雨水情自动监测系统的组成及应用

蒋虹+++黄明

摘 要：介绍了广泛应用于水利信息自动化采集中的雨量、水位传感器等参数为主的数据监测系统的设计构成，以及在实际中应用。

关键词：传感器；单片机数据采集；远程通讯RTU

1 雨水情监测系统的应用背景

在水利信息自动化应用中，雨量、水位的监测正由自动化取代传统的人工采集，RTU也即远程遥测终端，其主要完成两个功能，第一个功能是采集前端传感器的数据，第二个功能是将采集的数据传送给运行监测分析软件的工控机，远程遥测终端广泛应用于各种各样的的自动测报系统中，是整监测个系统的重要组成部分。目前环保、水情、气象、石油、煤矿、电力、交通、农业以及科研领域的数据采集系统广泛应用RTU。要做好水情预报工作，就必须实时监测诸如雨量、温度、水位、闸门开启情况、湿度以及流量等参数，这些参数如果不借助RTU监测，而是通过人工监测，其困难是不可想象的。目前很多RTU监测点都配备为无人值守的监测点，这些监测点一旦建成，就不需要排专人看守，极大降低人力成本。无人值守RTU具有高效、稳定以及成本低等特点，因此在水情监测中被广泛应用，无人值守RTU主要通过两种方式向中心站发送数据，一种是通过无线电台，这种方式属于自建网络，不需要额外的费用，但传输距离有限；另一种方式是借助公共的GSM网络，这种方式基本不受距离的限制，但由于需要借助外部的传输网络，需要交纳一定的费用。远程遥测终端RTU主要应用于需要遥测数据的地方，除了气象和水利行业外，在油田自动化、变电站的远程监测点、供气供水管网以及输油管道的监控点都被广泛使用，具有良好的社会和经济效益。

2 远程遥测终端组成

本系统面向水情监测，因此与大部分远程监测系统具有很多的共性又有很多的独特性，在设计之初就充分考虑了系统的可扩展性，稍加改造就完全可以应用到机房监测以及气象监测等领域。水情监测主要监测水库以及河流的水情，主要包括水流流量、水库以及河流的水位、水温、各进出水口的闸门开启情况以及大坝安全等参数。这些参数根据位置远近以及现有条件分别选择不同的传输方式传送到中心站。对于那些要求实时性高的水情数据，尽量选择稳定的传输方式，在很多情况下也可以选择多种方式传送一组数据，确保数据及时传输到中心站。本系统目前可以采集雨量、水位、以及风速、风向、气压、气温以及湿度等数据，系统主要由远程采集数据的监测站以及负责数据处理的中心站组成。

数据监测站：数据监测站全部为无人值守的遥测站，减少人力成本，监测站一经安装调试完成就不再需要专人值班看守，监测站主要采取两种方式采集数据，一种是定时的采集，另一种是触发方式的采集。定时采集根据用户提前设置的时间间隔采集数据，而触发采集则根据由外界触发采集，例如蒸发量以及雨量的采集常采取触发采集，当蒸发量以及雨量发生了一定量的变化，例1mm/0.5mm变化时（具体数值可以提前设置）就触发一次额采集，并将数据发送到中心站，监测站处理简单的采集以及传输外，也会对数据进行一定处理，例如过滤一些干扰数据，对数据集进行压缩，减少数据传输量。

中心站：中心站是系统操作平台，负责收集、分析、统计和查询各测站的实时数据、历史数据、报警信息等，并生成各种统计报表，将数据存档并发出各种预报。

3 实际应用

3.1 硬件设计

为了使系统具有灵活性和可靠性，遥测数据采集系统采用模块化结构，具有各种功能模块，如采集，传输等等，各模块自带CPU，具备一定数据处理和故障检测能力。从元件级别，系统级别同时考虑低功耗的问题。所有总控模块统一遍址，为大规模组网提供条件。内部采用统一协议，搭配极为灵活，针对不同的行业和各类传感器，无须对传输和总控模块做任何改动，只需搭配不同的采集模块，就可以适应不同行业的需求。在面对新型接口的传感器时，只要针对性的开发出采集模块，就可以很快在系统中应用，大大缩短了开发周期。

由于采用模块化结构，各模块都具有一定数据处理能力，并且功能大大细化。主要的模块有MAIN主模块，其功能是数据处理、流程控制、远程通信、雨量计输入、RS485传感器接入；VS振弦模块，其功能是振弦式传感器和电阻式传感器接入；另外还有一些辅助功能模块如I/U模块-4～20mA传感器输入、PSTN模块、RF调制解调模块、信号输入防雷模块等。本系统具备故障自检能力，能在非人工干预的情况下检测故障点，确定故障能力，为快速检修提供基础。在主模块MAIN的设计中采用具备ISP和IAP能力的大容量FLASHROM单片机，可以远程修改升级片上程序，无须技术人员到测站所在地就可以修改片上软件，在交通条件恶劣的地方应用将非常方便，大大减低维护工作量。

