水文遙測(cè)實(shí)時(shí)水情信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

林杰斌

摘 要：主要對(duì)水文遙測(cè)實(shí)時(shí)水情信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開了研究，介紹了遙測(cè)終端，并結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)水文遙測(cè)系統(tǒng)作了系統(tǒng)分析，以期為相關(guān)單位的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水文遙測(cè)系統(tǒng)；RTU；遙測(cè)終端；顯示終端

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.15.095

所謂“水文遙測(cè)”，是指水文部門對(duì)江、河、湖泊、水庫(kù)、渠道和地下水等的水文參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨著人們對(duì)水環(huán)境重視程度的加深，如何有效促進(jìn)水文站日常工作的進(jìn)步，完善水文遙測(cè)實(shí)時(shí)水情信息服務(wù)系統(tǒng)顯得尤為重要?；诖?，本文就水文遙測(cè)實(shí)時(shí)水情信息服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 遙測(cè)終端問(wèn)題的提出

基于目前所使用的RTU的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)了一套能與RTU配套使用，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)段水位和以往雨量等數(shù)據(jù)的站內(nèi)顯示終端。通過(guò)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出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)的顯示構(gòu)想如圖1所示。

2 工程實(shí)例設(shè)計(jì)

在水文遙測(cè)系統(tǒng)所采用的各類型號(hào)的終端機(jī)中，GXU-1001型多功能遙測(cè)終端技術(shù)較為先進(jìn)，與其他同類終端相比，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，并能控制攝像頭拍照生成分辨率為1 280×1 024的圖片，且具有多個(gè)外接RS232及RS485接口。這些接口對(duì)用戶是開放的，用戶可根據(jù)給定的規(guī)則對(duì)RTU進(jìn)行操控，比如實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、修改工作參數(shù)、下載固態(tài)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)等。因此，本設(shè)計(jì)利用GXU-1001型多功能遙測(cè)終端的強(qiáng)大功能，為其設(shè)計(jì)了配套的顯示終端。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)水文站的實(shí)際需求，本次設(shè)計(jì)定義的系統(tǒng)功能主要有以下7個(gè)方面：①實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水位；②實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)天雨量累計(jì)；③間斷顯示上時(shí)段水位和昨日雨量；④與本地計(jì)算機(jī)連接后，可以拍攝觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的圖像；⑤可存儲(chǔ)1年的水情信息，并能通過(guò)本地計(jì)算機(jī)采集本年度內(nèi)任何時(shí)間段內(nèi)的雨量和水位數(shù)據(jù)；⑥與本地計(jì)算機(jī)連接后可描繪水位過(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)行了系統(tǒng)電路框架的構(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組成，電路組成如圖2所示。

2.3 電路原理圖設(shè)計(jì)

運(yùn)用電子技術(shù)原理和專用電子線路設(shè)計(jì)軟件Protel99SE進(jìn)行了原理圖設(shè)計(jì)和印制電路板設(shè)計(jì)，并經(jīng)不斷測(cè)試與修改得到了最終的電路原理圖。

本電路的核心部件為CPU，型號(hào)為STC15F4K32S4，是一款單時(shí)鐘/機(jī)器周期1T的單片機(jī)。其配置較高，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)器和外部中斷源、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和1個(gè)26 KB的EEPROM?；谠摽钚酒瑥?qiáng)大的資源配置，可利用內(nèi)置的EEPROM存儲(chǔ)周期為5 min的雨量和水位數(shù)據(jù)，且無(wú)需增加外部存儲(chǔ)器；基于獨(dú)立多通信端口的特點(diǎn)，可同時(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，可使電路簡(jiǎn)化。

2.3.1 電路與RTU的連接

本電路與RTU的連接有2種方式，可根據(jù)RTU與本電路之間的距離選擇：①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)電平后，與距離大于7 m的RTU連接；②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)電平后，與距離小于7 m的RTU連接。

2.3.2 電路與攝像頭的連接

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)的圖像并分析。攝像頭可設(shè)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)的連接

CPU串口1的P3.0（RxD）/P3.1（TxD）經(jīng)MAX232CPE電平轉(zhuǎn)換后，與本地計(jì)算機(jī)的COM通信口連接，本地計(jì)算機(jī)可以向電路發(fā)出下載數(shù)據(jù)、拍攝圖像、校正時(shí)鐘，設(shè)置水位基準(zhǔn)值等指令，并可根據(jù)工作需要描繪及顯示水位過(guò)程線，直觀地反映水位的變化過(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”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)日雨量，“B”鍵顯示上時(shí)段水位，“C”鍵顯示昨日雨量。

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。時(shí)間由10位0.5英寸的顯示器組成，可顯示年、月、日、時(shí)、分等。由于靜態(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)。水位數(shù)據(jù)顯示由5個(gè)1.5英寸的顯示器組成，最大顯示值為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。雨量數(shù)據(jù)顯示是由4個(gè)1.5英寸的顯示器構(gòu)成，最大顯示值為999.9 m，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)，但因74F164的帶負(fù)載能力很弱，不足以驅(qū)動(dòng)1.5英寸的LED顯示屏，所以，雨量和水位電路的每一個(gè)顯示器除了需要74F164移位器之外，還需增置1片ULN2803A芯片。當(dāng)前水位、當(dāng)日雨量與上時(shí)段水位、昨日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上的按鈕選擇。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)除按了按照RTU的工作要求將信息存儲(chǔ)于本地，并通過(guò)設(shè)定的通信方式發(fā)送至遠(yuǎn)方的水情數(shù)據(jù)中心外，還會(huì)通過(guò)RS485/RS232串口傳送至本電路中來(lái)。因此，本電路所保存的數(shù)據(jù)每5 min將自動(dòng)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

電源電路不僅可用于為CPU提供穩(wěn)定、可靠的5 V工作電壓，還可以在CPU的控制下為L(zhǎng)ED數(shù)碼顯示器電路提供可控制的電源。由于LED顯示器的功耗較大，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。因此，對(duì)LED數(shù)碼顯示器的供電分別設(shè)有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。

3 產(chǎn)品測(cè)試

在上述原理圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，委托生產(chǎn)廠家生產(chǎn)樣品并應(yīng)用于水文站的日常工作中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。按照設(shè)計(jì)時(shí)定義的系統(tǒng)功能，每項(xiàng)逐步觀測(cè)，比如觀測(cè)是否為每5 min刷新一次數(shù)據(jù)，水位等數(shù)據(jù)是否顯示正常、數(shù)據(jù)是否與RTU中的數(shù)據(jù)一致、本地采集是否正常等。經(jīng)過(guò)2個(gè)月的對(duì)比觀測(cè)證明，RTU與顯示終端之間的數(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)束語(yǔ)

綜上所述，水文遙測(cè)系統(tǒng)主要用于監(jiān)視河流、湖泊、水庫(kù)的水利運(yùn)行情況，能及時(shí)反映各水域的水文特征，以便相關(guān)部門的決策，防止洪澇災(zāi)害的發(fā)生。因此，我們需要做好水文遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，以為今后的水文測(cè)報(bào)工作貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