傳感器自適應(yīng)遙測(cè)終端在中小型水庫(kù)中的應(yīng)用

劉 偉 ，吳永新 ，陳宇驍

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.南京市水利局，江蘇 南京 210018；3.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院（常州），江蘇 常州 213022）

0 引言

中小型水庫(kù)的水文測(cè)驗(yàn)和安全防護(hù)關(guān)系著下游的安全和周邊城鄉(xiāng)的發(fā)展，對(duì)水資源的需求和防汛安全要求逐漸提高。利用中小型水庫(kù)信息采集傳輸關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)中小型水庫(kù)防汛和安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集傳輸并進(jìn)行分析評(píng)估，便于防汛抗旱指揮和其他部門(mén)應(yīng)急決策、指揮、調(diào)度，利用科技手段，提高水庫(kù)管理水平，最大程度避免損失和在安全狀態(tài)下充分利用水資源。

國(guó)內(nèi)大部分中小型水庫(kù)沒(méi)有防汛信息采集技術(shù)設(shè)施，水庫(kù)建設(shè)時(shí)亦沒(méi)有同步建設(shè)水位測(cè)井。目前不可能重新建設(shè)水位測(cè)井，因此，傳感器不能采用常規(guī)的浮子式水位傳感器完成水位監(jiān)測(cè)。通過(guò)引進(jìn)消化吸收德國(guó)免測(cè)井水文測(cè)驗(yàn)技術(shù)，解決中小型水庫(kù)水文專(zhuān)項(xiàng)測(cè)驗(yàn)問(wèn)題，是一種有益的嘗試。通過(guò)消化吸收應(yīng)用，開(kāi)發(fā)出針對(duì)我國(guó)中小型水庫(kù)特點(diǎn)的水文監(jiān)測(cè)處理技術(shù)，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)中小型水庫(kù)水文自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理水平的發(fā)展。

目前市場(chǎng)上的水情遙測(cè)終端只能適應(yīng)固定的傳感器，如果要更換傳感器必須要更換相應(yīng)的終端程序，或者通過(guò)軟件對(duì)終端機(jī)進(jìn)行設(shè)置，給開(kāi)發(fā)和安裝維護(hù)人員帶來(lái)了不便。傳感器自適應(yīng)水情遙測(cè)終端機(jī)則彌補(bǔ)了這方面的不足。

1 遙測(cè)終端機(jī)自適應(yīng)設(shè)計(jì)

1.1 串口通信

水情傳感器設(shè)備種類(lèi)繁多，形式各異。測(cè)量水位的傳感器通訊方式也多種多樣，串行通信由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，需要的系統(tǒng)硬件資源較少，在水情遙測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。串行通信接口（SCI）中最常用的有 RS-232、RS-485 和 SDI-12 通信接口。

串行通信接口的傳感器在與遙測(cè)終端機(jī)通信的過(guò)程中，波特率和通訊協(xié)議隨設(shè)備不同而異。要設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)能力的遙測(cè)終端機(jī)，首先要對(duì)傳感器進(jìn)行智能識(shí)別。經(jīng)過(guò)對(duì)大量串行通訊的傳感器進(jìn)行分析，得出傳感器識(shí)別主要在于波特率和握手通信的差異。通過(guò)建立通信協(xié)議棧，根據(jù)傳感器的 ID 號(hào)調(diào)用不同的通訊協(xié)議程序，能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的自動(dòng)調(diào)用。

1.2 波特率自適應(yīng)

在通信過(guò)程中，只有通信雙方采用相同的波特率時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳輸，這給串行通信傳感器的使用帶來(lái)不便，特別是對(duì)于波特率變化的情況[1]。如果能夠?qū)崿F(xiàn)串行接口速率的自適應(yīng)，無(wú)疑會(huì)提高串行傳感器使用的靈活性和通用性。

