雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

蔣虹+++黃明

摘 要：介紹了廣泛應(yīng)用于水利信息自動(dòng)化采集中的雨量、水位傳感器等參數(shù)為主的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)成，以及在實(shí)際中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傳感器；單片機(jī)數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程通訊RTU

1 雨水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用背景

在水利信息自動(dòng)化應(yīng)用中，雨量、水位的監(jiān)測(cè)正由自動(dòng)化取代傳統(tǒng)的人工采集，RTU也即遠(yuǎn)程遙測(cè)終端，其主要完成兩個(gè)功能，第一個(gè)功能是采集前端傳感器的數(shù)據(jù)，第二個(gè)功能是將采集的數(shù)據(jù)傳送給運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析軟件的工控機(jī)，遠(yuǎn)程遙測(cè)終端廣泛應(yīng)用于各種各樣的的自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中，是整監(jiān)測(cè)個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分。目前環(huán)保、水情、氣象、石油、煤礦、電力、交通、農(nóng)業(yè)以及科研領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用RTU。要做好水情預(yù)報(bào)工作，就必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諸如雨量、溫度、水位、閘門開啟情況、濕度以及流量等參數(shù)，這些參數(shù)如果不借助RTU監(jiān)測(cè)，而是通過人工監(jiān)測(cè)，其困難是不可想象的。目前很多RTU監(jiān)測(cè)點(diǎn)都配備為無人值守的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)一旦建成，就不需要排專人看守，極大降低人力成本。無人值守RTU具有高效、穩(wěn)定以及成本低等特點(diǎn)，因此在水情監(jiān)測(cè)中被廣泛應(yīng)用，無人值守RTU主要通過兩種方式向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，一種是通過無線電臺(tái)，這種方式屬于自建網(wǎng)絡(luò)，不需要額外的費(fèi)用，但傳輸距離有限；另一種方式是借助公共的GSM網(wǎng)絡(luò)，這種方式基本不受距離的限制，但由于需要借助外部的傳輸網(wǎng)絡(luò)，需要交納一定的費(fèi)用。遠(yuǎn)程遙測(cè)終端RTU主要應(yīng)用于需要遙測(cè)數(shù)據(jù)的地方，除了氣象和水利行業(yè)外，在油田自動(dòng)化、變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)、供氣供水管網(wǎng)以及輸油管道的監(jiān)控點(diǎn)都被廣泛使用，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 遠(yuǎn)程遙測(cè)終端組成

本系統(tǒng)面向水情監(jiān)測(cè)，因此與大部分遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很多的共性又有很多的獨(dú)特性，在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，稍加改造就完全可以應(yīng)用到機(jī)房監(jiān)測(cè)以及氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。水情監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)水庫(kù)以及河流的水情，主要包括水流流量、水庫(kù)以及河流的水位、水溫、各進(jìn)出水口的閘門開啟情況以及大壩安全等參數(shù)。這些參數(shù)根據(jù)位置遠(yuǎn)近以及現(xiàn)有條件分別選擇不同的傳輸方式傳送到中心站。對(duì)于那些要求實(shí)時(shí)性高的水情數(shù)據(jù)，盡量選擇穩(wěn)定的傳輸方式，在很多情況下也可以選擇多種方式傳送一組數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)街行恼?。本系統(tǒng)目前可以采集雨量、水位、以及風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、氣溫以及濕度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)站以及負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的中心站組成。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站：數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站全部為無人值守的遙測(cè)站，減少人力成本，監(jiān)測(cè)站一經(jīng)安裝調(diào)試完成就不再需要專人值班看守，監(jiān)測(cè)站主要采取兩種方式采集數(shù)據(jù)，一種是定時(shí)的采集，另一種是觸發(fā)方式的采集。定時(shí)采集根據(jù)用戶提前設(shè)置的時(shí)間間隔采集數(shù)據(jù)，而觸發(fā)采集則根據(jù)由外界觸發(fā)采集，例如蒸發(fā)量以及雨量的采集常采取觸發(fā)采集，當(dāng)蒸發(fā)量以及雨量發(fā)生了一定量的變化，例1mm/0.5mm變化時(shí)（具體數(shù)值可以提前設(shè)置）就觸發(fā)一次額采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站，監(jiān)測(cè)站處理簡(jiǎn)單的采集以及傳輸外，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定處理，例如過濾一些干擾數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行壓縮，減少數(shù)據(jù)傳輸量。