雨水情自动监测系统的原理图见图1。从原理图中可以看出，系统的整个核心就是MAIN主模块，它可以直接接入485接口的传感器，也可以通过I/U模块接如4～20mA接口传感器，或者通过VS弦式模块接入弦式传感器。由于整个系统采用低功耗技术设计，MAIN主模块的工作电流仅为50mA，而其待机电流更是低至50uA，所以完全可以采用太阳能电池和蓄电池组合的供电方式进行供电，充电控制工作过程是：充电控制电路要求当蓄电池电压低于10.8V时，停止向MAIN主模块供电，为蓄电池冲电，当蓄电池电压低于13.8V高于10.8V时，边充电边工作，蓄电池电压高于13.8V，则停止向蓄电池充电。当测站的MAIN主模块有数据需要中心站发送时，可以采取多种方式进行通信，如通过RF调制解调模块连接的电台，或者通过短信模块或卫星设备，从空中把数据传递到中心站。当然数据也可以用PSTN模块通过有线方式传递到中心站。中心站的功能主要就是将接收到的数据保存到数据库，为其它应用软件提供最基本、最原始的数据。中心站也可以对测站进行远程通信，如对测站进行招测等。

在实际应用中，具体的水位雨量遥测站组成结构见图2，它包含了20W太阳能电池板、12V38AH蓄电池、太阳能充电保护器、GPRS/GSM通信终端、雨量、水位传感器。在图2中，防雷模块还连接了太阳能电池、数字式水位计，它们的地线实际上是雨水情自动测报系统的数字地，所以它们可以共用同一个防雷模块，共占用6路防雷通道，每个防雷模块共有9路通道，MAIN主模块和防雷模块构成了最基本的RTU。endprint

RTU是由MAIN模块和防雷模块构成。

水位测量采用浮子式水位计，输出信号线采用RS485串行通信接口标准，通过防雷模块后接入到MAIN主模块的RS485口的对应连接端，浮子水位计在使用前需要分别对水位计和RTU的MAIN模块进行配置，指定使用地址，水位传感器的分变率不低于1cm，量程根据实际需要选定。

雨量测量采用翻斗式雨量计，承雨口内径为200mm，分别率为0.5mm，同样使用前需要对RTU的MAIN模块进行雨量计使用地址进行配置。翻斗式雨量计为双干簧管雨量计共有3根输出信号线：一根为信号线A而另一根为信号线B，这两根线在雨量计中并未定义，可以定义任意一根为信号线A，另一根定义为信号线B，再加上数字地线，雨量计信号线缆通常有屏蔽层，进入机箱后该屏蔽层需与机箱地连接。同样信号线进入机箱后，先进入RTU中的防雷模块，然后连接到MAIN模块中，起到防雷的作用。

雨水情自动监测系统采用太阳能浮冲蓄电池方式供电，配置满足1个月连续阴雨天气正常供电，具体配置为，太阳能电池板采用单晶硅太阳能组件，最大工作电压17V，开路电压21V，标称功率20W；太阳能充电控制器电压12V，最终充电电压13.8V，憩息电压14.5V，工作环境温度-25℃～50℃；蓄电池采用铅酸免维护可充电蓄电池或锂电池，对于高寒地区，应选用耐低温的充电电池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手机短消息模块采用现成的产品，还需要一块SIM卡，将其串行通信口的信号线接入MAIN主摸块的串行通信口DB9即可，GSM短信方式简单，点对点发送和接收，但是使用费较高，按短信条数收费；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 软件设计

雨水情自动监测系统的工作状态有三种状态：

（1）自报状态：常态下MAIN主模块处于休眠状态，待下列事件之一发生时，自动唤醒，采集数据：a.强制采集时间到，b.敏感量触发（如雨量）。

（2）中继状态：常态下长上电，接收远端站点数据，转发到下一中继站点或中心站点。

（3）长上电状态：常态下长上电，当中心站招测时，随时发送或接收远端数据并转发中心监控计算机，同时可完成自报状态和中继状态工作。

MAIN模块是整个系统的核心，其设计设计思路是：

自动控制总流程：自动控制过程按照以下时序工作（见图3）：

数据采集：数据采集的工作过程随传感器的不同而有很多种，他们遵照如下的同一个时序工作（见图4）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，降低功耗。由于采集过程始终处于被动状态，因此能最大限度减少总线上的竞争和冲突

