李 博

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

目前，國(guó)內(nèi)外測(cè)量降雨量的方式主要包括以下幾種[1]，虹吸式測(cè)定雨量、翻斗式測(cè)定雨量和稱重式測(cè)定雨量等。其中，虹吸式雨量計(jì)在我國(guó)最先推廣使用，主要應(yīng)用于基層水文站。但隨著信息傳輸自動(dòng)化的發(fā)展，其無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)娜秉c(diǎn)越來(lái)越明顯，已逐步淘汰，取而代之的是翻斗雨量計(jì)和稱重式雨量計(jì)等自動(dòng)采集傳輸設(shè)備。翻斗雨量計(jì)是目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的遙測(cè)雨量計(jì)，運(yùn)行較為穩(wěn)定，但其同樣具有很多影響因素影響到其測(cè)量精度，例如，在翻斗口有異物堵塞時(shí)，或者翻斗不靈活時(shí)影響數(shù)據(jù)精度；更為嚴(yán)重的是當(dāng)雨強(qiáng)超過(guò)特定值時(shí)翻斗翻轉(zhuǎn)不及時(shí)，造成雨量數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重影響降雨量的準(zhǔn)確測(cè)定及水文資料統(tǒng)計(jì)。近年來(lái)，少部分地區(qū)采用稱重式雨量計(jì)，該雨量計(jì)主要優(yōu)點(diǎn)為收集到的雨量不丟失，測(cè)量精度較高，缺點(diǎn)是現(xiàn)有的稱重式雨量計(jì)沒(méi)有有效的解決自動(dòng)排水問(wèn)題(通過(guò)人工排水)，增加了人為干預(yù)因素，影響了測(cè)定精度。如能很好的解決上述問(wèn)題，稱重式雨量計(jì)將會(huì)是遙測(cè)雨量計(jì)的發(fā)展方向。

1 總體設(shè)計(jì)

稱重式遙測(cè)雨量計(jì)主要由雨量筒，太陽(yáng)能基板，蓄電池，特制漏斗，儲(chǔ)水漏斗、水泵，數(shù)據(jù)采集箱等組成，如圖1所示。雨量筒設(shè)計(jì)高度為70mm，用于收集雨水。筒內(nèi)最上方安裝一個(gè)儲(chǔ)水漏斗，在儲(chǔ)水漏斗和三通之間的膠管上安裝一個(gè)單向截止閥，目的是收集到的雨水只可以從上向下流，不能反向流動(dòng)；三通中間端接排水管，排水管出口處設(shè)計(jì)在高于儲(chǔ)水漏斗的雨量筒壁上，可以防止雨水從儲(chǔ)水漏斗下來(lái)誤入排水管造成降水丟量現(xiàn)象。三通下端通過(guò)進(jìn)水管下接水泵，水泵接數(shù)據(jù)采集箱，懸于儲(chǔ)水桶內(nèi)，水泵的吸水管位于側(cè)面。用于盛水的儲(chǔ)水桶固定在稱重托盤上，托盤下連稱重傳感器。

正常運(yùn)行時(shí)從雨量筒收集到的雨水經(jīng)特制漏斗、儲(chǔ)水漏斗、三通及水泵進(jìn)入儲(chǔ)水桶，由稱重傳感器稱出重量，數(shù)據(jù)采集箱將稱出的雨水重量換算成20cm口徑雨量計(jì)降水的高度，每分鐘測(cè)量、存儲(chǔ)一次。

當(dāng)儲(chǔ)水桶中雨水達(dá)到設(shè)定高度時(shí)，數(shù)據(jù)采集箱得到指令，觸發(fā)水泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，由于壓力的作用推動(dòng)活門使截止閥關(guān)閉，外部雨水暫時(shí)存在儲(chǔ)水漏斗中，儲(chǔ)水桶內(nèi)的水經(jīng)三通通過(guò)排水管排出。

