基于單片機的水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計

姚蓓蓓，常曉敏，竇銀科，丁云風(fēng)

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030000；2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原030000)

基于單片機的水情自動測報系統(tǒng)設(shè)計

姚蓓蓓1，常曉敏1，竇銀科2，丁云風(fēng)2

(1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030000；2.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西太原030000)

為滿足當(dāng)前山西省信息化監(jiān)測管理的需要，結(jié)合水情參數(shù)監(jiān)測原理的分析，設(shè)計了一款基于單片機技術(shù)的實用型水情自動測報系統(tǒng)。該系統(tǒng)以MSP430單片機為控制核心，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，將采集的實時數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測中心平臺進行分析、報警。系統(tǒng)在山西汾河二庫使用后表明，其實時性強、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、功耗低、成本低，方便水利部門及時了解水情信息。

水情自動測報系統(tǒng)；單片機；GPRS

0 引 言

水情自動測報系統(tǒng)是基于傳感器監(jiān)測技術(shù)、無線通訊技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將河流湖泊水庫等流域的水位、雨量等水情數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲、傳輸、處理的水文信息自動化監(jiān)測系統(tǒng)[1]。它能夠及時、準(zhǔn)確地掌握江河流域及水庫等地區(qū)的水情信息，在大大解放勞動生產(chǎn)力的同時提高水情預(yù)報速度、擴大水情監(jiān)測范圍，并及時進行洪水預(yù)報、防洪調(diào)度，對水庫的供水、蓄能、灌溉、水資源的合理利用以及水電站的良好運行都具有重大意義。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利信息化水平的提高，我國水情監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)在各地取得了不同程度的成果。山西省水利信息化也在不斷發(fā)展，目前在采集與傳輸手段等方面還較為落后[2]，且存在水文資源利用不充分，監(jiān)控管理不集中等問題。

汾河二庫作為山西省重點工程，不僅是山西省內(nèi)建成的第一座混凝土高壩，同時也是以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益功能的大(2)型水利樞紐工程[3]，汾河二庫為省城太原的防洪安全、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護提供了不可或缺的保障。目前汾河二庫在水情監(jiān)測方面，仍采用人工讀取水尺的方式記錄水位變化，并且汾河二庫現(xiàn)有的水位標(biāo)尺已經(jīng)老舊生銹，不僅耗費人力且測量誤差大，不能實時監(jiān)測水位變化也不利于統(tǒng)一管理，為強化山西水利信息化及現(xiàn)代化發(fā)展，進一步加強水文綜合監(jiān)測平臺的建設(shè)，急需對其進行改造。本文設(shè)計了一款以單片機為控制核心，集成水位、水溫、冰厚、雨量等采集模塊的水情自動測報系統(tǒng)，實現(xiàn)了對水情各項參數(shù)的實時監(jiān)測與遠程監(jiān)控，為汾河二庫的防洪度汛決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，大大減少了水資源浪費，推動山西水利信息化步伐。

1 水情監(jiān)測原理

1.1 水位冰厚數(shù)據(jù)的采集

水情監(jiān)測中最重要的就是水位的監(jiān)測，水位的變化不僅影響到水庫壩體的受力狀態(tài)，當(dāng)?shù)匮雌诘姆篮檎{(diào)度，還會影響水資源的合理利用以及水庫的有效運行，為了更好地進行水位監(jiān)測，本系統(tǒng)選取3種不同測量原理的水位傳感器，在進行水位監(jiān)測的同時進行監(jiān)測精度的比較，將采集到的實時水位變化與新的水位水尺讀數(shù)進行大量的相同時間的比對，得到最適宜汾河二庫當(dāng)?shù)乇O(jiān)測環(huán)境的水位傳感器?？紤]汾河二庫地處峽谷，壩體較高，屬于山谷型水庫，首先選擇量程較大，安裝方便的投入式壓差液位計，考慮到庫底泥沙淤積，量程選取30 m，精度為0.2%，與單片機控制器通過RS232接口相連；第二選擇架設(shè)在水面上、故障率較低的超聲波液位計，量程最大20 m，可根據(jù)實測距離進行設(shè)定，精度為0.3%，4～20 mA輸出，考慮超聲波易受氣溫氣壓影響[4]，系統(tǒng)加裝氣溫氣壓傳感器，在進行數(shù)據(jù)后續(xù)處理時盡量將最終誤差降低至最??；第三選擇電容式冰厚水位傳感器，夏季監(jiān)測水位變幅，冬季主要進行水庫冰層厚度的測量。設(shè)計基礎(chǔ)是利用空氣、水、冰三者之間介電特性的差異性，在施加激勵的同時引起金屬電極的電容變化，將電壓值經(jīng)CDC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，自上而下檢測空氣層、冰層、水層不同的數(shù)字量段，從而得出分界面，計算得到水位值與冰層厚度[5]。設(shè)計量程為4 m，32個芯片均勻分布，每個芯片安裝12個金屬電極。需要特別注意的是系統(tǒng)多數(shù)設(shè)備安裝在野外，容易受到雷擊[6]，需要加裝有效的防雷設(shè)施。