通讯：基于当前应用的特点，通讯模块将采用多路串口的结构，多个串口采用485/232电平，可以接入GSM短消息模块，电台，海事卫星，北斗卫星，GPS等各种卫星终端，使用串口+外接通讯组件的方式，做到一机多能，能方便接入各种信道。同时，这种简单的结构也为信道管理带来了方便。通信过程将按照如下过程进行：

接收内部数据时（见图5）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，接收外部数据接收外部数据时（见图6）：

4 结束语

文章通过微机组成的中心站与单片机组成的测站构成数据采集系统，通过卫星、电台、短信等通信方式实现了远程数据采集系统的基本功能。在硬件连接上，采用了雨量等唤醒技术，实现了整个电路的微功耗设计，达到了mA级的工作电流，uA级的待机电流。在软件编制上，采用流行的高级语言编写代码，实现了PC机与单片机的多种远程通信方式，也使得复杂的功能和控制逻辑在单片机上较为容易实现。该方法也可以用于类似的工业场合中。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，1998.

[2]杨金岩.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2005.

作者简介：蒋虹（1964-），女，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：计算机应用。

黄明（1963-），男，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：电子技术及计算机应用。endprint

RTU是由MAIN模块和防雷模块构成。

水位测量采用浮子式水位计，输出信号线采用RS485串行通信接口标准，通过防雷模块后接入到MAIN主模块的RS485口的对应连接端，浮子水位计在使用前需要分别对水位计和RTU的MAIN模块进行配置，指定使用地址，水位传感器的分变率不低于1cm，量程根据实际需要选定。

雨量测量采用翻斗式雨量计，承雨口内径为200mm，分别率为0.5mm，同样使用前需要对RTU的MAIN模块进行雨量计使用地址进行配置。翻斗式雨量计为双干簧管雨量计共有3根输出信号线：一根为信号线A而另一根为信号线B，这两根线在雨量计中并未定义，可以定义任意一根为信号线A，另一根定义为信号线B，再加上数字地线，雨量计信号线缆通常有屏蔽层，进入机箱后该屏蔽层需与机箱地连接。同样信号线进入机箱后，先进入RTU中的防雷模块，然后连接到MAIN模块中，起到防雷的作用。

雨水情自动监测系统采用太阳能浮冲蓄电池方式供电，配置满足1个月连续阴雨天气正常供电，具体配置为，太阳能电池板采用单晶硅太阳能组件，最大工作电压17V，开路电压21V，标称功率20W；太阳能充电控制器电压12V，最终充电电压13.8V，憩息电压14.5V，工作环境温度-25℃～50℃；蓄电池采用铅酸免维护可充电蓄电池或锂电池，对于高寒地区，应选用耐低温的充电电池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手机短消息模块采用现成的产品，还需要一块SIM卡，将其串行通信口的信号线接入MAIN主摸块的串行通信口DB9即可，GSM短信方式简单，点对点发送和接收，但是使用费较高，按短信条数收费；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 软件设计

雨水情自动监测系统的工作状态有三种状态：

（1）自报状态：常态下MAIN主模块处于休眠状态，待下列事件之一发生时，自动唤醒，采集数据：a.强制采集时间到，b.敏感量触发（如雨量）。

（2）中继状态：常态下长上电，接收远端站点数据，转发到下一中继站点或中心站点。

（3）长上电状态：常态下长上电，当中心站招测时，随时发送或接收远端数据并转发中心监控计算机，同时可完成自报状态和中继状态工作。

MAIN模块是整个系统的核心，其设计设计思路是：

自动控制总流程：自动控制过程按照以下时序工作（见图3）：

数据采集：数据采集的工作过程随传感器的不同而有很多种，他们遵照如下的同一个时序工作（见图4）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，降低功耗。由于采集过程始终处于被动状态，因此能最大限度减少总线上的竞争和冲突

通讯：基于当前应用的特点，通讯模块将采用多路串口的结构，多个串口采用485/232电平，可以接入GSM短消息模块，电台，海事卫星，北斗卫星，GPS等各种卫星终端，使用串口+外接通讯组件的方式，做到一机多能，能方便接入各种信道。同时，这种简单的结构也为信道管理带来了方便。通信过程将按照如下过程进行：

接收内部数据时（见图5）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，接收外部数据接收外部数据时（见图6）：

4 结束语

文章通过微机组成的中心站与单片机组成的测站构成数据采集系统，通过卫星、电台、短信等通信方式实现了远程数据采集系统的基本功能。在硬件连接上，采用了雨量等唤醒技术，实现了整个电路的微功耗设计，达到了mA级的工作电流，uA级的待机电流。在软件编制上，采用流行的高级语言编写代码，实现了PC机与单片机的多种远程通信方式，也使得复杂的功能和控制逻辑在单片机上较为容易实现。该方法也可以用于类似的工业场合中。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，1998.

