李鐵良，彭 剛

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

當(dāng)今世界進(jìn)入災(zāi)難高發(fā)的歷史時(shí)期，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。實(shí)踐證明：防汛工作的規(guī)范化建設(shè)，對迅速處置洪澇災(zāi)害、減輕災(zāi)害損失等方面都起到巨大作用。本項(xiàng)目旨在搭建某沿海城市的防汛系統(tǒng)，根據(jù)該城市的地域特點(diǎn)及氣象特征，防汛系統(tǒng)監(jiān)測重點(diǎn)是雨量及水位數(shù)據(jù)，保證雨量、水位數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。從而實(shí)現(xiàn)雨量、河道水位采集自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，提高防汛資料的時(shí)效性和準(zhǔn)確度，獲取高質(zhì)量雨量、河道水位信息，減少人工和維護(hù)費(fèi)用，給防汛指揮部門提供時(shí)實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，保障正確即時(shí)調(diào)度防汛資源，為促進(jìn)現(xiàn)代化管理提供條件［1-7］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由18個(gè)子站＋1個(gè)中心站＋調(diào)試儀組成，其中：中心站由PC機(jī)＋工業(yè)手機(jī)＋防汛信息采集軟件組成。中心站自動完成各子站信息的接收和處理并建立數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)查詢和輸出；調(diào)試儀便于維護(hù)人員現(xiàn)場檢測及初始化子站；子站需自動采集雨量和河道水位，并通過GSM工業(yè)手機(jī)上傳至中心站。子站的設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的核心部分，是決定數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。本文介紹了基于89C52的防汛系統(tǒng)子站設(shè)計(jì)。

子站結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。以AT89C52作為控制及數(shù)據(jù)處理核心，系統(tǒng)采用太陽能板為電源，并配有電池及充電保護(hù)；由BCD撥碼開關(guān)設(shè)定水位初值；雨量計(jì)及水位計(jì)經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器向單片機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)；調(diào)試儀通過RS232接口與子站進(jìn)行通信；由于測點(diǎn)分散、距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，采集的雨量及水位信息通過GSM無線通信模塊完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

圖1系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System components

1.1 工作方式

子站安裝于野外，無人值守自動運(yùn)行。工作方式有兩種：自動上報(bào)和人工呼叫。

（1）自動上報(bào)。子站程序根據(jù)設(shè)定條件自動將采集到的水位和雨量信息通過GSM工業(yè)手機(jī)上報(bào)。中心站自動接收子站信息，經(jīng)預(yù)處理后自動建立數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)查詢和輸出。

（2）人工呼叫。根據(jù)實(shí)際情況需要，工作人員隨時(shí)可通過中心站PC機(jī)進(jìn)入人工呼叫狀態(tài)，以向子站發(fā)送SMS短信命令的方式采集即時(shí)信息。

子站工作于上述兩種方式時(shí)，會將累計(jì)水量、水位、電池電壓、觸發(fā)源等信息同時(shí)傳向中心站，其基本功能如表1所示。

表1基本功能Tab.1 Basic function

1.2 雨量計(jì)

翻斗式雨量計(jì)是由感應(yīng)器及信號記錄器組成的遙測雨量儀器，根據(jù)所測防洪信息的空間特性以及數(shù)據(jù)傳遞方式，本項(xiàng)目選擇DY1090AX型翻斗式雨量計(jì)。該雨量計(jì)分辨率為1 mm，即降雨滿1 mm動作；雨強(qiáng)范圍0.01～4 mm/min，允許通過最大雨強(qiáng)8 mm/min。

當(dāng)積水量達(dá)到設(shè)定值，翻斗失去平衡翻轉(zhuǎn)使開關(guān)接通電路，向記錄器輸送一個(gè)脈沖信號，記錄器電路將雨量記錄下來，如此往復(fù)即可將降雨過程測量下來。該城市年最大降雨量≤800 mm。該雨量為累計(jì)數(shù)據(jù)，故選用12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/分頻器4 040，其單片計(jì)數(shù)量M＝212-1＝4 095個(gè)。所選雨量計(jì)分辨率為1 mm，故單片4 040可累計(jì)雨量為4 095 mm。

1.3 水位計(jì)

本項(xiàng)目采用WFH-2型全量機(jī)械編碼浮子水位計(jì)，分辨率為1 cm，測量范圍40 m，12位格雷碼輸出。由于水位計(jì)采用格雷碼輸出，但顯示和傳送至中心站的數(shù)據(jù)都不采用格雷碼，因此需要進(jìn)行碼制轉(zhuǎn)換。

自然二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格雷碼，其法則是保留自然二進(jìn)制碼的最高位作為格雷碼的最高位，而次高位格雷碼為二進(jìn)制碼的高位與次高位相異或，而格雷碼其余各位與次高位的求法相類似。自然二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制格雷碼的硬件實(shí)現(xiàn)法，電路圖如圖2所示。

