水文遙測(cè)系統(tǒng)站內(nèi)信息顯示終端設(shè)計(jì)

龔然會(huì)

（百色市水文水資源局，廣西 百色 533000）

水文遙測(cè)系統(tǒng)站內(nèi)信息顯示終端設(shè)計(jì)

龔然會(huì)

（百色市水文水資源局，廣西 百色 533000）

介紹百色水文遙測(cè)系統(tǒng)特點(diǎn)，針對(duì)目前水文站無(wú)法在辦公室內(nèi)直接查看動(dòng)態(tài)變化的雨、水情信息的狀況，自主開(kāi)發(fā)了一套與遙測(cè)終端相配套的智能雨、水情實(shí)時(shí)顯示終端，實(shí)現(xiàn)在水文站辦公室內(nèi)能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水位、當(dāng)天雨量數(shù)值的功能。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，證明該設(shè)計(jì)產(chǎn)品具有數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、正常、顯示清晰的特點(diǎn)，滿足水文站日常觀測(cè)使用的要求。

水文遙測(cè)系統(tǒng)；水位；雨量；顯示終端；設(shè)計(jì)

1 遙測(cè)終端概述及問(wèn)題提出

當(dāng)前百色水文遙測(cè)系統(tǒng)站點(diǎn)的遙測(cè)終端機(jī)（以下簡(jiǎn)稱RTU）所采用的產(chǎn)品主要有YCZ-2A-101型、YDH-1M型、SUMMIT-W1000型、GXU-1001型等型號(hào)的遙測(cè)終端機(jī)，其基本功能主要有：

（1）基本測(cè)量參數(shù)為水位、雨量的測(cè)量；

（2）可連接的傳感器為水位傳感器（浮子式、壓力式、氣泡式、超聲波式等）、雨量傳感器（1 mm，0.5 mm，0.2 mm單/雙簧翻斗式）；

（3）可選擇的通信方式為GSM短消息、GPRS通信、CDMA通信、北斗衛(wèi)星等方式；

（4）按時(shí)段正點(diǎn)發(fā)報(bào)，水位、雨量信息加報(bào)；固態(tài)數(shù)據(jù)本地、遠(yuǎn)程的提??；遠(yuǎn)程修改RTU參數(shù)及系統(tǒng)時(shí)鐘同步等一系列滿足水文行業(yè)使用要求的功能。

這些RTU共同的特點(diǎn)是工作時(shí)數(shù)據(jù)單純通過(guò)移動(dòng)的GPRS/GSM向百色市水情遙測(cè)控制中心發(fā)送，按《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符標(biāo)準(zhǔn)》的要求解碼、編報(bào)處理后上傳自治區(qū)水文水資源局并發(fā)布到指定的網(wǎng)站，在功能上并沒(méi)有向本地水文站值班室內(nèi)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，值班人員只能通過(guò)上網(wǎng)才能查詢或自行前往觀測(cè)場(chǎng)地查看才能獲得本站的水情信息，影響了水情信息獲取的時(shí)效性也給水文站的日常觀測(cè)帶來(lái)不便。

為此，基于在目前所使用的RTU基礎(chǔ)上，筆者構(gòu)想設(shè)計(jì)一套能與RTU配套使用的，可實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前水位、當(dāng)天雨量累計(jì)及間斷顯示上時(shí)段水位和昨天雨量等數(shù)據(jù)站內(nèi)顯示終端，通過(guò)不斷試驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)想的目的，開(kāi)發(fā)出來(lái)的顯示終端完全能滿足水文站日常觀測(cè)的需要。遙測(cè)終端水情信息站內(nèi)顯示構(gòu)想圖如圖1所示。

圖1 水情信息站內(nèi)顯示構(gòu)想圖

2 工程實(shí)例設(shè)計(jì)[1～3]

