姚蓓蓓,常曉敏,竇銀科,丁云風(fēng)
(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030000;2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原030000)
基于單片機(jī)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
姚蓓蓓1,常曉敏1,竇銀科2,丁云風(fēng)2
(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030000;2.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原030000)
為滿足當(dāng)前山西省信息化監(jiān)測(cè)管理的需要,結(jié)合水情參數(shù)監(jiān)測(cè)原理的分析,設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)技術(shù)的實(shí)用型水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為控制核心,利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò),將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)進(jìn)行分析、報(bào)警。系統(tǒng)在山西汾河二庫(kù)使用后表明,其實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、功耗低、成本低,方便水利部門(mén)及時(shí)了解水情信息。
水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng);單片機(jī);GPRS
水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)是基于傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將河流湖泊水庫(kù)等流域的水位、雨量等水情數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸、處理的水文信息自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]。它能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握江河流域及水庫(kù)等地區(qū)的水情信息,在大大解放勞動(dòng)生產(chǎn)力的同時(shí)提高水情預(yù)報(bào)速度、擴(kuò)大水情監(jiān)測(cè)范圍,并及時(shí)進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度,對(duì)水庫(kù)的供水、蓄能、灌溉、水資源的合理利用以及水電站的良好運(yùn)行都具有重大意義。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利信息化水平的提高,我國(guó)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已經(jīng)在各地取得了不同程度的成果。山西省水利信息化也在不斷發(fā)展,目前在采集與傳輸手段等方面還較為落后[2],且存在水文資源利用不充分,監(jiān)控管理不集中等問(wèn)題。
汾河二庫(kù)作為山西省重點(diǎn)工程,不僅是山西省內(nèi)建成的第一座混凝土高壩,同時(shí)也是以防洪、供水為主,兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益功能的大(2)型水利樞紐工程[3],汾河二庫(kù)為省城太原的防洪安全、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)提供了不可或缺的保障。目前汾河二庫(kù)在水情監(jiān)測(cè)方面,仍采用人工讀取水尺的方式記錄水位變化,并且汾河二庫(kù)現(xiàn)有的水位標(biāo)尺已經(jīng)老舊生銹,不僅耗費(fèi)人力且測(cè)量誤差大,不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化也不利于統(tǒng)一管理,為強(qiáng)化山西水利信息化及現(xiàn)代化發(fā)展,進(jìn)一步加強(qiáng)水文綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè),急需對(duì)其進(jìn)行改造。本文設(shè)計(jì)了一款以單片機(jī)為控制核心,集成水位、水溫、冰厚、雨量等采集模塊的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)水情各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)控,為汾河二庫(kù)的防洪度汛決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持,大大減少了水資源浪費(fèi),推動(dòng)山西水利信息化步伐。
水情監(jiān)測(cè)中最重要的就是水位的監(jiān)測(cè),水位的變化不僅影響到水庫(kù)壩體的受力狀態(tài),當(dāng)?shù)匮雌诘姆篮檎{(diào)度,還會(huì)影響水資源的合理利用以及水庫(kù)的有效運(yùn)行,為了更好地進(jìn)行水位監(jiān)測(cè),本系統(tǒng)選取3種不同測(cè)量原理的水位傳感器,在進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)的同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)精度的比較,將采集到的實(shí)時(shí)水位變化與新的水位水尺讀數(shù)進(jìn)行大量的相同時(shí)間的比對(duì),得到最適宜汾河二庫(kù)當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)環(huán)境的水位傳感器??紤]汾河二庫(kù)地處峽谷,壩體較高,屬于山谷型水庫(kù),首先選擇量程較大,安裝方便的投入式壓差液位計(jì),考慮到庫(kù)底泥沙淤積,量程選取30 m,精度為0.2%,與單片機(jī)控制器通過(guò)RS232接口相連;第二選擇架設(shè)在水面上、故障率較低的超聲波液位計(jì),量程最大20 m,可根據(jù)實(shí)測(cè)距離進(jìn)行設(shè)定,精度為0.3%,4~20 mA輸出,考慮超聲波易受氣溫氣壓影響[4],系統(tǒng)加裝氣溫氣壓傳感器,在進(jìn)行數(shù)據(jù)后續(xù)處理時(shí)盡量將最終誤差降低至最小;第三選擇電容式冰厚水位傳感器,夏季監(jiān)測(cè)水位變幅,冬季主要進(jìn)行水庫(kù)冰層厚度的測(cè)量。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是利用空氣、水、冰三者之間介電特性的差異性,在施加激勵(lì)的同時(shí)引起金屬電極的電容變化,將電壓值經(jīng)CDC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,自上而下檢測(cè)空氣層、冰層、水層不同的數(shù)字量段,從而得出分界面,計(jì)算得到水位值與冰層厚度[5]。設(shè)計(jì)量程為4 m,32個(gè)芯片均勻分布,每個(gè)芯片安裝12個(gè)金屬電極。需要特別注意的是系統(tǒng)多數(shù)設(shè)備安裝在野外,容易受到雷擊[6],需要加裝有效的防雷設(shè)施。