波特率自適應(yīng)的常用方法主要有標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法和碼元寬度實(shí)時(shí)檢驗(yàn)法[2]。標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法要求數(shù)據(jù)終端傳輸數(shù)據(jù)所采用的波特率必須在有限的幾個(gè)固定數(shù)值之間變化，如標(biāo)準(zhǔn)波特率序列。串行設(shè)備啟動(dòng)后，逐個(gè)嘗試以不同的波特率接收數(shù)據(jù)終端發(fā)出的特征字符，直到能正確接收為止。碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法要求數(shù)據(jù)終端按照約定發(fā)送特征字符，串行設(shè)備測(cè)量輸入數(shù)據(jù)的碼元寬度，而后計(jì)算出待測(cè)的波特率。例如，某 GSM 模塊在設(shè)計(jì)時(shí)為了適應(yīng)各種波特率，要求通信系統(tǒng)首先發(fā)送 08H，然后發(fā)送指令，它就是依靠數(shù)據(jù) 08H 的碼元寬度計(jì)算出對(duì)方波特率的。波特率窮舉法適應(yīng)于波特率在幾個(gè)有限的固定數(shù)值的變化，并且從機(jī)的工作振蕩頻率穩(wěn)定可靠。由于水情傳感器的波特率比較固定，集中在 1200，4800，9600，12000 bps 等，且工作穩(wěn)定可靠；而碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法需要占用單片機(jī)過(guò)多資源。因此本文采用標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法，待遙測(cè)終端機(jī)啟動(dòng)通信程序后，逐個(gè)嘗試用不同的波特率接受傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，直到能正確接收為止。

1.3 多傳感器握手通信

每種水文傳感器會(huì)提供大量通信協(xié)議指令，以提供給用戶使用不同的功能，如對(duì)傳感器的波特率、長(zhǎng)度、地址進(jìn)行設(shè)置或者訪問(wèn)水文測(cè)值等。在對(duì)傳感器進(jìn)行識(shí)別時(shí)，無(wú)須一一使用這些通信協(xié)議，只需要從傳感器的通信協(xié)議中，取出握手協(xié)議，得出傳感器特征即可。

1.3.1 感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器

感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器是一種采用微處理器芯片為控制器，內(nèi)置通訊電路的數(shù)字式水位傳感器，具備高可靠性及抗干擾性能，可應(yīng)用于江河、湖泊、水庫(kù)、水電站、灌區(qū)及輸水等水利工程中的水位監(jiān)測(cè)。通訊協(xié)議采用 Modbus-RTU 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，波特率為 9600 bps，1 個(gè)起始位，8 個(gè)數(shù)據(jù)位，1 個(gè)停止位，低位先發(fā)送，無(wú)校驗(yàn)。有 4 種命令格式，使用命令如表1 所示[3]。

由于傳感器的地址、長(zhǎng)度的信息未知，分析 4種命令格式，可以將讀版本號(hào)作為握手協(xié)議[3]。讀版本號(hào)的通信命令格式：目標(biāo)地址 + 功能碼 + 起始地址 + 寄存器個(gè)數(shù) + CRC 校驗(yàn)。地址未知，可采用廣播幀的方式，即目標(biāo)地址發(fā)送 00。發(fā)送 0003 0003 0001 75 DB，響應(yīng)：0A 030E 5633 2E 302E 3320 5443 3430 312D 33 CRC（本響應(yīng)共 18 字節(jié)）。0A 表述傳感器的地址為 10 號(hào)，030E 5633 2E 302E 3320 5443 3430 312D 33 表示傳感器的版本號(hào)為V3.0.3 TC401-3。傳感器的地址是可以設(shè)置的，但是版本號(hào)是固定不變的，可以根據(jù)回執(zhí)中的版本號(hào)信息來(lái)判定傳感器是否為感應(yīng)式數(shù)字水位計(jì)。

表1 感應(yīng)式數(shù)字水位傳感器使用命令一覽表

1.3.2 氣泡水位計(jì)

PS-Light 系列氣泡水位計(jì)為高精度水位傳感器，主要用于水文站水位觀測(cè)點(diǎn)不便建井或者建井費(fèi)用昂貴的地點(diǎn)。它具有安裝、維護(hù)方便，操作靈活，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、精度高等特點(diǎn)，是遙測(cè)系統(tǒng)中水位監(jiān)測(cè)尤其是無(wú)井水位監(jiān)測(cè)的理想水位監(jiān)測(cè)儀器。它的輸出信號(hào)為 RS-232，通過(guò)遙測(cè)終端機(jī)RS-232 口獲取水位計(jì)采集的信息[4]。其通訊協(xié)議如圖1 所示。