排水時(shí)長(zhǎng)設(shè)有兩個(gè)閾值，一是時(shí)間，二是儲(chǔ)水桶內(nèi)剩余水量。排水時(shí)，數(shù)據(jù)采集箱實(shí)時(shí)檢查儲(chǔ)水桶內(nèi)的水量，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集箱中的定時(shí)器，當(dāng)水量小于設(shè)定值時(shí)，停止排水，如果排水時(shí)間超過(guò)設(shè)定時(shí)間40s時(shí)，強(qiáng)制停止排水，關(guān)閉水泵，截止閥自動(dòng)打開(kāi)。排水的整個(gè)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集箱會(huì)停止降水量計(jì)算，而時(shí)間及短信功能正常工作。

排水停止時(shí)，數(shù)據(jù)采集箱會(huì)自動(dòng)讀取和記錄一個(gè)高度，用來(lái)設(shè)定下一分鐘高度起始值，暫時(shí)存在儲(chǔ)水漏斗內(nèi)的雨水進(jìn)入到儲(chǔ)水桶，被記錄到下一分鐘量?jī)?nèi)的降水量，如此循環(huán)。

每次測(cè)量后，采集的數(shù)據(jù)會(huì)分別存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集箱中單片機(jī)內(nèi)部的EPPROM芯片和存儲(chǔ)模塊的SD卡內(nèi)，保證了數(shù)據(jù)的安全，同時(shí)也方便數(shù)據(jù)的調(diào)取及備份。另一方面運(yùn)用數(shù)據(jù)采集箱中短信模塊中的SIM卡，通過(guò)GPRS傳輸信道將收集到的降水?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮掌脚_(tái)。

蓄電池負(fù)責(zé)整個(gè)雨量計(jì)的供電，太陽(yáng)能基板負(fù)責(zé)對(duì)其充電，保證蓄電池輸出電源的穩(wěn)定持續(xù)性。通過(guò)電源穩(wěn)壓模塊，給水泵、存儲(chǔ)模塊、短信模塊、時(shí)鐘模塊、LED顯示屏、單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換模塊等供電。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路[2]包括稱重傳感器模塊、A/D模塊，電源模塊，MCU Arduion主控芯片模塊，SD卡模塊等。整套硬件系統(tǒng)除了量筒和稱重傳感器等設(shè)備外，其余模塊都在數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接圖

數(shù)據(jù)采集箱中以Arduion單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存在內(nèi)部的EPPROM芯片和存儲(chǔ)模塊SD卡內(nèi)，保證數(shù)據(jù)的安全和調(diào)取，其它模塊都與其相連。存儲(chǔ)模塊的引腳CS、SCK、MOS、MIS通過(guò)電路板導(dǎo)線分別連接到單片機(jī)的51、52、53、54引腳，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；時(shí)鐘模塊的引腳D、C通過(guò)電路板導(dǎo)線連接到單片機(jī)的SCL、SDA引腳，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘計(jì)時(shí)；LED顯示屏的引腳CLK、MOSI、RE、DC、CS通過(guò)電路板導(dǎo)線分別連接到單片機(jī)的A0～A4引腳，也可以通過(guò)LED顯示屏輸出端外接顯示屏查看單片機(jī)的運(yùn)行信息；D/A轉(zhuǎn)換模塊的引腳DAT、CLK通過(guò)電路板導(dǎo)線連接到單片機(jī)的A12、A13引腳，用于實(shí)現(xiàn)信息收集分析，同時(shí)D/A轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)傳感器輸出端經(jīng)過(guò)屏蔽導(dǎo)線連接到稱重傳感器；繼電器模塊是一個(gè)被指令部件，單片機(jī)通過(guò)A5引腳連接繼電器模塊的SIG引腳控制其工作；短信模塊外接天線，同時(shí)通過(guò)URX、UTX引腳經(jīng)電路板導(dǎo)線與單片機(jī)的TXO、RXO引腳相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)部圖

3 軟件設(shè)計(jì)

