一種自動排水的稱重式遙測雨量計設計與實現(xiàn)

李 博

(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

目前，國內外測量降雨量的方式主要包括以下幾種[1]，虹吸式測定雨量、翻斗式測定雨量和稱重式測定雨量等。其中，虹吸式雨量計在我國最先推廣使用，主要應用于基層水文站。但隨著信息傳輸自動化的發(fā)展，其無法實現(xiàn)自動采集和遠程傳輸的缺點越來越明顯，已逐步淘汰，取而代之的是翻斗雨量計和稱重式雨量計等自動采集傳輸設備。翻斗雨量計是目前我國應用最為廣泛的遙測雨量計，運行較為穩(wěn)定，但其同樣具有很多影響因素影響到其測量精度，例如，在翻斗口有異物堵塞時，或者翻斗不靈活時影響數據精度；更為嚴重的是當雨強超過特定值時翻斗翻轉不及時，造成雨量數據丟失，嚴重影響降雨量的準確測定及水文資料統(tǒng)計。近年來，少部分地區(qū)采用稱重式雨量計，該雨量計主要優(yōu)點為收集到的雨量不丟失，測量精度較高，缺點是現(xiàn)有的稱重式雨量計沒有有效的解決自動排水問題(通過人工排水)，增加了人為干預因素，影響了測定精度。如能很好的解決上述問題，稱重式雨量計將會是遙測雨量計的發(fā)展方向。

1 總體設計

稱重式遙測雨量計主要由雨量筒，太陽能基板，蓄電池，特制漏斗，儲水漏斗、水泵，數據采集箱等組成，如圖1所示。雨量筒設計高度為70mm，用于收集雨水。筒內最上方安裝一個儲水漏斗，在儲水漏斗和三通之間的膠管上安裝一個單向截止閥，目的是收集到的雨水只可以從上向下流，不能反向流動；三通中間端接排水管，排水管出口處設計在高于儲水漏斗的雨量筒壁上，可以防止雨水從儲水漏斗下來誤入排水管造成降水丟量現(xiàn)象。三通下端通過進水管下接水泵，水泵接數據采集箱，懸于儲水桶內，水泵的吸水管位于側面。用于盛水的儲水桶固定在稱重托盤上，托盤下連稱重傳感器。

正常運行時從雨量筒收集到的雨水經特制漏斗、儲水漏斗、三通及水泵進入儲水桶，由稱重傳感器稱出重量，數據采集箱將稱出的雨水重量換算成20cm口徑雨量計降水的高度，每分鐘測量、存儲一次。

當儲水桶中雨水達到設定高度時，數據采集箱得到指令，觸發(fā)水泵通電運轉，由于壓力的作用推動活門使截止閥關閉，外部雨水暫時存在儲水漏斗中，儲水桶內的水經三通通過排水管排出。

排水時長設有兩個閾值，一是時間，二是儲水桶內剩余水量。排水時，數據采集箱實時檢查儲水桶內的水量，同時啟動數據采集箱中的定時器，當水量小于設定值時，停止排水，如果排水時間超過設定時間40s時，強制停止排水，關閉水泵，截止閥自動打開。排水的整個過程中數據采集箱會停止降水量計算，而時間及短信功能正常工作。

排水停止時，數據采集箱會自動讀取和記錄一個高度，用來設定下一分鐘高度起始值，暫時存在儲水漏斗內的雨水進入到儲水桶，被記錄到下一分鐘量內的降水量，如此循環(huán)。

每次測量后，采集的數據會分別存儲在數據采集箱中單片機內部的EPPROM芯片和存儲模塊的SD卡內，保證了數據的安全，同時也方便數據的調取及備份。另一方面運用數據采集箱中短信模塊中的SIM卡，通過GPRS傳輸信道將收集到的降水數據傳輸到接收平臺。

蓄電池負責整個雨量計的供電，太陽能基板負責對其充電，保證蓄電池輸出電源的穩(wěn)定持續(xù)性。通過電源穩(wěn)壓模塊，給水泵、存儲模塊、短信模塊、時鐘模塊、LED顯示屏、單片機、D/A轉換模塊等供電。

圖1 總體設計圖

2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路[2]包括稱重傳感器模塊、A/D模塊，電源模塊，MCU Arduion主控芯片模塊，SD卡模塊等。整套硬件系統(tǒng)除了量筒和稱重傳感器等設備外，其余模塊都在數據采集箱內。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接圖

