基于STM32 可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)

段培法，張 璇，趙 宇，高振翔，王曉彬

（1.徐州市氣象局，江蘇徐州 221000；2.宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800）

隨著氣候變化和城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，由于暴雨導(dǎo)致的城市內(nèi)澇對(duì)城市交通、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等帶來(lái)越來(lái)越大的影響。降水量的強(qiáng)弱同樣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響，降水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致城市內(nèi)澇、農(nóng)田漬澇、滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而降水過(guò)少則會(huì)增加生活用水、農(nóng)田灌溉用水負(fù)擔(dān)等［1］。因此，針對(duì)雨量的監(jiān)測(cè)，農(nóng)業(yè)、氣象、水利等各部門(mén)都極為關(guān)注。

氣象部門(mén)通過(guò)雨量傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降水量和降雨強(qiáng)度，目前作為業(yè)務(wù)使用的有翻斗式雨量傳感器和稱(chēng)重式雨量傳感器［2，3］。翻斗式雨量傳感器作為降水量的測(cè)量?jī)x器，需要具備不易損壞的特點(diǎn)［4］。當(dāng)傳感器損壞時(shí)，需要及時(shí)監(jiān)測(cè)雨量傳感器的故障信息，從而進(jìn)行維護(hù)。但由于多數(shù)雨量傳感器都分布在野外，不易發(fā)現(xiàn)其故障狀態(tài)，所以在線監(jiān)測(cè)雨量傳感器的故障狀態(tài)信息變得尤其重要。目前，翻斗式雨量傳感器均使用常開(kāi)式干簧管作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)采集雨量信息［5，6］，當(dāng)干簧管及相關(guān)測(cè)量電路出現(xiàn)斷路故障時(shí)，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，影響雨量測(cè)量。原有的常開(kāi)式雨量傳感器由于一直處于斷路狀態(tài)，即使傳感器或數(shù)據(jù)線損壞，采集器也無(wú)法檢測(cè)到，不利于對(duì)雨量傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。特別是對(duì)于遠(yuǎn)離臺(tái)站的區(qū)域氣象站，當(dāng)出現(xiàn)局部地區(qū)有降水時(shí)，由于干簧管損壞，此時(shí)，值班人員則會(huì)認(rèn)為該區(qū)域無(wú)降水，傳感器損壞將長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法發(fā)現(xiàn)、也不容易發(fā)現(xiàn)。

通過(guò)開(kāi)發(fā)一套可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)，利用故障狀態(tài)檢測(cè)模塊可以及時(shí)監(jiān)測(cè)到翻斗式雨量傳感器工作狀態(tài)的好壞，從而實(shí)現(xiàn)雨量傳感器在線監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)是為了及時(shí)獲取雨量傳感器的故障信息，從而達(dá)到盡快維修的目的，該設(shè)計(jì)針對(duì)原來(lái)的翻斗式雨量傳感器進(jìn)行改進(jìn)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要涉及干簧管電路的改造以及故障在線監(jiān)測(cè)模塊的開(kāi)發(fā)，既能利用原有的采集模塊進(jìn)行雨量采集，同時(shí)可以對(duì)干簧管狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 干簧管電路改造方案

中國(guó)氣象站所使用的翻斗式雨量計(jì)的干簧管幾乎都是常開(kāi)式，未損壞的常開(kāi)式干簧管在無(wú)降水時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)有雨量時(shí)，干簧管就會(huì)吸合一次，雨量計(jì)計(jì)數(shù)一次［7，8］，然而干簧管作為核心部位，如果損壞，則有可能一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)，即使有降水，采集器采集到的信號(hào)仍為0，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于野外及無(wú)人值守的氣象站，也不容易被發(fā)現(xiàn)［9］。

通過(guò)對(duì)翻斗式雨量傳感器的核心部件干簧管及供電線路進(jìn)行改造，將原先常開(kāi)式干簧管改為常閉式干簧管，并增加輔助電路部件，從而在輸出信號(hào)不變的情況下，測(cè)量回路始終處于通路，可以對(duì)傳感器部件持續(xù)檢測(cè)。改造后效果等同于原來(lái)的常開(kāi)式雨量傳感器，因此可直接兼容原有的采集器采集雨量數(shù)據(jù)。

