雨量一体化遥测装置的设计与实现

蓝 标

（深圳市水务局防洪设施管理处，广东 深圳 518000）

0 引言

目前，国内外水文自动测报系统中，雨量遥测站由雨量计、遥测终端、电源系统（蓄电池和太阳能电池）等组成，通常采用自报式工作体制，GPRS 通讯方式。遥测站在雨量发生 1 个计量单位变化时，能实时将被测值采集、发送出去，值守功耗极低，对遥测站附属设施如供电和发射设备要求较低，适合采用太阳能浮充蓄电池的供电方式。虽然遥测站的结构相对简单，但由于雨量计、遥测终端、电源系统是独立的，需要分别安装时在房顶和房间里，有时为了连线还要再钻孔，既费时又废力，安装比较麻烦。因此设计一种通用灵活，易维护、安装的雨量一体化遥测装置是非常必要的。

1 自报式雨量遥测终端的设计

由于雨量计、电源系统是相对固定的，按照目前的技术是无法改变其大小的，因此设计雨量一体化遥测装置的关键是设计一种新型超小型能够放在雨量计里面的遥测终端。

1.1 遥测终端总体设计

采用模块化设计，根据功能，整个遥测终端可分为单片机、数据采集、数据通信、人机交互和电源供电等模块部分。

遥测终端工作流程如下：单片机读取雨量参数，进行处理、存储和编码，在自报或召测方式下，经 GPRS 模块发送至中继站或中心站。该遥测终端具有良好的人机交互功能，可通过键盘操作实现参数设置和数据实时动态显示。

1.2 硬件电路设计

从遥测终端的功能需求、成本、接口电路及程序复杂度等方面综合考虑，选用高性能的单片机为控制核心，它带有 Flash 存储器和 RAM，支持全静态操作及空闲、掉电等几种可选节电模式。整个遥测终端在硬件逻辑结构上由数据采集接口、通信接口、人机接口、实时时钟、存储扩展及电源电路等电路组成。

1.2.1 数据采集接口电路设计

雨量数据采集采用翻斗式雨量计，当降雨量达到 0.5 或 1.0 mm，雨量计翻动 1 次发出 1 个脉冲信号触发中断 0，唤醒处于低功耗状态的单片机，对雨量进行累加、存储和即时发送。由于雨量计的干簧管开关吸合会出现抖动现象，为了确保雨量记录的准确无误，雨量计输出脉冲信号经过软件去抖动后再进行处理。简化了硬件设计，提高了设备的可靠性。

1.2.2 人机接口电路设计

为体现友好的人机接口界面，便于输入和显示控制参数等，采用 12864 点阵图形液晶显示模块作为输出显示器件。12864 显示模块内置控制驱动器S6B0724，显示和驱动均由此控制器和外围电路完成。配置 4 键盘，负责快速、准确、方便地设置参数和实现各种控制功能。键盘直接与 RB 口连接，采用中断输出，当有键按下时，电路输出低电平，触发单片机退出休眠状态，后进入中断例程，判断哪个键被按下。

1.2.3 其他扩展电路

选用低功耗的 CMOS AT24C512 芯片作为扩充存储器，该芯片带有 I2C 总线接口的 64 kB 串行EEPROM，电路上将单片机的 I2C 总线与 SCL 和SDA 相连。该存储器中保存设置参数、历史水情数据和数据采集的时间标记，用户可通过按键进行显示、查阅。

数据采集的时间标记和报平安时间间隔计算采用 RS5C372A 实时时钟芯片来实现。RS5C372A 提供年、月、周、日、时、秒的数据信息，采用 I2C 与CPU 进行通信，接口简单，并可通过设置来进行走时精度的校正。

遥测终端安装在野外，没有持续的电力供给，为实现长期无人值守环境下的自动监测，采用太阳能板和蓄电池供电系统。

超小型遥测终端的尺寸：11 cm×3.9 cm×6.3 cm（长×宽×高）。

1.3 软件设计

遥测终端实现的主要功能有：1）根据规约，当产生 1 mm 雨量时，采集各种传感器数据和电源状态参数信息，并进行存储和发送；2）无参数发送时终端处于值守状态下，按自报周期（缺省值为 8 h）向中心站全量发送数据，以显示遥测站正常工作，实现报平安功能；3）召测方式下，响应中心站的数据要求指令，采集各种数据并全量发送；4）响应键盘指令，接收和更新参数的设置与修改，动态显示水情数据、终端状态信息等。