百色水文遙測(cè)系統(tǒng)所采用的各類型號(hào)的終端機(jī)中，又以GXU-1001型多功能遙測(cè)終端技術(shù)較為先進(jìn)，與其它同類終端相比，獨(dú)特之處在于可以控制GPRS/GSM發(fā)射模塊以休眠或?qū)崟r(shí)在線模式工作、控制攝像頭拍照生成最高分辨率為1280×1024圖片、具有多個(gè)外接RS232及RS485接口，而且這些接口對(duì)用戶是開(kāi)放的，用戶可根據(jù)給定的規(guī)約對(duì)RTU進(jìn)行操控，譬如實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，修改工作參數(shù)，下載固態(tài)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)等等，因此本設(shè)計(jì)利用GXU-1001型多功能遙測(cè)終端這些功能強(qiáng)大的資源，為其設(shè)計(jì)配套的顯示終端。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)水文站實(shí)際需求，本次設(shè)計(jì)定義的系統(tǒng)功能主要有以下幾方面：

（1）實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水位；（2）實(shí)時(shí)當(dāng)天雨量累計(jì)；

（3）間斷顯示上時(shí)段水位和昨天雨量；

（4）與本地計(jì)算機(jī)連接可以拍攝觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像；

（5）可存儲(chǔ)1年的雨、水情信息并能通過(guò)本地計(jì)算機(jī)連接可采集本年度內(nèi)任何時(shí)間段內(nèi)的雨量、水位數(shù)據(jù)；

（6）與本地計(jì)算機(jī)連接可描繪水位過(guò)程線；（7）查看數(shù)據(jù)時(shí)可遙控操作。

2.2 電路框圖設(shè)計(jì)

通過(guò)系統(tǒng)功能定義運(yùn)用電路設(shè)計(jì)原理進(jìn)行系統(tǒng)電路框架構(gòu)思設(shè)計(jì)，本工程主要由CPU、電源、遙控、時(shí)鐘、顯示器及各種通信接口等部分電路組成。電路組成框圖如圖2所示。

圖2 電路組成框圖

2.3 電路原理圖設(shè)計(jì)

運(yùn)用電子技術(shù)原理及專用電子線路設(shè)計(jì)軟件Protel99SE進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)與印制電路板設(shè)計(jì)，經(jīng)不斷測(cè)試與修改得到最終電路原理圖。

本電路的核心部件為CPU，型號(hào)STC15F4K32S4，是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期1T的單片機(jī)。其配置高，處理速度快，有7個(gè)I/O端口共56位，內(nèi)置4 kB大容量SRAM，；5個(gè)16位自動(dòng)重裝定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)外部中斷源；4組獨(dú)立的高速異步串行通信端口，1組高速同步通信端口SPI；內(nèi)置26 kB的EEPROM?；谠摽钚酒瑥?qiáng)大的資源配置，可利用內(nèi)置的EE?PROM存儲(chǔ)周期為5 min的雨量和水位數(shù)據(jù)，無(wú)需增加外部存儲(chǔ)器；其次利用獨(dú)立的多通信端口這個(gè)特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與RTU、本地計(jì)算機(jī)、及攝像頭之間的通信，無(wú)需增加擴(kuò)展電路，使電路得到簡(jiǎn)化。

2.3.1 電路與RTU連接

本電路與RTU連接有兩種方式，到底選擇哪一連接方式，可根據(jù)RTU與本電路之間的距離決定。

（1）是 串 口 2 的 P4.6（RxD）/P4.7（TxD）經(jīng)MAX485電路將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)電平之后與距離大于7 m的RTU相連接；

（2）是 串 口 3 的 P0.1（RxD）/P0.1（TxD）經(jīng)MAX232CPE電路將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232信號(hào)電平之后與距離小于7 m的RTU相連接。

2.3.2 電路與攝像頭連接

為了直觀顯示現(xiàn)場(chǎng)的情況，可通過(guò)攝像頭抓拍現(xiàn)場(chǎng)的圖像加與分析。攝像頭可安置在被觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，利用串口2的P3.6（RxD）/P3.7（TxD）經(jīng)MAX485電路將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)電平之后實(shí)現(xiàn)連接。當(dāng)需要拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像時(shí)，可由本地計(jì)算機(jī)向本電路發(fā)出拍照指令即可實(shí)現(xiàn)。