1.2 故障在線監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)方案

由于中國(guó)目前區(qū)域站的數(shù)量較多，需要對(duì)翻斗式雨量傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程在線故障監(jiān)測(cè)，才更具有研究意義。故障在線監(jiān)測(cè)模塊主要包含故障判識(shí)模塊、電源模塊、繼電器控制模塊、LCD 液晶顯示模塊、自動(dòng)站門(mén)開(kāi)關(guān)模塊等。利用氣象站固有的條件，當(dāng)出現(xiàn)故障后，利用采集器門(mén)狀態(tài)表示干簧管的狀態(tài)，當(dāng)門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)為1 時(shí)，表示干簧管正常，當(dāng)門(mén)開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)為0 時(shí)，說(shuō)明干簧管或信號(hào)線路出現(xiàn)了故障。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理分析

可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)將干簧管電路進(jìn)行改造，輸出端在對(duì)雨量計(jì)數(shù)的同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了故障監(jiān)測(cè)，采用常閉式干簧管，同時(shí)利用STM32最小系統(tǒng)模塊模擬采集器門(mén)開(kāi)關(guān)，并將結(jié)果輸入到采集器門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從采集器中的門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)就可看出干簧管或信號(hào)線的故障狀態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的功能。

2.2 干簧管電路改造模塊

干簧管改造模塊中采用了單刀雙擲干簧管，即常閉式干簧管和常開(kāi)式干簧管并聯(lián)狀態(tài)。利用其中的常閉式干簧管電路進(jìn)行計(jì)數(shù)，采用1 MΩ 和1 kΩ電阻進(jìn)行分壓，在正常狀態(tài)時(shí)，常閉式干簧管S1 處于閉合狀態(tài)，輸出端輸出為高電平，當(dāng)有計(jì)數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)時(shí)，此時(shí)干簧管會(huì)由S1 撥到S 狀態(tài)，會(huì)有一個(gè)瞬間低電平供外部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)常閉式干簧管損壞時(shí)，則會(huì)一直處于常開(kāi)狀態(tài)，即S 閉合，則輸出信號(hào)會(huì)一直處于低電平狀態(tài)，即可被外部電路檢測(cè)到，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干簧管自檢測(cè)。利用單刀雙擲干簧管中的常開(kāi)式干簧管S 作為檢測(cè)模塊，用來(lái)檢測(cè)降水計(jì)數(shù)干簧管的好壞，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)2 個(gè)干簧管的輸出信號(hào)不同時(shí)，說(shuō)明干簧管正常，當(dāng)2 個(gè)干簧管的輸出信號(hào)相同時(shí)，表明翻斗式雨量傳感器的干簧管損壞，如表1 所示。

圖2 可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)干簧管改造電路結(jié)構(gòu)

表1 翻斗式雨量傳感器干簧管工作狀態(tài)

2.3 故障在線監(jiān)測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，主要用于采集翻斗式雨量傳感器的信號(hào)及工作狀態(tài)，因此只需要最小系統(tǒng)便可完成本設(shè)計(jì)。最小系統(tǒng)主要包括電源電路、控制芯片、時(shí)鐘控制電路、復(fù)位電路、JTAG控制口以及與外圍電路相連的接口［10］。利用STM32最小系統(tǒng)判斷兩條干簧管的狀態(tài)，繼而驅(qū)動(dòng)繼電器模塊完成故障判斷，同時(shí)利用液晶顯示模塊顯示出傳感器的狀態(tài)，其實(shí)物如圖3所示。

圖3 故障在線監(jiān)測(cè)模塊實(shí)物

2.3.1 報(bào)警信號(hào)電路 為了實(shí)現(xiàn)翻斗式雨量傳感器的在線監(jiān)控，以自動(dòng)氣象站中BH6 采集器為例，采集器中的門(mén)信號(hào)機(jī)制：門(mén)打開(kāi)時(shí)，門(mén)開(kāi)關(guān)處于斷路，接到采集器中的2 根線不導(dǎo)通；門(mén)關(guān)上時(shí)，門(mén)開(kāi)關(guān)處于短路，接到采集器中的2 根線導(dǎo)通［11，12］。

報(bào)警信號(hào)電路采用單片機(jī)控制5 V 繼電器（型號(hào)HSR1H-S-5V）通斷來(lái)模擬自動(dòng)站門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即門(mén)開(kāi)關(guān)是否被按壓。繼電器1 腳和3 腳為常開(kāi)引腳，4 腳和6 腳為常閉引腳，2 腳接單片機(jī)控制口，5腳接5 V 電源。干簧管損壞的信號(hào)是通過(guò)觀測(cè)站中采集器的門(mén)信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，通過(guò)單片機(jī)的一個(gè)端口控制繼電器，進(jìn)而控制采集器的門(mén)信號(hào)［13，14］。