庫(kù)區(qū)水溫測(cè)量選用自主設(shè)計(jì)制作的柔性溫度鏈,芯片采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的12位(0.062 5 ℃)分辨率的DS28EA00數(shù)字溫度傳感器,可測(cè)溫度范圍-40~85 ℃,其額外的兩個(gè)引腳PIOA和PIOB可順序檢測(cè)芯片唯一的序列號(hào),大大節(jié)省運(yùn)行時(shí)間,保證采集的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定;溫度鏈全長(zhǎng)9 m,均勻分布100個(gè)溫度敏感元件,由于空氣和水面的交匯處溫度不同,芯片之間可以傳導(dǎo)熱量,故芯片排列不需要太密集;溫度鏈與單片機(jī)控制板通過(guò)RS232接口相連。
雨量測(cè)量采用翻斗式遙測(cè)雨量計(jì),盛水口徑為Ф(200±0.6)mm,一個(gè)斗室的雨量為0.2 mm,可測(cè)范圍為降水強(qiáng)度≦4 mm/min,精度可達(dá)0.1 mm,采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議,RS485信號(hào)輸出。
汾河二庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要包括單片機(jī)數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無(wú)線通訊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)三部分。該系統(tǒng)具有水情信息自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能、數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)通訊功能、自動(dòng)報(bào)警功能、計(jì)算機(jī)顯示查詢(xún)功能。各類(lèi)傳感器將采集到的信號(hào)傳輸至單片機(jī)控制核心,轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后完成對(duì)數(shù)據(jù)的解析;液晶顯示器/鍵盤(pán)部分用于完成良好的人機(jī)界面,方便工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)置與查詢(xún);SD卡存儲(chǔ)模塊將每次發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),完整記錄原始數(shù)據(jù),方便對(duì)歷史信息的查詢(xún);電源轉(zhuǎn)換模塊將220 V交流轉(zhuǎn)化成12 V直流電壓,當(dāng)供電室斷電時(shí)還可啟用太陽(yáng)能電池供電以維持整個(gè)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定;GPRS通訊模塊將單片機(jī)解析的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī);上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢(xún)、超限報(bào)警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
單片機(jī)數(shù)據(jù)采集終端是以單片機(jī)為控制核心,將各個(gè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析,經(jīng)由無(wú)線通訊發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)??紤]水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要安裝在水庫(kù)岸邊且長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人職守,系統(tǒng)處理器不僅要求具有高性能的特點(diǎn),而且功耗要低,以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的自動(dòng)控制,同時(shí)降低系統(tǒng)整體功耗,并在采集完成后將數(shù)據(jù)傳向遠(yuǎn)端服務(wù)器[7],本次設(shè)計(jì)選用的數(shù)據(jù)控制處理電路硬件是美國(guó)TI公司推出的MSP430F5438A型單片機(jī)。MSP430單片機(jī)最大的特點(diǎn)就是功耗極低,其低壓范圍為1.8~3.6 V?;顒?dòng)模式在2.2 V、1 MHz時(shí)鐘條件下,工作電流僅為225 μA,待機(jī)模式僅為0.8 μA。CPU采用16位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng),中斷源較多,方便進(jìn)行嵌套,增加使用的靈活度[8]。同時(shí)集成有16位寄存器、常數(shù)發(fā)生器、十六位定時(shí)器Timer-A和Timer-B、大容量FLASH存儲(chǔ)器、48個(gè)通用I/O引腳等。而且CPU、寄存器和外單片機(jī)還有豐富的片內(nèi)外設(shè),例如看門(mén)狗(WDT)、A/D轉(zhuǎn)換模塊等,極大地方便了軟件的開(kāi)發(fā)、操作、信息交流與數(shù)據(jù)通信,其工作環(huán)境溫度要求范圍在-40~85 ℃, 足夠滿足工程運(yùn)行條件。