软件的主程序工作流程如下：系统初始化，确保系统处于正常工作状态；默认进入休眠模式，以降低终端系统功耗；等待外部中断唤醒系统，进行数据采集、传送，实现各种控制功能。

实现功能的硬中断例程主要包括雨量、定时器、键盘等中断例程。雨量中断例程完成雨量的累加、存储和发送。定时器中断例程，首先采集雨量数据，检查测量值变化是否超过 1 cm，是则存储数据并重新采集雨量数据及电源电压参数后发送；否则读取实时时钟的值，计算时间间隔，若达报平安周期，则进行各种数据的采集和发送。键盘中断例程主要负责接受键盘命令，进行相应处理，包括实时显示和参数设置。例程中定时器的作用是规定最大按键操作间隔时间（一般 30～60 s），即在按键操作间隔超时后强行进入低功耗状态，防止长时间无操作时的电源过多消耗。

软件流程中主要包括数据采集、存储、发送和实时显示等功能模块，显示模块和按键配合，用于测站终端的参数设置，如测站编号、采样和发送时间间隔等；同时可用于测站的检测维护。

2 雨量一体化遥测系统的设计

由超小型遥测终端组成的一体化雨量遥测站，基本组成和普通雨量遥测站相似，只是把全部设备集中放进雨量计的不锈钢筒里。

2.1 系统构成

雨量一体化遥测系统主要包括中心站、GPRS 通信、水文遥测站等部分。

2.1.1 雨量遥测设备的组装

一体化雨量遥测站是将所有设备全部组装在 1 个不锈铁机箱内，或者把遥测终端、电池安装在雨量计里面，并将雨量计固定在装有太阳能的支架上，这更适合我国国情，可广泛应用在水文自动测报系统中。

安装好的一体化雨量遥测站如图1 所示。

图1 一体化雨量遥测站现场

2.1.2 水情接收中心站

水情接收中心站由 GPRS 接收模块、服务器、水情接收等软件组成[1]。

工作原理如下：雨量遥测站的雨情数据终端完成雨量信息的采集和处理，经编码调制后，通过GPRS 通信传送到水情中心站，在软件的控制下，通过 GPRS 通信接收平台，接收每个水文遥测站发出的数据，经过处理判断后，把正确的水情信息存到中心站的数据库，并由计算机完成各种水情信息的分析、显示、汇总、报警、打印等处理工作。

2.2 水情遥测系统设计方案

2.2.1 水情遥测系统设计目标

GPRS 水情遥测系统的设计目标是：可靠、实用、经济、先进，在国内具有领先水平。

1）可靠性：选用技术成熟，信誉好的产品；

2）实用性：友好的人机界面，清晰、实用、易于操作；

3）经济性：实行优化调度，合理利用水资源，实现最好的经济和社会效益，提高运行管理人员的管理水平和工作效率；

4）先进性：采用目前国内外最先进、可靠的遥测终端，采用具有发展潜力的软件平台。

2.2.2 产品技术参数

该雨量遥测终端可广泛用于观测江河、湖泊、水库、水电厂等各种场合的雨量，也可为水情测报、水利工程管理自动化系统配套使用，方便地实现雨量的自动测量、采集、存贮、报讯及资料收集、传递、整编工作。

主要技术参数如下：

1）记录年雨量 ≥9000 mm，记录日雨量 ≥2000 mm；

2）记录年水位 0～40.95 m，记录日水位0～40.95 m[2]；

3）记录采集间隔 5 min（可调）；

4）LCD 液晶显示器（汉字显示）；

5）键盘 4 个，可修改、查询、检索参数及记录数据；

6）工作电压 6～16 V （有电压测量显示）；

7）功耗低，采用了省电芯片和省电设计理念，设备值守功耗只有 5 mA（含通信设备）；

8）功能多，采集传感器的类型多，传输通信方式多；

9）抗雷击，所有设备集成在镜面不锈钢雨量计桶内，防雷击，抗干扰；

10）容量大，遥测存贮一体化设计，配内置 U盘，可实现海量存储；

11）人性化设计，带背光液晶中文界面菜单，按主菜单和子菜单分类设置；

12）安装简单，结构紧凑，设计合理，雨量计、监测终端和电源有机结合，免拉线；

13）智能化，实现雨强自动、10 mm 降雨总量和翻斗容量变化自动跟踪等校正；

14）适应性强，环境温度、工作电压检测和电源管理，现场按键和远程命令修改遥测终端参数。

2.2.3 主要创新点

由雨量一体化装置组成的水情自动测报系统具有功能强、操作简捷、功耗低、体积小、准确性高等特点，使用 GSM 移动通讯网络作为信道，用GSM 短信或 GPRS 进行数据传输。有如下几个创新点：