1.2 水溫數(shù)據(jù)的采集

庫區(qū)水溫測量選用自主設(shè)計制作的柔性溫度鏈，芯片采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的12位(0.062 5 ℃)分辨率的DS28EA00數(shù)字溫度傳感器，可測溫度范圍-40～85 ℃，其額外的兩個引腳PIOA和PIOB可順序檢測芯片唯一的序列號，大大節(jié)省運行時間，保證采集的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定；溫度鏈全長9 m，均勻分布100個溫度敏感元件，由于空氣和水面的交匯處溫度不同，芯片之間可以傳導(dǎo)熱量，故芯片排列不需要太密集；溫度鏈與單片機控制板通過RS232接口相連。

1.3 雨量數(shù)據(jù)的采集

雨量測量采用翻斗式遙測雨量計，盛水口徑為Ф(200±0.6)mm，一個斗室的雨量為0.2 mm，可測范圍為降水強度≦4 mm/min，精度可達0.1 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，RS485信號輸出。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

汾河二庫水情自動測報系統(tǒng)主要包括單片機數(shù)據(jù)采集終端、GPRS無線通訊和遠程監(jiān)測平臺三部分。該系統(tǒng)具有水情信息自動監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)處理功能、數(shù)據(jù)通訊功能、自動報警功能、計算機顯示查詢功能。各類傳感器將采集到的信號傳輸至單片機控制核心，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后完成對數(shù)據(jù)的解析；液晶顯示器/鍵盤部分用于完成良好的人機界面，方便工作人員在現(xiàn)場進行設(shè)置與查詢；SD卡存儲模塊將每次發(fā)送的數(shù)據(jù)進行存儲，完整記錄原始數(shù)據(jù)，方便對歷史信息的查詢；電源轉(zhuǎn)換模塊將220 V交流轉(zhuǎn)化成12 V直流電壓，當(dāng)供電室斷電時還可啟用太陽能電池供電以維持整個系統(tǒng)的供電穩(wěn)定；GPRS通訊模塊將單片機解析的數(shù)據(jù)傳送至上位機；上位機監(jiān)測中心可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時查詢、超限報警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 單片機數(shù)據(jù)采集終端

單片機數(shù)據(jù)采集終端是以單片機為控制核心，將各個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行整理與分析，經(jīng)由無線通訊發(fā)送到上位機監(jiān)控平臺?？紤]水情監(jiān)測系統(tǒng)需要安裝在水庫岸邊且長時間無人職守，系統(tǒng)處理器不僅要求具有高性能的特點，而且功耗要低，以實現(xiàn)對各個傳感器的自動控制，同時降低系統(tǒng)整體功耗，并在采集完成后將數(shù)據(jù)傳向遠端服務(wù)器[7]，本次設(shè)計選用的數(shù)據(jù)控制處理電路硬件是美國TI公司推出的MSP430F5438A型單片機。MSP430單片機最大的特點就是功耗極低，其低壓范圍為1.8～3.6 V?；顒幽Ｊ皆?.2 V、1 MHz時鐘條件下，工作電流僅為225 μA，待機模式僅為0.8 μA。CPU采用16位精簡指令系統(tǒng)，中斷源較多，方便進行嵌套，增加使用的靈活度[8]。同時集成有16位寄存器、常數(shù)發(fā)生器、十六位定時器Timer-A和Timer-B、大容量FLASH存儲器、48個通用I/O引腳等。而且CPU、寄存器和外單片機還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，例如看門狗(WDT)、A/D轉(zhuǎn)換模塊等，極大地方便了軟件的開發(fā)、操作、信息交流與數(shù)據(jù)通信，其工作環(huán)境溫度要求范圍在-40～85 ℃， 足夠滿足工程運行條件。

