一种双信道的水雨情监测系统

胡春杰，王江燕，嵇海祥，王键键

(1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京210012；2.江苏南水科技有限公司，江苏南京210012；3.水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏南京210012；4.南京水利科学研究院，江苏南京210029)

0 引 言

水是人类赖以生存的重要资源之一，同样也是洪涝灾害的主要源头之一。洪水会导致群众伤亡、厂房破坏、庄稼冲毁、通讯与交通设施崩溃等问题，从而对给人民群众生命财产和国民经济造成损失与破坏[1-2]。随着信息技术、通信技术的发展以及水利信息化水平的提高，我国水雨情监测系统取得了不同程度的成果。水雨情自动测报系统主要实现水位、雨量、流速、流量等水情数据采集、处理、存储、预报和传输等功能，可为防汛减灾、抗旱抗灾提供可靠依据与技术支持[3-5]。

文献[6]结合现场监测需求，提出了一种多功能水情自动测报系统设计，采用GSM模块将水情数据发送到监控中心，节约了通信成本。文献[7]设计了基于ZigBee信标网络的水情测报系统设计，传输范围较小且易受干扰。文献[8]提出了基于单片机的水情自动测报系统设计，采用了GPRS通信方式，成本较低。文献[9]利用宽窄物联网NB-LoT技术，设计了一套的水雨情监测系统，具有功耗低，海量连接的特点。由于水雨情监测站一般在荒郊野外，在地理位置偏僻、移动公网无法覆盖或者处于移动公网边缘的地区，监测数据传输困难，上述系统大面积推广使用较困难。

基于此，本文设计了一种基于GPRS与北斗卫星的水雨情监测系统。利用雷达水位计、雨量传感器、温湿度传感器等多种传感器采集水雨情数据并以规定报文格式通过北斗卫星与GPRS传输至中心站，北斗卫星为主信道，GPRS为备用信道，实现主备信道自动切换功能，进行多信道多协议水雨情数据监测传输、显示、查询，为防汛减灾相关部门提供技术支撑。

1 系统总体设计

根据系统要求，系统总体设计主要部分组成为：数据采集、主控板(STM32)、通信单元(北斗卫星与GPRS)、中心站及供电单元，系统总体设计架构如图1所示。

图1 系统总体架构示意

2 硬件电路设计

2.1 数据采集层

(1)雷达水位计。雷达水位计是一种非接触式水位测量传感器，主要原理是从雷达水位计天线发射雷达脉冲，天线接收从水体表面反射回来的脉冲，时间差为T；由于波速C是个常数，从而得出到水面的距离

D=CT/2

(1)

本系统采用我国自产的雷达水位计[10]，支持多种传输方式，包括有RS485、4-20 mA、HART等多种通信协议，考虑到系统需要低功耗，采用RS485通信方式，硬件连接见图3。

图2 雷达水位计硬件设计

(2)翻斗式雨量传感器。翻斗式雨量计的工作原理：降雨时，雨水会进入最上面的承雨口，承雨口内部的雨水经过滤网过滤之后流入至引水漏斗。当流入的雨水到达一定量时会破坏2个翻斗之间的平衡从而完成雨水的翻到，产生1个脉冲，计数器对翻斗内雨水反复翻到的过程次数进行记录并通过计算后得出降雨量。本文采用江苏南水设计生产的JDZ05—1型翻斗式雨量传感器，其分辨力为0.5 mm，误差在±3%，雨强范围在0～4 mm/min，硬件连接如图4所示。

图3 雨量传感器硬件设计

(3)温湿度传感器。温湿度传感器采用国产的奥松AM2302，是一款高稳定性的数字信号输出复合式传感器，并携有校准系数辅助产品准确度[11]。AM2302采用单线制串行接口，系统集成容易、传感器体积小、功耗低，传输距离可达20 m以上，其湿度分辨力达到0.1% RH。测量范围为0～100% RH，测量精度为±2%RH；工作环境温度为-20～80 ℃，响应时间小于5 s，温度分辨力达到0.1 ℃；测量范围为-40～80 ℃，测量精度±0.5 ℃，工作电压为直流3.3～5 V。硬件连接图如图4所示。