終端控制核心的程序設(shè)計(jì)主要是控制終端模塊MSP430下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集程序和上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收程序。下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序主要包括主函數(shù)程序,水位、水溫、雨量、氣溫氣壓的數(shù)據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)的程序。MSP430程序編寫(xiě)在IAR編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境下使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),通過(guò)EDA開(kāi)發(fā)工具下載到控制芯片MSP430中。主程序通過(guò)中斷判斷的方式有序控制各個(gè)子程序依次運(yùn)行,程序開(kāi)始進(jìn)行初始化設(shè)置,當(dāng)中斷觸發(fā),程序暫停執(zhí)行主程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行數(shù)據(jù)采集子程序,子程序運(yùn)行結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)繼續(xù)從中斷處執(zhí)行主程序,依次完成水位、水溫、雨量數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。在執(zhí)行中斷過(guò)程中單片機(jī)會(huì)多次從時(shí)鐘模塊中查詢(xún)時(shí)間,確保不出現(xiàn)時(shí)間誤差,按順序完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能。主程序流程圖如圖2所示。
圖2 主程序流程
根據(jù)實(shí)際需要,設(shè)置單片機(jī)每10 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心,記錄實(shí)時(shí)水位、水溫、雨量數(shù)據(jù),其中,雨量信息包括瞬時(shí)雨量值與日累計(jì)雨量值;當(dāng)水位線超過(guò)警戒線時(shí),自動(dòng)向監(jiān)控中心平臺(tái)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。
本次系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)選在汾河二庫(kù)右岸且具有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋,所以數(shù)據(jù)傳輸部分選擇GPRS無(wú)線模塊。GPRS技術(shù)克服了原有GSM網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸中的缺點(diǎn),將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組分別發(fā)送到相應(yīng)IP地址的接收端,接收端再進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新組合[9]。GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)保證用戶永久在線并提供透明無(wú)線傳輸服務(wù),當(dāng)采集終端上電后,GPRS模塊會(huì)根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控站內(nèi)網(wǎng)IP地址來(lái)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口,再由端口映射到監(jiān)測(cè)中心平臺(tái),完成一次通訊過(guò)程。每次TCP連接建立時(shí),為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源,第一包首先發(fā)送封裝了ID的數(shù)據(jù)包,封裝數(shù)據(jù)格式如下:包頭固定為 FE FE FE FE FE,數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度nn,數(shù)據(jù)段設(shè)備ID,校驗(yàn)碼CS。其中,數(shù)據(jù)段格式為ASCII,i0 i1 i2…in,長(zhǎng)度1≦n≦19;校驗(yàn)碼為nn+i0+i1+i2+…+i10所得累加和的低字節(jié)。DTU具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/485接口,方便與單片機(jī)控制器連接,進(jìn)行設(shè)置與測(cè)試,傳輸方式有透明傳輸或協(xié)議傳輸,可提供高速穩(wěn)定的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)通道,無(wú)需更改程序就可完成與原串口設(shè)備的無(wú)線通訊,縮短了開(kāi)發(fā)周期,降低了開(kāi)發(fā)成本。
本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心軟件是由C++語(yǔ)言編寫(xiě),具有SQL數(shù)據(jù)庫(kù),可以作為子程序被調(diào)用,方便遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中心的計(jì)算機(jī)調(diào)取數(shù)據(jù)。軟件安裝在監(jiān)控服務(wù)器的計(jì)算機(jī)上,為工作人員提供一個(gè)可視化操作界面,首次登陸需要修改IP地址和端口號(hào),完成檢測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)信息的錄入。登錄系統(tǒng)后可以實(shí)現(xiàn)安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)展現(xiàn)、歷史信息查詢(xún)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)查詢(xún)、測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)詳細(xì)信息的查看、數(shù)據(jù)接收狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及各水情參數(shù)的列表與圖形化統(tǒng)計(jì)處理。水位統(tǒng)計(jì)包括當(dāng)前水位值、水位變化幅度、日平均水位、最高水位、最低水位、庫(kù)容曲線;水溫統(tǒng)計(jì)包括溫度剖面圖、水溫變化曲線;雨量統(tǒng)計(jì)包括日累計(jì)雨量、當(dāng)前實(shí)時(shí)雨量、降雨次數(shù)日/月/年、月/年最大降雨日、平均降雨量。當(dāng)水位值達(dá)到預(yù)設(shè)的汛限水位、警戒水位、緊急水位時(shí),系統(tǒng)的報(bào)警功能啟動(dòng),提醒工作人員采取相應(yīng)的預(yù)泄措施進(jìn)行泄洪;若降雨強(qiáng)度超過(guò)預(yù)定值或日累計(jì)雨量過(guò)大,報(bào)警系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出訊號(hào),方便指揮人員采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)度手段。監(jiān)測(cè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)最重要的就是根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行相關(guān)水情數(shù)據(jù)的顯示、查詢(xún)、保存等功能,需要滿足中心平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)用,方便機(jī)房人員全面了解并遠(yuǎn)程監(jiān)控水庫(kù)的水情參數(shù)變化。