終端控制核心的程序設(shè)計主要是控制終端模塊MSP430下位機的數(shù)據(jù)采集程序和上位機的數(shù)據(jù)接收程序。下位機數(shù)據(jù)采集程序主要包括主函數(shù)程序，水位、水溫、雨量、氣溫氣壓的數(shù)據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)處理及存儲的程序。MSP430程序編寫在IAR編譯開發(fā)環(huán)境下使用C語言進行開發(fā)，通過EDA開發(fā)工具下載到控制芯片MSP430中。主程序通過中斷判斷的方式有序控制各個子程序依次運行，程序開始進行初始化設(shè)置，當(dāng)中斷觸發(fā)，程序暫停執(zhí)行主程序轉(zhuǎn)而執(zhí)行數(shù)據(jù)采集子程序，子程序運行結(jié)束后恢復(fù)現(xiàn)場繼續(xù)從中斷處執(zhí)行主程序，依次完成水位、水溫、雨量數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。在執(zhí)行中斷過程中單片機會多次從時鐘模塊中查詢時間，確保不出現(xiàn)時間誤差，按順序完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送功能。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程

根據(jù)實際需要，設(shè)置單片機每10 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，記錄實時水位、水溫、雨量數(shù)據(jù)，其中，雨量信息包括瞬時雨量值與日累計雨量值；當(dāng)水位線超過警戒線時，自動向監(jiān)控中心平臺發(fā)送報警信號。

2.2 GPRS無線通訊

本次系統(tǒng)的安裝地點選在汾河二庫右岸且具有移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋，所以數(shù)據(jù)傳輸部分選擇GPRS無線模塊。GPRS技術(shù)克服了原有GSM網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸中的缺點，將數(shù)據(jù)進行分組分別發(fā)送到相應(yīng)IP地址的接收端，接收端再進行數(shù)據(jù)的重新組合[9]。GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)保證用戶永久在線并提供透明無線傳輸服務(wù)，當(dāng)采集終端上電后，GPRS模塊會根據(jù)內(nèi)部預(yù)先設(shè)定的監(jiān)控站內(nèi)網(wǎng)IP地址來訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到端口，再由端口映射到監(jiān)測中心平臺，完成一次通訊過程。每次TCP連接建立時，為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)來源，第一包首先發(fā)送封裝了ID的數(shù)據(jù)包，封裝數(shù)據(jù)格式如下：包頭固定為 FE FE FE FE FE，數(shù)據(jù)段長度nn，數(shù)據(jù)段設(shè)備ID，校驗碼CS。其中，數(shù)據(jù)段格式為ASCII，i0 i1 i2…in，長度1≦n≦19；校驗碼為nn+i0+i1+i2+…+i10所得累加和的低字節(jié)。DTU具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232/485接口，方便與單片機控制器連接，進行設(shè)置與測試，傳輸方式有透明傳輸或協(xié)議傳輸，可提供高速穩(wěn)定的專用網(wǎng)絡(luò)通道，無需更改程序就可完成與原串口設(shè)備的無線通訊，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