2.3.3 電路與本地計(jì)算機(jī)連接

CPU 串 口 1 的 P3.0（RxD）/P3.1（TxD）經(jīng)MAX232CPE電平轉(zhuǎn)換之后與本地計(jì)算機(jī)的COM通信口相連接，本地計(jì)算機(jī)可以向電路發(fā)出以下指令：下載數(shù)據(jù)、拍攝圖像、校正時(shí)鐘，設(shè)置水位基準(zhǔn)值等。并可根據(jù)工作需要，描繪及顯示水位過(guò)程線，直觀的反映水位的變化過(guò)程。

2.3.4 遙控電路

遙控電路由遙控接收模塊及3個(gè)光電耦合器組成。手持遙控器有A、B、C、D 4個(gè)按鍵，每一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)不同的無(wú)線脈沖編碼，遙控接收模塊將接收到的脈沖編碼通過(guò)解碼得到對(duì)應(yīng)的鍵值。本電路定義A鍵顯示當(dāng)前水位和當(dāng)天雨量，B鍵顯示上時(shí)段水位，C鍵顯示昨天雨量。

2.3.5 顯示電路

顯示電路由7段帶小數(shù)點(diǎn)的LED數(shù)碼顯示器組成。

（1）時(shí)間由10位0.5英寸的顯示器組成，可顯示年、月、日、時(shí)、分，由于采用靜態(tài)顯示方式的需要，每個(gè)“字”的字段碼由一個(gè)74F164八位移位器來(lái)存儲(chǔ)及驅(qū)動(dòng)；

（2）水位數(shù)據(jù)顯示由5個(gè)1.5英寸的顯示器組成，最大顯示為999.99 m，根據(jù)需要可以通過(guò)本地計(jì)算機(jī)設(shè)置基準(zhǔn)水位值；

（3）雨量數(shù)據(jù)顯示是由4個(gè)1.5英寸的顯示器構(gòu)成，最大可顯示999.9 m。同樣由于靜態(tài)顯示方式的需要，每一個(gè)顯示器的字段碼需由一個(gè)74F164八位移位器來(lái)存儲(chǔ)及驅(qū)動(dòng)，但由于74F164的帶負(fù)載能力很弱，不足以驅(qū)動(dòng)1.5英寸的LED顯示，所以雨量和水位電路的每一個(gè)顯示器除需要74F164移位器之外還需增置一片ULN2803A芯片；

（4）當(dāng)前水位、當(dāng)天雨量與上時(shí)段水位、昨天雨量分別共用水位顯示電路和雨量顯示電路。需要顯示哪一種數(shù)據(jù)，可通過(guò)操作以定義好的手持遙控器面板按鈕加以選擇。與本電路相連的RTU每5 min自動(dòng)采集一次雨量和水位數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)除按照RTU的工作要求存儲(chǔ)于本地并通過(guò)設(shè)定的通信方式發(fā)送給遠(yuǎn)方的水情數(shù)據(jù)中心外，還通過(guò)RS485/RS232串口傳送到本電路上來(lái)。因此，本電路所保存的數(shù)據(jù)每5 min也將自動(dòng)獲得一次刷新。

2.3.6 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路是為了顯示實(shí)時(shí)時(shí)間而設(shè)置的，主要由X1228S芯片組成，顯示的時(shí)間跟與之連接的RTU的時(shí)鐘同步，時(shí)鐘校正由RTU完成。

2.3.7 電源電路

電源電路一是用于給CPU提供穩(wěn)定可靠的5V工作電壓；二是在CPU的控制下對(duì)LED數(shù)碼顯示器電路提供可控制通斷的電源，因?yàn)長(zhǎng)ED顯示器的功耗比較大，電源電路直接供電有利于降低電路的功耗，延長(zhǎng)電路元器件的使用壽命，降低電路的故障率，對(duì)LED數(shù)碼顯示器的供電又分為A、B、C三個(gè)回路，分別用于水位顯示器、雨量顯示器和時(shí)鐘顯示器的電路供電。

