨量一體化遙測裝置的安裝比較簡單，安裝調(diào)試大概需要 20 min，加上該遙測裝置可靠性高，精度高，功耗小，比較適合水利、地質(zhì)等部門在野外惡劣環(huán)境條件下使用，具有較大推廣價值。

[1]中華人民共和國水利部. SL/T 180-1996 水文自動測報系統(tǒng)設(shè)備遙測終端機. 北京：中國水利水電出版社，1996: 5.

[2]藍標. GPRS 技術(shù)在水文自動測報系統(tǒng)的應(yīng)用[C]//2007水文氣象年會論文集. 北京：中國儀器儀表學會，2007: 290.