[2]杨金岩.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2005.

作者简介：蒋虹（1964-），女，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：计算机应用。

黄明（1963-），男，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：电子技术及计算机应用。endprint

RTU是由MAIN模块和防雷模块构成。

水位测量采用浮子式水位计，输出信号线采用RS485串行通信接口标准，通过防雷模块后接入到MAIN主模块的RS485口的对应连接端，浮子水位计在使用前需要分别对水位计和RTU的MAIN模块进行配置，指定使用地址，水位传感器的分变率不低于1cm，量程根据实际需要选定。

雨量测量采用翻斗式雨量计，承雨口内径为200mm，分别率为0.5mm，同样使用前需要对RTU的MAIN模块进行雨量计使用地址进行配置。翻斗式雨量计为双干簧管雨量计共有3根输出信号线：一根为信号线A而另一根为信号线B，这两根线在雨量计中并未定义，可以定义任意一根为信号线A，另一根定义为信号线B，再加上数字地线，雨量计信号线缆通常有屏蔽层，进入机箱后该屏蔽层需与机箱地连接。同样信号线进入机箱后，先进入RTU中的防雷模块，然后连接到MAIN模块中，起到防雷的作用。

雨水情自动监测系统采用太阳能浮冲蓄电池方式供电，配置满足1个月连续阴雨天气正常供电，具体配置为，太阳能电池板采用单晶硅太阳能组件，最大工作电压17V，开路电压21V，标称功率20W；太阳能充电控制器电压12V，最终充电电压13.8V，憩息电压14.5V，工作环境温度-25℃～50℃；蓄电池采用铅酸免维护可充电蓄电池或锂电池，对于高寒地区，应选用耐低温的充电电池，配置的容量是38AH/12V。

通信方式采用GSM短消息模式或者是GPRS流量方式，GSM/GPRS手机短消息模块采用现成的产品，还需要一块SIM卡，将其串行通信口的信号线接入MAIN主摸块的串行通信口DB9即可，GSM短信方式简单，点对点发送和接收，但是使用费较高，按短信条数收费；GPRS方式需要有固定IP，使用方便便宜可靠，按需要包流量使用就可以了。

3.2 软件设计

雨水情自动监测系统的工作状态有三种状态：

（1）自报状态：常态下MAIN主模块处于休眠状态，待下列事件之一发生时，自动唤醒，采集数据：a.强制采集时间到，b.敏感量触发（如雨量）。

（2）中继状态：常态下长上电，接收远端站点数据，转发到下一中继站点或中心站点。

（3）长上电状态：常态下长上电，当中心站招测时，随时发送或接收远端数据并转发中心监控计算机，同时可完成自报状态和中继状态工作。

MAIN模块是整个系统的核心，其设计设计思路是：

自动控制总流程：自动控制过程按照以下时序工作（见图3）：

数据采集：数据采集的工作过程随传感器的不同而有很多种，他们遵照如下的同一个时序工作（见图4）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，降低功耗。由于采集过程始终处于被动状态，因此能最大限度减少总线上的竞争和冲突

通讯：基于当前应用的特点，通讯模块将采用多路串口的结构，多个串口采用485/232电平，可以接入GSM短消息模块，电台，海事卫星，北斗卫星，GPS等各种卫星终端，使用串口+外接通讯组件的方式，做到一机多能，能方便接入各种信道。同时，这种简单的结构也为信道管理带来了方便。通信过程将按照如下过程进行：

接收内部数据时（见图5）：

在整个工作过程中，通过对各通道电源的单独控制，就能最大限度节约电能，接收外部数据接收外部数据时（见图6）：

4 结束语

文章通过微机组成的中心站与单片机组成的测站构成数据采集系统，通过卫星、电台、短信等通信方式实现了远程数据采集系统的基本功能。在硬件连接上，采用了雨量等唤醒技术，实现了整个电路的微功耗设计，达到了mA级的工作电流，uA级的待机电流。在软件编制上，采用流行的高级语言编写代码，实现了PC机与单片机的多种远程通信方式，也使得复杂的功能和控制逻辑在单片机上较为容易实现。该方法也可以用于类似的工业场合中。

参考文献

[1]何立民.单片机应用系统设计[M].北京：航空航天大学出版社，1998.

[2]杨金岩.8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2005.

作者简介：蒋虹（1964-），女，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：计算机应用。

黄明（1963-），男，贵州贵阳人，高级工程师，研究方向：电子技术及计算机应用。endprint