本電路的電源供電工作程序設(shè)計(jì)如下：CPU在沒(méi)有收到RTU、遙控器、本地計(jì)算機(jī)這3種信號(hào)中的任何一個(gè)信號(hào)的情況下處于“掉電”工作模式，這時(shí)所有LED顯示器電源均處于關(guān)斷狀態(tài)，不顯示任何信息；當(dāng)電路在上述任何一種信號(hào)觸發(fā)下CPU將被喚醒從“掉電”模式進(jìn)入“工作“模式，此時(shí)供電電路在CPU的控制下向相關(guān)的顯示器供電，當(dāng)LED顯示器被自動(dòng)點(diǎn)亮大約50 s后，在CPU的控制下供電電路將自動(dòng)關(guān)斷，停止向相應(yīng)的顯示器供電，顯示器處于“熄滅”狀態(tài)。

3 產(chǎn)品測(cè)試

在上述原理圖設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行印制電路板設(shè)計(jì)并委托生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出樣品應(yīng)用于水文站日常工作中，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，樣品及測(cè)試示意圖如下圖3所示。

圖3 樣品測(cè)試示意圖

按照設(shè)計(jì)時(shí)定義的系統(tǒng)功能，每項(xiàng)逐步進(jìn)行觀測(cè)，如是否是5 min刷新一次數(shù)據(jù)、水位、數(shù)量數(shù)據(jù)是否顯示正常、數(shù)據(jù)是否與RTU中的數(shù)據(jù)相一致、本地采集是否正常等。

經(jīng)過(guò)2個(gè)月對(duì)比觀測(cè)證明：RTU與顯示終端之間數(shù)據(jù)傳輸正確、穩(wěn)定，可以作為日常觀測(cè)應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

該顯示終端自投入使用以來(lái)，運(yùn)行正常，并已生產(chǎn)出成批產(chǎn)品應(yīng)用于百色市各主要水文站及多個(gè)中、小型水庫(kù)站。對(duì)于后續(xù)的運(yùn)行情況，我們將繼續(xù)關(guān)注，針對(duì)實(shí)際使用情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)不足，使得該產(chǎn)品能為水文站的測(cè)報(bào)工作發(fā)揮重要的作用。

通過(guò)對(duì)該水情實(shí)時(shí)顯示終端的自主開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)，完成了水情信息的站內(nèi)傳輸、動(dòng)態(tài)顯示。讓水情信息的查詢更加快捷、方便，更為水文遙測(cè)系統(tǒng)的管理帶來(lái)新的理念，在遙測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)有的基礎(chǔ)上發(fā)揮管理者的主觀能動(dòng)性，研究新技術(shù)和新方法解決工作中存在的新情況、新問(wèn)題，為今后的水文測(cè)報(bào)工作帶來(lái)便利。

[1] 任 勇.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2] 李 升.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[3] 沙占有.單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

（責(zé)任編輯：劉征湛）

Analysis of necessity of water resources price administration system reform for Shitou River Irrigation Zone

SUN Jian-qin

（Shitou River Irrigation Administration Bureau of Shaanxi Province,Meixian County 722300,China）

Shitou River Irrigation Zone is one of the five major provincial irrigation zones in Guanzhong Region of Shaanxi Province.Based on analysis of the operating status of present water resources price administration system,it is pointed out that there exists no flexible price adjusting system for a long time,which renders water resources in this irrigation zone is in a state of no-payment or too low price,substantially deviating from the actual value and leads to serious waste of water,much difficulties for price adjustment.In order to promote reform of water resources price administration system,realize smooth transition and progress of reform,good operation and development of irri?gation zone,rational pricing system and management system,standard administration shall be established and water fee calculating and collecting method shall be improved according to the water resources conditions,the manage?ment status of water works and actual input of irrigation zone,combined with income of people,social and economic development status.

Water resources price;pricing mechanism;administration system;reform countermeasure;Shitou Riv?er Irrigation Zone

TP39；P332

B

1003-1510（2016）01-0026-03

2015-11-30

龔然會(huì)（1976-），男，廣西永福人，百色市水文水資源局工程師，學(xué)士，主要從事水文遙測(cè)系統(tǒng)建設(shè)及管理工作。