中心站：中心站是系統(tǒng)操作平臺(tái)，負(fù)責(zé)收集、分析、統(tǒng)計(jì)和查詢各測(cè)站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警信息等，并生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，將數(shù)據(jù)存檔并發(fā)出各種預(yù)報(bào)。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 硬件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)具有靈活性和可靠性，遙測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，具有各種功能模塊，如采集，傳輸?shù)鹊?，各模塊自帶CPU，具備一定數(shù)據(jù)處理和故障檢測(cè)能力。從元件級(jí)別，系統(tǒng)級(jí)別同時(shí)考慮低功耗的問題。所有總控模塊統(tǒng)一遍址，為大規(guī)模組網(wǎng)提供條件。內(nèi)部采用統(tǒng)一協(xié)議，搭配極為靈活，針對(duì)不同的行業(yè)和各類傳感器，無須對(duì)傳輸和總控模塊做任何改動(dòng)，只需搭配不同的采集模塊，就可以適應(yīng)不同行業(yè)的需求。在面對(duì)新型接口的傳感器時(shí)，只要針對(duì)性的開發(fā)出采集模塊，就可以很快在系統(tǒng)中應(yīng)用，大大縮短了開發(fā)周期。

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊都具有一定數(shù)據(jù)處理能力，并且功能大大細(xì)化。主要的模塊有MAIN主模塊，其功能是數(shù)據(jù)處理、流程控制、遠(yuǎn)程通信、雨量計(jì)輸入、RS485傳感器接入；VS振弦模塊，其功能是振弦式傳感器和電阻式傳感器接入；另外還有一些輔助功能模塊如I/U模塊-4～20mA傳感器輸入、PSTN模塊、RF調(diào)制解調(diào)模塊、信號(hào)輸入防雷模塊等。本系統(tǒng)具備故障自檢能力，能在非人工干預(yù)的情況下檢測(cè)故障點(diǎn)，確定故障能力，為快速檢修提供基礎(chǔ)。在主模塊MAIN的設(shè)計(jì)中采用具備ISP和IAP能力的大容量FLASHROM單片機(jī)，可以遠(yuǎn)程修改升級(jí)片上程序，無須技術(shù)人員到測(cè)站所在地就可以修改片上軟件，在交通條件惡劣的地方應(yīng)用將非常方便，大大減低維護(hù)工作量。

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理圖見圖1。從原理圖中可以看出，系統(tǒng)的整個(gè)核心就是MAIN主模塊，它可以直接接入485接口的傳感器，也可以通過I/U模塊接如4～20mA接口傳感器，或者通過VS弦式模塊接入弦式傳感器。由于整個(gè)系統(tǒng)采用低功耗技術(shù)設(shè)計(jì)，MAIN主模塊的工作電流僅為50mA，而其待機(jī)電流更是低至50uA，所以完全可以采用太陽(yáng)能電池和蓄電池組合的供電方式進(jìn)行供電，充電控制工作過程是：充電控制電路要求當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時(shí)，停止向MAIN主模塊供電，為蓄電池沖電，當(dāng)蓄電池電壓低于13.8V高于10.8V時(shí)，邊充電邊工作，蓄電池電壓高于13.8V，則停止向蓄電池充電。當(dāng)測(cè)站的MAIN主模塊有數(shù)據(jù)需要中心站發(fā)送時(shí)，可以采取多種方式進(jìn)行通信，如通過RF調(diào)制解調(diào)模塊連接的電臺(tái)，或者通過短信模塊或衛(wèi)星設(shè)備，從空中把數(shù)據(jù)傳遞到中心站。當(dāng)然數(shù)據(jù)也可以用PSTN模塊通過有線方式傳遞到中心站。中心站的功能主要就是將接收到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，為其它應(yīng)用軟件提供最基本、最原始的數(shù)據(jù)。中心站也可以對(duì)測(cè)站進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，如對(duì)測(cè)站進(jìn)行招測(cè)等。