門(mén)正常是關(guān)閉的，因此，繼電器1、3 和4、6 輸出引腳中，只需用到4 和6 腳。由于單片機(jī)I/O 口輸出電流太小，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，需要在兩者之間加上驅(qū)動(dòng)電路，為了方便直接選用集成驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003（圖4）。

2.3.2 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊是以LCD 液晶屏為核心，然后配合相應(yīng)的控制電路，從而達(dá)到輸出的目的，其硬件連接如圖5 所示。其供電采用5 V電壓供電，引腳3 用來(lái)控制液晶顯示的對(duì)比度，其中電阻R5 也可用電位器。

圖4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 LCD1602 液晶顯示模塊硬件連接

3 程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)選用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，程序采用C 語(yǔ)言，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil MDK5。首先初始化I/O 口以及LCD1602 液晶顯示部分，然后把PB14、PB15 2 個(gè)I/O 口設(shè)置為內(nèi)部上拉輸入，在While 中判斷兩個(gè)I/O 的高低電平，如圖6 所示。在翻斗翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，PB14 為高電平，PB15 為低電平，未翻轉(zhuǎn)時(shí)，PB14 為低電平，PB15 為高電平。程序中用2 個(gè)I/O 口輸出電平是否相反來(lái)判斷常閉干簧管電路正常與否。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在徐州國(guó)家基本氣象站觀測(cè)場(chǎng)外西側(cè)安裝已經(jīng)改造后的翻斗式雨量傳感器，采用光伏電池板進(jìn)行采集器的供電，檢查設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性，利用CF 存儲(chǔ)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，然后統(tǒng)計(jì)幾個(gè)月的數(shù)據(jù)情況，與觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)翻斗式雨量傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，同時(shí)設(shè)置故障，觀察監(jiān)測(cè)模塊的故障檢測(cè)能力。經(jīng)過(guò)多場(chǎng)降水檢驗(yàn)后，對(duì)儀器運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，確保設(shè)計(jì)出的設(shè)備可靠穩(wěn)定［15］。

改造的雨量計(jì)跟觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)雨量計(jì)南北成行，在試驗(yàn)前期，經(jīng)一段時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的差異有時(shí)偏差不大，有時(shí)偏差較大，經(jīng)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此翻斗式雨量傳感器超過(guò)誤差范圍，導(dǎo)致計(jì)數(shù)不精確，用最新的雨量校準(zhǔn)儀對(duì)改造的雨量計(jì)重新進(jìn)行校準(zhǔn)，然后重新投入使用。

圖6 程序流程

統(tǒng)計(jì)了2019 年4、5、6 月的在線監(jiān)測(cè)雨量計(jì)、原有的翻斗式雨量計(jì)和稱(chēng)重式雨量計(jì)3 個(gè)裝置的降水對(duì)比數(shù)據(jù)，如表2 所示，其差異較小，均在0.4 mm 以?xún)?nèi)，滿足業(yè)務(wù)需求。

5 小結(jié)

翻斗式雨量傳感器狀態(tài)的可在線監(jiān)測(cè)裝置將原先的常開(kāi)式干簧管換為常閉式干簧管，同時(shí)再增加一條電路，該電路用來(lái)檢測(cè)干簧管或信號(hào)線的狀態(tài)，分析2 條電路輸出信號(hào)的高低電平，然后利用故障檢測(cè)模塊進(jìn)行故障判斷。當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到干簧管或信號(hào)線處于損壞狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)裝置會(huì)觸發(fā)繼電器，此時(shí)，單片機(jī)就會(huì)控制一端口輸出一個(gè)低電平，從采集器中的門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)就可看出干簧管或信號(hào)線的故障狀態(tài)信息，國(guó)家站可利用值班業(yè)務(wù)軟件獲取門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息、區(qū)域站利用后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)的門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，及時(shí)獲取雨量計(jì)的故障狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)的功能。

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可實(shí)現(xiàn)翻斗式雨量傳感器的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了目前翻斗式雨量傳感器干簧管損壞無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的缺點(diǎn)。經(jīng)過(guò)與國(guó)家站的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該裝置可及時(shí)監(jiān)測(cè)到故障狀態(tài)信息，且降水的捕獲率與目前國(guó)家站數(shù)據(jù)高度一致。

表2 可在線監(jiān)測(cè)傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計(jì)與國(guó)家站雨量傳感器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 （單位：mm）