雨量水位监测系统设计

陈蒙蒙，蒋 鹏

(杭州电子科技大学信息与控制研究所，浙江杭州310018)

0 引言

当前水安全和水资源问题已经成为社会和经济发展中的重要因素。目前，我国水情自动遥测系统的建设中，数据采集和检测技术水平不断提高，数据的传输却存在较大的问题，如传统的拨号和专线的固定网络接入方式严重地限制了个人甚至企业的活动自由和范围，不能满足自动测报的要求;同样无线通信方式中，超短波存在中继站问题，不适合远距离传输;手机短信存在信息阻塞的问题;卫星存在投资和雨衰的问题;甚至许多地方对水位和雨量的测量仍然采用人工的方式，在安全性、准确性以及实时性等方面存在着明显的不足［1］。研究和开发一种水情监测系统，建立兼顾防灾和水资源优化管理的保障系统，是现代水利和水利工程管理的需要。安全问题特别是因洪水等自然灾害所引发的突发事故，其危害巨大，因此研究水情监测系统，通过对水情及堤坝安全的动态监控、预报、及时发现事故尤其是突发事故先兆，迅速做出反应，实时给予决策支持并实施自动控制，为工程和相关地区提供安全保障;为管理部门提供多层次信息管理和决策支持手段，在兼顾防灾水资源优化调度基础上实现水资源可持续利用，充分发挥水利工程的效益。

1 系统组成与硬件设计

雨量水位监测系统主要由以下3部分组成:遥测基站，GPRS网络以及远程监测中心［2］。遥测基站负责检测雨量、水位等信息，并通过GPRS网络与远程监测中心实现通信［3］。远程监测中心接收、存储并处理雨量水位等信息，实现实时数据显示、历史数据分析及查询等功能。雨量水位监测系统结构示意图如图1所示。

图1 雨量水位监测系统结构示意图

系统硬件设计主要为遥测基站电路设计［4］。遥测基站主要包括电源管理模块、检测模块、控制器模块、存储模块以及通信模块。遥测基站结构示意图如图2所示。

图2 遥测基站结构示意图

(1)电源管理模块

电源管理模块包括12V电源、以LM2596电压调节器为核心的5V电压转换电路，以LM1117-3.3电压调节器为核心的3.3V电压转换电路。12V电压供给雨量传感器和水位传感器，通过5V电压转换电路转换成5V供给GPRS模块、检测模块和3.3V电压转换电路。3.3V电压供给通信模块、存储模块、控制器模块。

(2)检测模块

检测模块主要由雨量传感器，水位传感器，I/V转换电路和滤波电路组成。水位传感器输出的电流信号通过I/V转换电路，转换为控制器可接收的电压信号。雨量传感器通过滤波电路，将脉冲信号发送给控制器。控制器模块对电压信号和脉冲信号进行分析和处理，完成雨量、水位的信息采集。

(3)控制器模块

控制器模块采用LPC2300系列处理器作为核心，控制现场监测设备采集和存储雨量、水位等水情信息，并通过GPRS网络与监测中心通信。该处理器处理能力强，片内外设丰富，有利于系统功能扩展，而且该控制器具有非常低的功耗。控制器的计数器CAP接口通过滤波电路连接雨量传感器，控制器的AD接口通过I/V转换电路连接水位传感器，用以接收和处理雨量、水位数据。控制器的UART0接口通过RS232串口通信电平接口转换电路连接GPRS模块，用以传输雨量、水位数据。控制器的SPI接口连接存储模块，用以存储雨量、水位数据。在此模块中留有1个JTAG接口，供调试所用。

(4)存储模块以及通信模块

存储模块采用128Mbit低功耗芯片MX25L12845E，通过SPI接口与控制器连接。通信模块包括以MAX3232为核心的RS-232串口通信电平接口转换电路和GPRS模块。通信模块与控制器模块的UART0接口连接。GPRS模块采用型号为Siemens MC35的传输模块。

2 系统软件设计

系统软件设计主要由遥测基站软件和远程监测中心软件组成［5］。

遥测基站软件负责完成雨量水位等信息的采集发送。系统启动后，首先进行各部件初始化，并且启动定时器。由于遥测基站是根据需求，每隔一段时间检测一次数据，所以要进行采样频率的设定。当设定好后，遥测基站开始采集数据，然后进行保存以及发送。当数据发送完毕后，如果已经到达设定好的采样时间，则继续采集保存并发送数据，否则的话一直处于等待状态。遥测基站软件主流程图如图3所示。

图3 遥测基站软件主流程图

数据采集中，水位采集部分代码如下所示:

而远程监控中心软件包括一个人机交互界面，具有实时数据显示、历史数据分析及查询等功能。所有的雨量水位信息都存放于服务器的数据库中。能够显示实时的雨量水位曲线图，并且生成雨量水位监测报表。

3 结束语

基于GPRS通信技术的雨量水位监测系统解决了一部分水情遥测系统建设中碰到的问题，为当前水安全和水资源问题的解决提供了依据。相对于现有技术，系统具有以下优点:(1)通信能力强、数据传输速度快、实时性强。通过传输速率快、通信质量高、网络容量大的GPRS网络实现通信，具有很强的实时性;(2)功耗低，环境适应性强。电源采用太阳能电板，各模块采用低功耗器件;各部件均采用符合工业级标准的器件，适应在野外恶劣的环境条件工作;(3)数据处理速度快，功能强。系统使用高性能处理器，有利于系统更新与功能扩展。雨量水位监测系统稳定性高，实时性强，能耗小，成本低，具有广阔的应用前景。

［1］浦亚.水情自动测报系统通信方式介绍［J］.科技风，2009，(13):234.

［2］魏德华，何延霖，刘占京，等.基于GPRS的小流域水情自动测报系统［J］.中国农村水利水电，2006，(7):18－19.

［3］韩斌杰.GPRS原理及其网络优化［M］.北京:机械工业出版社，2003:36－51.

［4］徐英慧，马忠梅，王磊，等.ARM9嵌入式系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:133－189.

［5］马洪连.李龙.芦良鑫.水情自动监测终端的设计与实现［J］.仪器仪表学报，2007，(4):274－276.