根據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收的數(shù)據(jù),選取2016年7月1日~7月5日8∶00的水位變化曲線(見(jiàn)圖3),比較不同液位計(jì)與水尺讀數(shù)的差異,從圖3可以看出,壓差式水位計(jì)與水尺讀數(shù)較為接近,超聲波水位計(jì)浮動(dòng)較大。
圖3 2016年7月1日~5日水位變化曲線(單位:m)
目前本水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)已在山西汾河二庫(kù)安裝使用6個(gè)多月,經(jīng)數(shù)據(jù)分析,壓差式水位傳感器采集誤差不超過(guò)±0.04 m,超聲波液位計(jì)最大誤差0.09 m,電容式冰厚水位傳感器采集誤差不超過(guò)±0.05 m,試驗(yàn)證明本系統(tǒng)具有及時(shí)、穩(wěn)定、安全、精確,集成度高,成本低的特點(diǎn),在全省范圍內(nèi)的河流、湖泊等地具有廣泛的推廣使用前景,可有效提高工作人員工作效率,提前預(yù)報(bào)洪水災(zāi)害,保證水庫(kù)安全運(yùn)行,減少不必要的損失,同時(shí)可更好地利用水資源,充分發(fā)揮水庫(kù)效益[10]。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還有一些細(xì)節(jié)需要改善和提高,例如溫度鏈被魚(yú)類(lèi)啃咬的問(wèn)題、超聲波水位計(jì)受風(fēng)力影響的問(wèn)題等。隨著科學(xué)技術(shù)的普及與發(fā)展,該系統(tǒng)將日趨完善成熟,不斷滿足水利部門(mén)的需要,為輔助制定防汛決策提供數(shù)據(jù)支持,進(jìn)一步提高水庫(kù)的現(xiàn)代化管理水平。
[1] 朱青, 張興敢, 柏業(yè)超.一種多功能水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2011, 34(3): 137- 140.
[2] 白辰曦. 山西省水文信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2010.
[3] 張屹云, 楊晉峰. 汾河二庫(kù)旅游事業(yè)發(fā)展前景[J]. 山西水利科技, 2001(141): 21- 22.
[4] 安全, 范瑞琪. 常用水位傳感器的比較和選擇[J]. 水利信息化, 2014(3): 52- 54.
[5] 竇銀科, 常曉敏, 敦卓, 等. 電容感應(yīng)式冰厚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在南極海冰監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí), 2014, 44(4): 197- 204.
[6] 馬洪連, 李龍, 蘆良鑫. 水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2007, 28(4): 274- 276.
[7] 王飛飛, 李瑋瑤. 基于單片機(jī)的水位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2015, 23(13): 135- 137.
[8] 薛慶蘭, 王金良, 高偉, 等.基于MSP430單片機(jī)的水情信息采集儀設(shè)計(jì).[J]. 水文, 2008, 28(4): 68- 69.
[9] 趙裕峰.基于GPRS和PLC的水庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 烏魯木齊: 新疆大學(xué), 2014.
[10] 張虹飛.漳澤水庫(kù)水位計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜述[J]. 山西水利, 2009(3): 77- 78.
DesignofWatershedAutomaticHydrologicalForecastSystemBasedonSingleChipMicrocomputer
YAO beibei1, CHANG Xiaomin1, DOU Yinke2, DING Yunfeng2
(1. College of Hydraulic Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)
In order to meet the demand of Shanxi Province on information management at current, a practical watershed automatic hydrological forecast system based on single chip microcomputer is designed based on the analyses of hydrological parameter monitor theory. The system takes MSP430 single chip microcomputer as the core and sends real-time data by using GPRS network to monitoring center platform for analyzing and alarming. The application of the system in Fenhe II Reservoir, Shanxi Province indicates that the system has the features of high real-time, accurate data collection, low power consumption and low cost. It can facilitate water resources department to keep abreast of hydrological information.
watershed automatic hydrological forecast system; single chip microcomputer; GPRS
P335
A
0559- 9342(2017)09- 0093- 04
2017- 02- 10
山西省水利科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目(201402);國(guó)家青年基金項(xiàng)目(41606220)
姚蓓蓓(1992—),女,山西五臺(tái)人,碩士研究生,研究方向?yàn)樗畔z測(cè)技術(shù).
(責(zé)任編輯焦雪梅)