海岛雨量监测系统的设计与实现

宋广军，田苗苗

（浙江海洋大学数理与信息学院，浙江 舟山 316022）

海岛雨量监测系统的设计与实现

宋广军，田苗苗

（浙江海洋大学数理与信息学院，浙江 舟山 316022）

为了实现沿海附近山体、岛屿等地区降雨量的远程无线实时监测，设计了一套基于ZigBee和GPRS无线通信技术，适用于海岛的雨量实时采集监控系统，实时将多个地区雨量数据通过Zigbee组网经GPRS远程通信传回监测中心，从而使监测人员及时了解降雨情况，并做出决策。

海岛；雨量监测；ZigBee；GPRS

目前，我国水情自动遥测技术水平不断提高，但是对于沿海岛屿而言，各个监测点往往分布广、距离远、数量多，部分监测点位置偏僻，这些特点使得数据的传输在安全性、准确性以及实时性等方面存在较大的问题。由于受沿海多变的气候条件影响，海岛监测点也容易出现故障和损坏、维护难度较大。为了降低开发和维护成本，提高水情监测的准确性和安全性，研究开发了一种对雨量的情况进行及时监测和分析系统，该系统结合ZigBee和GPRS技术可进行多点分布式协调工作，适用于海岛水情监测，为监管部门提供多层次信息管理和决策支持手段。

1 系统功能和结构设计

1.1 系统功能设计

雨量监测系统的主要功能是实现了对雨量信息进行自动采集，自动传输，自动存储，可以实现对各地区、岛屿等雨量的实时采集和监测，并将信息实时的发送至远程的监测中心，便于监测人员对各地区雨情的分析与统计，从而及时了解各地的降雨情况，对存在的潜在风险及时给出预警和决策。

ZigBee技术是一种具有短距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本、低时延等特点的双向无线通信技术。将Zig⁃bee技术应用于雨量监测系统的设计中可以较好地提高系统性能，并降低成本。GPRS模块是远程传输模块，弥补了Zigbee模块通信传输距离过短的问题。雨量传感器采集到各个监测点的雨量信息通过单片机主控系统的处理后，经过CC2530模块（Zigbee模块）无线传输自组网将各个地区收集到的数据经GPRS模块传送至监测中心，便于监测人员对数据进行实时的统计分析。

系统设计的基本要求：①数据的采集要具有高度准确性以及实时性。②稳定且持续的外部电源供电。③通过上位机可以了解到Zigbee模块实时采集传输到服务器的降水量数据的变化情况。

1.2 系统整体框架设计

本系统下位机节点采用翻斗式雨量传感器采集到的数据传送给单片机，并通过Zigbee与GPRS模块传到上位机的雨量监测系统进行数据分析。该系统的整体框架如图1所示。

图1 雨量监测系统的总体结构

2 硬件电路设计及工作原理

从图1的系统结构图可知，该雨量监测系统包含信息采集模块，单片机主控系统及时钟模块，Zigbee模块，GPRS模块，服务器监测中心。

2.1 系统整体硬件设计

系统采用的是AT89C51单片机与Zigbee进行串口通信从而实现数据的传输[2]。整体硬件电路设计由雨量传感器输出的信号连接单片机通过串口与Zigbee模块连接，将数据由Zigbee无线传输模块传输至终端Zigbee模块。Zigbee网络终端节点把所有整合到的数据传输至GPRS模块上，GPRS经远程传输至与电脑进行串口通信的终端GPRS模块上，并通过串口将接收到的数据以各种形式在中心服务器界面上显示。

2.2 信息采集模块

系统采用雨量传感器模块测量雨量的大小，该模块的信号输出线连接至单片机引脚即可。当雨量在雨量传感器的翻斗中积累到了一定量，翻斗便会将水排出，根据该翻斗式雨量传感器的规格，触发一个翻斗落下时的雨量为0.5mm，记录两次翻斗触发的相隔时间，由此得出雨量的大小。当然由于外界因素与人为操作失误导致雨水泄露、雨水残留、装置变形等原因使测量时可能产生随机误差。

2.3 ZigBee模块

系统的Zigbee模块是采用TI公司研发的CC2530为无线传输模块的主芯片，符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz射频发射器，用来实现ZigBee应用的单片RF收发器。为了增加通信距离，系统中采用CC2530和CC2591相结合的设计增加了RF发射功率。本系统的无线网络拓扑结构采用树型结构[3]。

2.4 GPRS模块

通用无线分组业务技术,简称GPRS(General Packet Radio Ser⁃vice),是一种以GSM为基础的数据传输技术。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA通道进行数据传输。

系统选用SIMCOM推出的sim900a模块，它是一个双频GSM/GPRS通讯模块。sim900a采用省电技术设计，内嵌TCP/IP协议，方便数据传输。

3 系统的软件设计

3.1 数据采集节点的软件设计

数据采集节点软件负责完成雨量水位等信息的采集发送。由监测中心向指定地区监测点发出启动命令后，数据采集节点上电启动，首先进行各部件初始化，并且启动定时器。由于数据采集节点是根据需求，每隔一段时间检测一次数据，所以要进行采样频率的设定。当初始化参数设定好后，数据采集节点开始采集数据，然后进行存储以及发送。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。

3.2 系统上位机软件设计

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。将各雨量监控点传来的雨量数据信息都存放于服务器的实时数据库中进行处理，分析整理后存入历史数据库中。系统能够显示实时的根据雨量水情况给出分析结果和报警信息，同时生成雨量水位监测报表，该中心系统功能包括：实时数据显示，用户管理，数据报表查询，历史数据查询，设备管理，报警设置。

4 实验测量及硬件调试

由于实验测量环境的限制，系统的设计与制作完成后，在实验室条件下进行模拟降雨的实验。由人工模拟降雨，流入翻斗式雨量传感器。收集流出的雨水，记录相邻两次翻斗之间的时间间隔（时间间隔越短说明雨量越大），计算出实际雨量的大小，按照不同的时间间隔，反复进行多组实验测试，再由相应系统测得的数据进行比对获得系统测试误差。表1为其中一组测试数据结果。

由于该雨量传感器的最大测量值为8mm/min,所以表1中第九组数据的降雨强度超过了雨量传感器所能测量的最大测量值，所以第九组数据无效。

表1 模拟雨量测得的数据

误差分析：

（1）手动测量的过程中会使水量有所损耗。

（2）实际测量时用的雨量计本身存在误差，并且在读数时和估读时产生了误差。

（3）雨量传感器本身存在系统误差导致。

4 结论与展望

系统采用zigbee和GPRS无线通信技术，为山区岛屿雨量监测系统的建设提供了一种方便灵活、成本低、可靠性高的解决方案。采用sim900a模块实现GPRS通信功能，增强了系统的信息实时传输能力。系统具有成本低、功耗小、无需布线、覆盖范围广、能实时在线监测等优点，解决了山区岛屿的范围广、安全性差、不能实时在线监测等难题，具有良好的可靠性和较高的实用价值。系统在软硬件的设计上还需逐渐完善其功能，增强系统数据通信技术的先进性，使其测量精度和自动化程度上得到进一步提高。

[1]周林，陈玉，冯婷婷.基于ZigBee的自愈组网与协议实现[J]．通信技术，2012(04)：1-4．

[2]赵全利.单片机原理及应用[M]．机械工业出版社，2012.

[3]张育琪．基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计[D]．西安：西安电子科技大学，2010．

P415.1

A

1006—7973（2017）12-0066-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.026

浙江省自然科学基金（LY16F020014）；国家科技部星火计划项目（2015GA700041）