PS-Light2 協(xié)議本身比較復(fù)雜，如果等待氣泡水位計(jì)測(cè)量到水位，需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，而喚醒命令只需要等待 1 s 的時(shí)間，因此可以將喚醒命令作為握手通信協(xié)議。而儀器的波特率是未知的，因此就要用到波特率自適應(yīng)程序，波特率自適應(yīng)程序首先使用常用的波特率 9600 bps，然后使用 19200 bps，其次使用 1200 bps，再將其它常用的波特率進(jìn)行輪詢使用。具體步驟如下：1）總線電源開(kāi)啟，將串行口中的 DTR 引腳置高電平； 2）發(fā)送廣播信息幀，即發(fā)送 0xF002 命令；3）等待 1 s 的時(shí)間；4）調(diào)用波特率自適應(yīng)程序，發(fā)送讀信道數(shù)命令碼 0x504A；5）輪詢等待應(yīng)答信號(hào)，得到氣泡水位計(jì)的波特率[5]。

1.3.3 雷達(dá)水位計(jì)

OTT RLS 雷達(dá)液位計(jì)是一種非接觸式水位測(cè)量?jī)x，是測(cè)量地表水位的新型測(cè)量設(shè)備，不受溫度等外界環(huán)境影響，在水文野外測(cè)量中具有很多優(yōu)點(diǎn)。該傳感器設(shè)計(jì)緊湊，安裝方便，免維護(hù)。因不與水面接觸，在測(cè)量中不受淤泥、水上垃圾等因素的影響，使用該儀器不需建測(cè)井，通過(guò)內(nèi)置軟件自動(dòng)修正波浪影響。

圖1 PS-Light2通信協(xié)議

OTT RLS 供電電壓為 12 V，非工作狀態(tài)時(shí)能自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，采用 SDI-12 通信協(xié)議。SDI-12是一種標(biāo)準(zhǔn)的接口方式，它提供了連接數(shù)據(jù)采集器和智能傳感器的方法。SDI-12 通信協(xié)議采樣 3 線制，包括 +12 V 電源線、數(shù)據(jù)線和地線。

SDI-12 支持的傳感器與記錄器之間的通訊是依靠在數(shù)據(jù)線上互相交換美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)信息交換 ASCII 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SDI-12 的波特率設(shè)定為 1200 bps。1 個(gè)字節(jié) (1 幀) 由 10 個(gè)二進(jìn)制位組成：1 個(gè)起始位(第 1 位)，7 個(gè)字符編碼位，1 個(gè)偶校驗(yàn)位 (第 9 位)和 1 個(gè)停止位[6]。

其典型的測(cè)量步驟如下：

1）主機(jī)發(fā)中斷命令，內(nèi)容是： break 和 mark信號(hào)。其中，break 信號(hào)是持續(xù)至少 12.00 ms 的空號(hào)信號(hào)；然后是持續(xù) 8.33 ms（允許誤差 -0.4 ms）的 mark 信號(hào)。

2）主機(jī)設(shè)備向指定地址的傳感器發(fā)送命令, 指示它進(jìn)行測(cè)量。

3）該地址傳感器在 15 ms 內(nèi)做出應(yīng)答，返回測(cè)量數(shù)據(jù)所需的最大時(shí)間和將要返回的數(shù)據(jù)的數(shù)目。

4）如果測(cè)量結(jié)果立即可以得到，則記錄設(shè)備給傳感器發(fā)送命令，指令它傳回測(cè)量結(jié)果；如果測(cè)量結(jié)果未準(zhǔn)備好，則數(shù)據(jù)記錄設(shè)備等待傳感器發(fā)出請(qǐng)求，這個(gè)請(qǐng)求表明數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好，然后記錄設(shè)備傳送命令取數(shù)據(jù)。

5）傳感器應(yīng)答，返回 1 個(gè)或多個(gè)測(cè)量結(jié)果。

OTT RLS 產(chǎn)品手冊(cè)提供了很多命令接口以供用戶使用，根據(jù)自適應(yīng)設(shè)計(jì)只需要提取其中的握手通訊協(xié)議即可。本例中使用激活 OTT RLS 命令 A！(A表示設(shè)備地址)。具體過(guò)程如下：1）將遙測(cè)終端機(jī)的串口 RS-485 定義為普通 IO 口；2）置 TXD（串口發(fā)送引腳）高電平，并保持 12.00 ms；3）置 TXD 低電平，并保持 8.33 ms；4）遙測(cè)終端機(jī)串口波特率設(shè)置為 1200 bps，并發(fā)送激活命令 0！ (0 表示廣播地址)；5）接受回執(zhí)，并判斷回執(zhí)是否正確。