在實(shí)際應(yīng)用中，具體的水位雨量遙測(cè)站組成結(jié)構(gòu)見圖2，它包含了20W太陽(yáng)能電池板、12V38AH蓄電池、太陽(yáng)能充電保護(hù)器、GPRS/GSM通信終端、雨量、水位傳感器。在圖2中，防雷模塊還連接了太陽(yáng)能電池、數(shù)字式水位計(jì)，它們的地線實(shí)際上是雨水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)字地，所以它們可以共用同一個(gè)防雷模塊，共占用6路防雷通道，每個(gè)防雷模塊共有9路通道，MAIN主模塊和防雷模塊構(gòu)成了最基本的RTU。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構(gòu)成。

水位測(cè)量采用浮子式水位計(jì)，輸出信號(hào)線采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對(duì)應(yīng)連接端，浮子水位計(jì)在使用前需要分別對(duì)水位計(jì)和RTU的MAIN模塊進(jìn)行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實(shí)際需要選定。

雨量測(cè)量采用翻斗式雨量計(jì)，承雨口內(nèi)徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對(duì)RTU的MAIN模塊進(jìn)行雨量計(jì)使用地址進(jìn)行配置。翻斗式雨量計(jì)為雙干簧管雨量計(jì)共有3根輸出信號(hào)線：一根為信號(hào)線A而另一根為信號(hào)線B，這兩根線在雨量計(jì)中并未定義，可以定義任意一根為信號(hào)線A，另一根定義為信號(hào)線B，再加上數(shù)字地線，雨量計(jì)信號(hào)線纜通常有屏蔽層，進(jìn)入機(jī)箱后該屏蔽層需與機(jī)箱地連接。同樣信號(hào)線進(jìn)入機(jī)箱后，先進(jìn)入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個(gè)月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽(yáng)能電池板采用單晶硅太陽(yáng)能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標(biāo)稱功率20W；太陽(yáng)能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護(hù)可充電蓄電池或鋰電池，對(duì)于高寒地區(qū)，應(yīng)選用耐低溫的充電電池，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手機(jī)短消息模塊采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號(hào)線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡(jiǎn)單，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送和接收，但是使用費(fèi)較高，按短信條數(shù)收費(fèi)；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 軟件設(shè)計(jì)

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報(bào)狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時(shí)，自動(dòng)喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強(qiáng)制采集時(shí)間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，接收遠(yuǎn)端站點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到下一中繼站點(diǎn)或中心站點(diǎn)。

（3）長(zhǎng)上電狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，當(dāng)中心站招測(cè)時(shí)，隨時(shí)發(fā)送或接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)可完成自報(bào)狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路是：

自動(dòng)控制總流程：自動(dòng)控制過程按照以下時(shí)序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個(gè)時(shí)序工作（見圖4）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動(dòng)狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競(jìng)爭(zhēng)和沖突

通訊：基于當(dāng)前應(yīng)用的特點(diǎn)，通訊模塊將采用多路串口的結(jié)構(gòu)，多個(gè)串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺(tái)，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機(jī)多能，能方便接入各種信道。同時(shí)，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進(jìn)行：

接收內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖5）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖6）：

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過微機(jī)組成的中心站與單片機(jī)組成的測(cè)站構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺(tái)、短信等通信方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路的微功耗設(shè)計(jì)，達(dá)到了mA級(jí)的工作電流，uA級(jí)的待機(jī)電流。在軟件編制上，采用流行的高級(jí)語(yǔ)言編寫代碼，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)的多種遠(yuǎn)程通信方式，也使得復(fù)雜的功能和控制邏輯在單片機(jī)上較為容易實(shí)現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場(chǎng)合中。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構(gòu)成。

水位測(cè)量采用浮子式水位計(jì)，輸出信號(hào)線采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對(duì)應(yīng)連接端，浮子水位計(jì)在使用前需要分別對(duì)水位計(jì)和RTU的MAIN模塊進(jìn)行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實(shí)際需要選定。