二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼，其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進(jìn)制碼的最高位，而次高位自然二進(jìn)制碼為高位自然二進(jìn)制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進(jìn)制碼的其余各位與次高位自然二進(jìn)制碼的求法相類似。根據(jù)二進(jìn)制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進(jìn)制碼的法則，電路如圖3所示。

圖2二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換格雷碼電路圖Fig.2 Circuit diagram of Binary code convert to Gray code

圖3格雷碼轉(zhuǎn)換二進(jìn)制碼電路圖Fig.3 Circuit diagram of Gray code convert to Binary code

1.4 GSM

由于現(xiàn)場安裝條件的限制，考慮數(shù)據(jù)可靠性、安全性等因素，選擇GSM/GPRS作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通道。本項(xiàng)目選用WAVECOM M1206（OEM版）工業(yè)手機(jī)，為RS-232接口。通過串口將工業(yè)手機(jī)固定在一個(gè)位置上，配吸盤天線。其優(yōu)點(diǎn)是不需要任何驅(qū)動，適合各種操作系統(tǒng)，吸盤天線的磁力很大，可以吸附在機(jī)箱上提供長期穩(wěn)定的GSM信號。

1.5 電源

整套設(shè)備自動運(yùn)行，為無人職守的監(jiān)測系統(tǒng)，需要電源不間斷工作。由于該城市光照充足，本項(xiàng)目采用太陽能電池板做為主要電源，CR2032電池為備用電源。太陽能電池板在太陽光的照射下，其內(nèi)部PN結(jié)會形成新的電子空穴對，在一個(gè)回路里就能產(chǎn)生直流電流；這個(gè)電流流入控制器，同時(shí)控制器會發(fā)出指令對蓄電池進(jìn)行充電。即蓄電池在白天的時(shí)候會接受充電，為系統(tǒng)提供電能。太陽能電池板進(jìn)來后會首先經(jīng)過一個(gè)開關(guān)連接到直流/直流變換器，即蓄電池充電電路，此變換器的輸出先通過一個(gè)保險(xiǎn)絲再連接到蓄電池兩端。在此它有2個(gè)作用：一是防止太陽能電池輸出較低時(shí)由蓄電池過來的反充電流；二是當(dāng)太陽能電池板極性接反時(shí)起到保護(hù)電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇需考慮太陽能電池板最大功率點(diǎn)電壓和蓄電池最大電壓，兼顧效率和成本。

由于具有先進(jìn)的微功耗設(shè)計(jì)和應(yīng)用多種電源控制技術(shù)，儀器功耗小，在陰雨天氣下可以保障設(shè)備連續(xù)工作2個(gè)月以上。系統(tǒng)電源提供2種電壓，I/O口供電電壓為5 V，水位計(jì)供電電壓為+12 V，通過78M05將電源穩(wěn)壓至5 V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化及創(chuàng)建任務(wù)基本流程（圖4）。主控單元的軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（雨量值和水位值），數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳送模塊。主程序開機(jī)后不間斷循環(huán)，永不停止，直至掉電。程序在各個(gè)部分不會停下來等待某一部分的結(jié)果，而是繼續(xù)運(yùn)行到下一個(gè)循環(huán)再來查詢是否得到了相應(yīng)結(jié)果，是則馬上處理，否則繼續(xù)循環(huán)。這種運(yùn)行機(jī)制保證了程序執(zhí)行的準(zhǔn)確可靠，尤其對于需要周期性采樣的系統(tǒng)。

圖4主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

2.2 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集子程序在主程序接收到啟動數(shù)據(jù)采集過程命令字后運(yùn)行。通過軟件將雨量、水位分時(shí)段（日、旬、月）上報(bào)。為提高水位采樣信號的真實(shí)度，本系統(tǒng)利用程序?qū)λ恍畔⒃诿?0 min連續(xù)采樣5次，然后將采樣值從小到大排隊(duì)，再取中間值為真實(shí)信號，并將采集到的水位值寫入固態(tài)存儲模塊。雨量計(jì)每次翻斗觸發(fā)將降雨時(shí)間寫入固態(tài)存儲模塊，并使雨量累計(jì)值增量。配置大容量固態(tài)存儲模塊，保證報(bào)汛與整編數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)傳輸，以定時(shí)的方式觸發(fā)，每隔1 h報(bào)送一次數(shù)據(jù)，利用GSM信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 總結(jié)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的防汛信息采集系統(tǒng)是某沿海城市防汛信息現(xiàn)代化的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了無人值守的自動化、智能化防汛信息采集。該系統(tǒng)自投入使用以來，實(shí)現(xiàn)了對雨量、水位的無人化遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，并能夠?qū)崟r(shí)自動傳輸至中心站，極大地提高了設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，達(dá)到了科學(xué)預(yù)警提高效率。

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