每增加 1 種傳感器就需要多增加 1 段傳感器識(shí)別程序，并添加到通信協(xié)議棧。在傳感器接到遙測(cè)終端機(jī)的時(shí)刻，利用傳感器的觸發(fā)信號(hào)，調(diào)用協(xié)議棧中相應(yīng)的識(shí)別程序，識(shí)別到正確的傳感器特征后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入采集和發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，不再調(diào)用協(xié)議棧中的其他通信程序，因此無(wú)需占用過(guò)多的系統(tǒng)資源。

2 自適應(yīng)遙測(cè)終端機(jī)的應(yīng)用

中小型水庫(kù)遙測(cè)系統(tǒng)的功能需求主要有以下幾點(diǎn)：

1）正確接收 1 次所屬全部水庫(kù)報(bào)汛站的遙測(cè)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、入庫(kù)的時(shí)間不超過(guò) 5 min，并能及時(shí)向區(qū)縣分發(fā)，提供水庫(kù)水情信息服務(wù)。

2）系統(tǒng)通信采用 GPRS 和 GSM 自報(bào)方式。

3）采集傳輸設(shè)備符合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、低功耗的原則，所有遙測(cè)站都在無(wú)人值守的條件下工作。系統(tǒng)能長(zhǎng)期地，特別是在暴雨洪水等惡劣天氣條件下可靠地工作，具有較強(qiáng)的抵御外部干擾的手段。

在中小水庫(kù)遙測(cè)系統(tǒng)采用自適應(yīng)遙測(cè)終端機(jī)，可滿足以上需求。

采用自適應(yīng)遙測(cè)終端機(jī)的中小型水庫(kù)遙測(cè)系統(tǒng)已于 2011 年 2 月應(yīng)用于948 項(xiàng)目：南京市江寧區(qū)中小型水庫(kù)信息采集傳輸關(guān)鍵技術(shù)中，目前運(yùn)行正常。項(xiàng)目分別在趙村、東焦、安基山、湯泉、泗隴、牌坊等水庫(kù)設(shè)置信息采集站點(diǎn)。采用免建井氣泡和雷達(dá)水位計(jì)作為水文傳感器，提供了大量的現(xiàn)場(chǎng)水文數(shù)據(jù)，在水文極值和遇險(xiǎn)參數(shù)出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)報(bào)警，保障中小水庫(kù)安全運(yùn)行。將從中心站獲取的趙村水庫(kù) 2011 年 5 月的部分早 8 點(diǎn)數(shù)據(jù)與人工測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2 所示。

由表2 可以看出，誤差范圍保持在 ±1 cm 之間，屬于正常誤差范圍。證明該系統(tǒng)中的自適應(yīng)遙測(cè)終端能夠穩(wěn)定采集實(shí)時(shí)正確的數(shù)據(jù)，可以在野外應(yīng)用。

表2 自報(bào)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表cm

3 結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)遙測(cè)終端應(yīng)用于中小型水庫(kù)信息采集系統(tǒng)中，將波特率自適應(yīng)和自舉協(xié)議技術(shù)應(yīng)用于水文傳感器的識(shí)別上，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。本文列舉的數(shù)字感應(yīng)式傳感器，氣泡式和雷達(dá)水位計(jì)適應(yīng)于國(guó)內(nèi)很多中小型水庫(kù)應(yīng)用。終端機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，盡量先使用常用的波特率和應(yīng)答時(shí)間較短的通信協(xié)議，以減少系統(tǒng)的識(shí)別時(shí)間，增強(qiáng)芯片使用的效率，從而使得遙測(cè)設(shè)備具有簡(jiǎn)單的，無(wú)須人工干預(yù)的智能化調(diào)解的功能。另外如果系統(tǒng)增加其他傳感器，則可將其他傳感器的識(shí)別程序集中在同一協(xié)議棧中，增加識(shí)別不同的傳感器，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

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