雨量測(cè)量采用翻斗式雨量計(jì)，承雨口內(nèi)徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對(duì)RTU的MAIN模塊進(jìn)行雨量計(jì)使用地址進(jìn)行配置。翻斗式雨量計(jì)為雙干簧管雨量計(jì)共有3根輸出信號(hào)線：一根為信號(hào)線A而另一根為信號(hào)線B，這兩根線在雨量計(jì)中并未定義，可以定義任意一根為信號(hào)線A，另一根定義為信號(hào)線B，再加上數(shù)字地線，雨量計(jì)信號(hào)線纜通常有屏蔽層，進(jìn)入機(jī)箱后該屏蔽層需與機(jī)箱地連接。同樣信號(hào)線進(jìn)入機(jī)箱后，先進(jìn)入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個(gè)月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽(yáng)能電池板采用單晶硅太陽(yáng)能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標(biāo)稱功率20W；太陽(yáng)能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護(hù)可充電蓄電池或鋰電池，對(duì)于高寒地區(qū)，應(yīng)選用耐低溫的充電電池，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手機(jī)短消息模塊采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號(hào)線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡(jiǎn)單，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送和接收，但是使用費(fèi)較高，按短信條數(shù)收費(fèi)；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 軟件設(shè)計(jì)

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報(bào)狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時(shí)，自動(dòng)喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強(qiáng)制采集時(shí)間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，接收遠(yuǎn)端站點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到下一中繼站點(diǎn)或中心站點(diǎn)。

（3）長(zhǎng)上電狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，當(dāng)中心站招測(cè)時(shí)，隨時(shí)發(fā)送或接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)可完成自報(bào)狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路是：

自動(dòng)控制總流程：自動(dòng)控制過程按照以下時(shí)序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個(gè)時(shí)序工作（見圖4）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動(dòng)狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競(jìng)爭(zhēng)和沖突

通訊：基于當(dāng)前應(yīng)用的特點(diǎn)，通訊模塊將采用多路串口的結(jié)構(gòu)，多個(gè)串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺(tái)，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機(jī)多能，能方便接入各種信道。同時(shí)，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進(jìn)行：

接收內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖5）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖6）：

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過微機(jī)組成的中心站與單片機(jī)組成的測(cè)站構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺(tái)、短信等通信方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路的微功耗設(shè)計(jì)，達(dá)到了mA級(jí)的工作電流，uA級(jí)的待機(jī)電流。在軟件編制上，采用流行的高級(jí)語(yǔ)言編寫代碼，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)的多種遠(yuǎn)程通信方式，也使得復(fù)雜的功能和控制邏輯在單片機(jī)上較為容易實(shí)現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場(chǎng)合中。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。endprint

RTU是由MAIN模塊和防雷模塊構(gòu)成。

水位測(cè)量采用浮子式水位計(jì)，輸出信號(hào)線采用RS485串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)，通過防雷模塊后接入到MAIN主模塊的RS485口的對(duì)應(yīng)連接端，浮子水位計(jì)在使用前需要分別對(duì)水位計(jì)和RTU的MAIN模塊進(jìn)行配置，指定使用地址，水位傳感器的分變率不低于1cm，量程根據(jù)實(shí)際需要選定。

雨量測(cè)量采用翻斗式雨量計(jì)，承雨口內(nèi)徑為200mm，分別率為0.5mm，同樣使用前需要對(duì)RTU的MAIN模塊進(jìn)行雨量計(jì)使用地址進(jìn)行配置。翻斗式雨量計(jì)為雙干簧管雨量計(jì)共有3根輸出信號(hào)線：一根為信號(hào)線A而另一根為信號(hào)線B，這兩根線在雨量計(jì)中并未定義，可以定義任意一根為信號(hào)線A，另一根定義為信號(hào)線B，再加上數(shù)字地線，雨量計(jì)信號(hào)線纜通常有屏蔽層，進(jìn)入機(jī)箱后該屏蔽層需與機(jī)箱地連接。同樣信號(hào)線進(jìn)入機(jī)箱后，先進(jìn)入RTU中的防雷模塊，然后連接到MAIN模塊中，起到防雷的作用。