數據采集箱中以Arduion單片機為核心，負責將采集到的數據存在內部的EPPROM芯片和存儲模塊SD卡內，保證數據的安全和調取，其它模塊都與其相連。存儲模塊的引腳CS、SCK、MOS、MIS通過電路板導線分別連接到單片機的51、52、53、54引腳，用于實現(xiàn)實時數據存儲；時鐘模塊的引腳D、C通過電路板導線連接到單片機的SCL、SDA引腳，負責實現(xiàn)時鐘計時；LED顯示屏的引腳CLK、MOSI、RE、DC、CS通過電路板導線分別連接到單片機的A0～A4引腳，也可以通過LED顯示屏輸出端外接顯示屏查看單片機的運行信息；D/A轉換模塊的引腳DAT、CLK通過電路板導線連接到單片機的A12、A13引腳，用于實現(xiàn)信息收集分析，同時D/A轉換模塊通過傳感器輸出端經過屏蔽導線連接到稱重傳感器；繼電器模塊是一個被指令部件，單片機通過A5引腳連接繼電器模塊的SIG引腳控制其工作；短信模塊外接天線，同時通過URX、UTX引腳經電路板導線與單片機的TXO、RXO引腳相連進行數據交換。如圖3所示。

圖3 數據采集箱內部圖

3 軟件設計

Arduino單片機開發(fā)環(huán)境基于ArduinoIDE，所用編程語言為C++語言，流程如圖4所示。

3.1 初始化部分

上電開始先檢查SD卡，SIM卡是否準備就緒，如未準備好或不可用，便重啟單片機；準備完成后進入排水檢測，如果裝置內有水，啟動排水，將裝置內水排空并記錄當前高度h1。然后進入程序主循環(huán)內。

3.2 程序循環(huán)主體

(1)先通過DS3231時鐘模塊獲取時間。當時間變化超過1min時讀取高度，記錄高度h2，然后計算1min前后的高度差h=h2-h1，便是1min的降水量。然后讀取EPPROM0內的數據h3(初始時該數據為0)，然后將h3與h相加，再存入EPPROM0(這樣做的好處是使數據掉電后可以保存，若直接存入單片機內掉電后數據會全部清零，影響測量精度)，存入SD卡。然后將h2的值賦予h1，將h2作為下1min的起始值。

圖4 程序流程圖

同時引入變量aa，每經過1min aa加1，當加到30min時檢查排水，有水則排，無水返回。即設定30min排一次水。

當時間變化超過一小時時，檢測SIM卡聯(lián)網情況，如果聯(lián)網異常，重啟單片機。

當時間等于8∶00時。統(tǒng)計這一天的數據，將EPPROM0內的數據讀出，寫入對應的以星期命名的存儲器。同時寫入SD卡。

(2)檢查是否收到短信，如果有短信，便將EPPROM內的數據讀出，同時將數據發(fā)送出去。

(3)整個過程結束后，將時間及所測數據通過LED屏幕顯示出來。

4 實驗數據分析

將本次設計研究的稱重式遙測雨量計于2017年5月末安裝在9處雨量站，經過汛期實驗，分別選取典型場降雨和整個汛期降雨做人工對比分析如下。

(1)場次降雨對比

表1 2017年8月3日8時～4日8時場次降雨對比表

(2)整個汛期降雨對比分析

表2 2017年6月1日～9日20時汛期降雨對比表

從表1和表2可以看出，本次研究的稱重式遙測雨量計測量雨量數據與人工測量數據無論是從場雨還是整個汛期降雨層面上，誤差都基本控制在5%以內，尤其在場雨上更為精準，該雨量計達到了氣象儀器中雨量計的設計標準[3]。

5 結語

本文研發(fā)的稱重式遙測雨量計，改變了傳統(tǒng)稱重式雨量計不能自動排水或排水不及時造成降水測量數據不準確的弊端，同時該儀器結構簡單，運行成本低，在通過一年來的實際降雨實驗過程中，測量精度較高，符合普遍推廣的條件，今后重點工作將逐漸轉移到設備耐腐蝕、防凍防曬、通信穩(wěn)定程度等一系列實驗工作上。

[1] DSC3稱重式降水傳感器用戶手冊[Z]. 天津華云天儀特種氣象探測技術有限公司, 2014.

[2] 唐慧強, 匡亮, 施珮. 基于WSN的高精度稱重式雨量計設計[J]. 測控技術, 2014, 33(05): 1- 4.

[3] 劉軍, 趙青義, 魏運芳, 等. 雨量傳感器檢定/校準裝置對比與探討[J]. 氣象水文海洋儀器, 2014(01): 23- 25.

[4]王芳. 淺析自動與人工雨量觀測數據的差異[J]. 貴州氣象, 2006(04).

[5]徐杰, 周天雄. 實測降水與自動站降水的對比分析[J]. 科技資訊, 2012(20).