图4 AM2302传感器硬件设计

2.2 主控板

主控芯片是整个系统的核心，其主要作用：采集各传感器数据、数据解析与存储、封装成水文通信规约。本系统采用主控芯片为STM32L475VET6(图略)，低功耗、性价比高等优点[12]，符合本次设计的要求。

主控芯片的特点：①处理速度快。②功耗低。芯片不仅仅具备F系列主控的3种低功耗模式，还增加低功耗运行、低功耗睡眠、停止0、停止1、停止2等低功耗模式。③大存储。内部高达512 kb大小的Flash；SRAM的大小为128 kb，其中包含32 kb预警奇偶校验。④通信接口较多。

2.3 通信单元

在水雨情遥测终端机通信单位内置GPRS通信模块和北斗卫星通信模块，这两种无线通信方式可以进行互备通信，北斗卫星为主信道，GPRS为备用信道，实现主备信道自动切换功能，其工作流程如图5所示。

图5 通信工作流程

2.3.1GPRS通信

GPRS是一种高效率、低成本的通信组网方式。其传输数据是按流量计算，使用成本低[13]。本系统采用的GPRS模块型号为宏电H7718，该模块能在各种恶劣环境下稳定运行，常用于气象行业、工业控制、智能交通等领域，如图6所示。

为了保证通信可靠性，对于DTU选择了RS-232连接方式，具体连接如图7所示。图7中左边为H7118型GPRS DTU，右侧为DTE(Data Terminal Equipment，数据终端设备)。

图6 宏电GPRS模块

图7 GPRS模块连接示意

2.3.2北斗卫星

近年来，随着卫星通信技术的不断进步，卫星小站的制造成本不断降低；卫星通信大范围、无盲区的网络覆盖优势，尤其适合在地理环境复杂、基础设施落后的地区用于通信传输。中国的北斗导航卫星相对于传统的VSAT系统，具有价格便宜，设备体积小，功耗低，安装、维护和使用方便等优点[14]。现在我国主要使用的是同步卫星通信系统，在移动公网覆盖不到的地区，可以选择北斗卫星通信系统传输监测短报文。野外监测时，将北斗通信型机与RTU通过RS-232串口相连接；同样，中心站将北斗管理型机与服务器通过RS-232串口相连接。本系统选择神州天鸿YDD-3- 01北斗通信型机。

2.4 供电单元

考虑水雨情遥测终端机长期工作在野外，若使用220V的交流电会给安装带来很大的不便，因此采用直流供电方式。在电源模块的设计中，由于测控终端与网关节点中，各模块对于供电电压和电流的需求不同，于是采用电压为12 V、容量为24AH的太阳能蓄电池作为测控终端的供电电源。采集节点中蓄电池主要给雷达水位计、翻斗式雨量计、温湿度传感器、STM32处理器供电3.3 V，其电源管理模块结构见图8。

图8 采集节点电源管理模块结构

3 中心站设计

中心站由服务器、卫星通信终端以及采集软件等组成。

采集软件是集成了多种通信信道和多种RTU协议的通用平台，采用基于.NET的C/S结构，以SQL SERVER为数据库，以Microsoft visual studio 2010为开发软件，利用C#语言的三层架构体系[15]，开发与设计的一种双信道水雨情监测系统。采集软件界面的简洁友好、操作简便，可为科学防汛、科学防旱减灾提供准确的数据与技术支撑。图9为水雨情数据接收软件截图。

图9 水雨情数据接收软件截图

4 结 语

本文设计了一种双信道的水雨情监测系统。该系统利用雷达水位计、雨量传感器、温湿度传感器等多种传感器采集水雨情数据，并且以规定报文格式通过北斗卫星与GPRS传输至中心站，北斗卫星作为主信道，GPRS作为备信道，实现主备信道自动切换功能，进行多信道多协议水雨情数据监测传输、显示、查询，解决了公网无法覆盖通信困难的问题，为防汛减灾工作提供技术支撑，具有良好的推广前景。