1）系统功能。能够达到既能满足水情信息采集（防汛），又能完成水文资料自动收集的功能。

2）通讯方式。采用 GPRS 与短信 2 种信道，互为备份，当 GPRS 信道出现故障时，系统能够自动切换到短信信道进行数据传输。

3）资料查询。现场能查询每 5 min、小时、日的水情资料。

4）远程遥调。能够通过短信方式进行远程遥调并修改各种参数，如时间、水位校正、IP 地址、站码等。

2.2.4 关键技术

1）采用各种省电方式，配备 12 AH/6 V 蓄电池和 4 W 太阳能板，可保证 50 d 连续阴天设备正常工作。

2）从遥测终端的功能需求、成本、接口电路及程序复杂度等方面综合考虑，选用高性能的单片机为控制核心，设计成超小终端。

2.2.5 雨量一体化遥测系统特点

1）水情查询：能够通过短信方式进行远程水情数据的查询，方便工作人员及时远程掌握水情。

2）现场调整：现场调整、检修可设置不进入模块记录。

3）显示器：采用 128×64 点阵图形中文液晶显示器，主显示页面中文指示水位、雨量，图形表示手机信号强度、电池容量，显示实时时间，并有操作提示。

4）终端校时：终端时钟自动校时。

5）现场设置：现场能够修改各种参数，如时间、传感器、站码、雨量水位起报门限等。

6）工作方式：查询应答与定时自报、超限加报混合模式工作和定时方式可选 2, 4, 8, 24 等时段模式。

7）控制方式：采用可用短信方式远程设置运行方式并回送结果，手机查询水情数据。

8）存储时间：固态存储功能，原始数据记录在终端 IC 芯片上。记录年雨量 ≥9000 mm；记录日雨量 ≥2000 mm；记录有效时间 ：900 d（单参数）。

9）召测功能：测站能响应中心站远程资料召测命令（SMS），通过 GPRS 遥测信道将固态存储数据上传到中心站，最小时间间隔为 1 d。也可以到测站用 U 盘读取数据

10）时钟误差：时钟自动校时。

2.3 中心软件

2.3.1 接收软件

中心接收软件将接收到的水文信息进入中心站的 SqlServer 2000 数据库，用户把数据库的水文数据调出来进行编制水情应用软件。

2.3.2 水雨情信息查询、维护、报表管理功能

查询功能包括：实现单站水位、雨量，水位雨量查询，单站水位过程线、雨量分布柱状图查询。

用户登陆要完成的功能如下：用户输入用户名、密码，一般用户可查询数据，检验用户权限。操作员权限的有修改和查询数据功能，管理员可对各表进行维护，包括对各表数据的增加、修改、删除。

报表管理功能包括：水位日、月报表，降雨量日、月报表，水位、降雨量年报表。

3 应用实例

2010 年 9 月 30 日以来，海南省遭遇连续强降雨，多条河流发生超警戒水位洪水，部分地区受淹严重，164 万多人受灾。由于海南省水情信息管理系统二期工程中的 117 个雨量站全部采用一体化遥测装置，全部遥测站工作正常，水雨情信息都能够发出，中心站能够准确无误地收到水雨情信息，最大程度地减少了灾害损失。

4 结语

雨量一体化遥测装置的安装比较简单，安装调试大概需要 20 min，加上该遥测装置可靠性高，精度高，功耗小，比较适合水利、地质等部门在野外恶劣环境条件下使用，具有较大推广价值。

[1]中华人民共和国水利部. SL/T 180-1996 水文自动测报系统设备遥测终端机. 北京：中国水利水电出版社，1996: 5.

[2]蓝标. GPRS 技术在水文自动测报系统的应用[C]//2007水文气象年会论文集. 北京：中国仪器仪表学会，2007: 290.