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用太陽(yáng)能浮沖蓄電池方式供電，配置滿足1個(gè)月連續(xù)陰雨天氣正常供電，具體配置為，太陽(yáng)能電池板采用單晶硅太陽(yáng)能組件，最大工作電壓17V，開路電壓21V，標(biāo)稱功率20W；太陽(yáng)能充電控制器電壓12V，最終充電電壓13.8V，憩息電壓14.5V，工作環(huán)境溫度-25℃～50℃；蓄電池采用鉛酸免維護(hù)可充電蓄電池或鋰電池，對(duì)于高寒地區(qū)，應(yīng)選用耐低溫的充電電池，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手機(jī)短消息模塊采用現(xiàn)成的產(chǎn)品，還需要一塊SIM卡，將其串行通信口的信號(hào)線接入MAIN主摸塊的串行通信口DB9即可，GSM短信方式簡(jiǎn)單，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送和接收，但是使用費(fèi)較高，按短信條數(shù)收費(fèi)；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 軟件設(shè)計(jì)

雨水情自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)有三種狀態(tài)：

（1）自報(bào)狀態(tài)：常態(tài)下MAIN主模塊處于休眠狀態(tài)，待下列事件之一發(fā)生時(shí)，自動(dòng)喚醒，采集數(shù)據(jù)：a.強(qiáng)制采集時(shí)間到，b.敏感量觸發(fā)（如雨量）。

（2）中繼狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，接收遠(yuǎn)端站點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到下一中繼站點(diǎn)或中心站點(diǎn)。

（3）長(zhǎng)上電狀態(tài)：常態(tài)下長(zhǎng)上電，當(dāng)中心站招測(cè)時(shí)，隨時(shí)發(fā)送或接收遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)，同時(shí)可完成自報(bào)狀態(tài)和中繼狀態(tài)工作。

MAIN模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)思路是：

自動(dòng)控制總流程：自動(dòng)控制過程按照以下時(shí)序工作（見圖3）：

數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集的工作過程隨傳感器的不同而有很多種，他們遵照如下的同一個(gè)時(shí)序工作（見圖4）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，降低功耗。由于采集過程始終處于被動(dòng)狀態(tài)，因此能最大限度減少總線上的競(jìng)爭(zhēng)和沖突

通訊：基于當(dāng)前應(yīng)用的特點(diǎn)，通訊模塊將采用多路串口的結(jié)構(gòu)，多個(gè)串口采用485/232電平，可以接入GSM短消息模塊，電臺(tái)，海事衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星，GPS等各種衛(wèi)星終端，使用串口+外接通訊組件的方式，做到一機(jī)多能，能方便接入各種信道。同時(shí)，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也為信道管理帶來了方便。通信過程將按照如下過程進(jìn)行：

接收內(nèi)部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖5）：

在整個(gè)工作過程中，通過對(duì)各通道電源的單獨(dú)控制，就能最大限度節(jié)約電能，接收外部數(shù)據(jù)接收外部數(shù)據(jù)時(shí)（見圖6）：

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過微機(jī)組成的中心站與單片機(jī)組成的測(cè)站構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過衛(wèi)星、電臺(tái)、短信等通信方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本功能。在硬件連接上，采用了雨量等喚醒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路的微功耗設(shè)計(jì)，達(dá)到了mA級(jí)的工作電流，uA級(jí)的待機(jī)電流。在軟件編制上，采用流行的高級(jí)語(yǔ)言編寫代碼，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)的多種遠(yuǎn)程通信方式，也使得復(fù)雜的功能和控制邏輯在單片機(jī)上較為容易實(shí)現(xiàn)。該方法也可以用于類似的工業(yè)場(chǎng)合中。

參考文獻(xiàn)

[1]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，1998.

[2]楊金巖.8051單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口擴(kuò)展技術(shù)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：蔣虹（1964-），女，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

黃明（1963-），男，貴州貴陽(yáng)人，高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用。endprint