Arduino單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境基于ArduinoIDE，所用編程語(yǔ)言為C++語(yǔ)言，流程如圖4所示。

3.1 初始化部分

上電開(kāi)始先檢查SD卡，SIM卡是否準(zhǔn)備就緒，如未準(zhǔn)備好或不可用，便重啟單片機(jī)；準(zhǔn)備完成后進(jìn)入排水檢測(cè)，如果裝置內(nèi)有水，啟動(dòng)排水，將裝置內(nèi)水排空并記錄當(dāng)前高度h1。然后進(jìn)入程序主循環(huán)內(nèi)。

3.2 程序循環(huán)主體

(1)先通過(guò)DS3231時(shí)鐘模塊獲取時(shí)間。當(dāng)時(shí)間變化超過(guò)1min時(shí)讀取高度，記錄高度h2，然后計(jì)算1min前后的高度差h=h2-h1，便是1min的降水量。然后讀取EPPROM0內(nèi)的數(shù)據(jù)h3(初始時(shí)該數(shù)據(jù)為0)，然后將h3與h相加，再存入EPPROM0(這樣做的好處是使數(shù)據(jù)掉電后可以保存，若直接存入單片機(jī)內(nèi)掉電后數(shù)據(jù)會(huì)全部清零，影響測(cè)量精度)，存入SD卡。然后將h2的值賦予h1，將h2作為下1min的起始值。

圖4 程序流程圖

同時(shí)引入變量aa，每經(jīng)過(guò)1min aa加1，當(dāng)加到30min時(shí)檢查排水，有水則排，無(wú)水返回。即設(shè)定30min排一次水。

當(dāng)時(shí)間變化超過(guò)一小時(shí)時(shí)，檢測(cè)SIM卡聯(lián)網(wǎng)情況，如果聯(lián)網(wǎng)異常，重啟單片機(jī)。

當(dāng)時(shí)間等于8∶00時(shí)。統(tǒng)計(jì)這一天的數(shù)據(jù)，將EPPROM0內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出，寫入對(duì)應(yīng)的以星期命名的存儲(chǔ)器。同時(shí)寫入SD卡。

(2)檢查是否收到短信，如果有短信，便將EPPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)讀出，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

(3)整個(gè)過(guò)程結(jié)束后，將時(shí)間及所測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)LED屏幕顯示出來(lái)。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將本次設(shè)計(jì)研究的稱重式遙測(cè)雨量計(jì)于2017年5月末安裝在9處雨量站，經(jīng)過(guò)汛期實(shí)驗(yàn)，分別選取典型場(chǎng)降雨和整個(gè)汛期降雨做人工對(duì)比分析如下。

(1)場(chǎng)次降雨對(duì)比

表1 2017年8月3日8時(shí)～4日8時(shí)場(chǎng)次降雨對(duì)比表

(2)整個(gè)汛期降雨對(duì)比分析

表2 2017年6月1日～9日20時(shí)汛期降雨對(duì)比表

從表1和表2可以看出，本次研究的稱重式遙測(cè)雨量計(jì)測(cè)量雨量數(shù)據(jù)與人工測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)論是從場(chǎng)雨還是整個(gè)汛期降雨層面上，誤差都基本控制在5%以內(nèi)，尤其在場(chǎng)雨上更為精準(zhǔn)，該雨量計(jì)達(dá)到了氣象儀器中雨量計(jì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)的稱重式遙測(cè)雨量計(jì)，改變了傳統(tǒng)稱重式雨量計(jì)不能自動(dòng)排水或排水不及時(shí)造成降水測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的弊端，同時(shí)該儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行成本低，在通過(guò)一年來(lái)的實(shí)際降雨實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量精度較高，符合普遍推廣的條件，今后重點(diǎn)工作將逐漸轉(zhuǎn)移到設(shè)備耐腐蝕、防凍防曬、通信穩(wěn)定程度等一系列實(shí)驗(yàn)工作上。

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