2.3 遠程監(jiān)測平臺

本系統(tǒng)的監(jiān)測中心軟件是由C++語言編寫，具有SQL數(shù)據(jù)庫，可以作為子程序被調(diào)用，方便遠程網(wǎng)絡(luò)中心的計算機調(diào)取數(shù)據(jù)。軟件安裝在監(jiān)控服務(wù)器的計算機上，為工作人員提供一個可視化操作界面，首次登陸需要修改IP地址和端口號，完成檢測點基礎(chǔ)信息的錄入。登錄系統(tǒng)后可以實現(xiàn)安裝監(jiān)測點的實時展現(xiàn)、歷史信息查詢、實時監(jiān)測查詢、測點數(shù)據(jù)詳細信息的查看、數(shù)據(jù)接收狀態(tài)監(jiān)測以及各水情參數(shù)的列表與圖形化統(tǒng)計處理。水位統(tǒng)計包括當(dāng)前水位值、水位變化幅度、日平均水位、最高水位、最低水位、庫容曲線；水溫統(tǒng)計包括溫度剖面圖、水溫變化曲線；雨量統(tǒng)計包括日累計雨量、當(dāng)前實時雨量、降雨次數(shù)日/月/年、月/年最大降雨日、平均降雨量。當(dāng)水位值達到預(yù)設(shè)的汛限水位、警戒水位、緊急水位時，系統(tǒng)的報警功能啟動，提醒工作人員采取相應(yīng)的預(yù)泄措施進行泄洪；若降雨強度超過預(yù)定值或日累計雨量過大，報警系統(tǒng)也會發(fā)出訊號，方便指揮人員采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)度手段。監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫最重要的就是根據(jù)實際需求進行相關(guān)水情數(shù)據(jù)的顯示、查詢、保存等功能，需要滿足中心平臺對數(shù)據(jù)的調(diào)用，方便機房人員全面了解并遠程監(jiān)控水庫的水情參數(shù)變化。

根據(jù)監(jiān)測平臺接收的數(shù)據(jù)，選取2016年7月1日～7月5日8∶00的水位變化曲線(見圖3)，比較不同液位計與水尺讀數(shù)的差異，從圖3可以看出，壓差式水位計與水尺讀數(shù)較為接近，超聲波水位計浮動較大。

圖3 2016年7月1日～5日水位變化曲線(單位：m)

3 結(jié) 語

目前本水情自動測報系統(tǒng)已在山西汾河二庫安裝使用6個多月，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，壓差式水位傳感器采集誤差不超過±0.04 m，超聲波液位計最大誤差0.09 m，電容式冰厚水位傳感器采集誤差不超過±0.05 m，試驗證明本系統(tǒng)具有及時、穩(wěn)定、安全、精確，集成度高，成本低的特點，在全省范圍內(nèi)的河流、湖泊等地具有廣泛的推廣使用前景，可有效提高工作人員工作效率，提前預(yù)報洪水災(zāi)害，保證水庫安全運行，減少不必要的損失，同時可更好地利用水資源，充分發(fā)揮水庫效益[10]。系統(tǒng)在運行過程中還有一些細節(jié)需要改善和提高，例如溫度鏈被魚類啃咬的問題、超聲波水位計受風(fēng)力影響的問題等。隨著科學(xué)技術(shù)的普及與發(fā)展，該系統(tǒng)將日趨完善成熟，不斷滿足水利部門的需要，為輔助制定防汛決策提供數(shù)據(jù)支持，進一步提高水庫的現(xiàn)代化管理水平。

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DesignofWatershedAutomaticHydrologicalForecastSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

YAO beibei1, CHANG Xiaomin1, DOU Yinke2, DING Yunfeng2

(1. College of Hydraulic Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

In order to meet the demand of Shanxi Province on information management at current, a practical watershed automatic hydrological forecast system based on single chip microcomputer is designed based on the analyses of hydrological parameter monitor theory. The system takes MSP430 single chip microcomputer as the core and sends real-time data by using GPRS network to monitoring center platform for analyzing and alarming. The application of the system in Fenhe II Reservoir, Shanxi Province indicates that the system has the features of high real-time, accurate data collection, low power consumption and low cost. It can facilitate water resources department to keep abreast of hydrological information．

watershed automatic hydrological forecast system; single chip microcomputer; GPRS

P335

A

0559- 9342(2017)09- 0093- 04

2017- 02- 10

山西省水利科學(xué)技術(shù)研究基金項目(201402)；國家青年基金項目(41606220)

姚蓓蓓(1992—)，女，山西五臺人，碩士研究生，研究方向為水信息檢測技術(shù)．

(責(zé)任編輯焦雪梅)