一種雙信道的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

胡春杰，王江燕，嵇海祥，王鍵鍵

(1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇南京210012；2.江蘇南水科技有限公司，江蘇南京210012；3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇南京210012；4.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029)

0 引 言

水是人類賴以生存的重要資源之一，同樣也是洪澇災(zāi)害的主要源頭之一。洪水會(huì)導(dǎo)致群眾傷亡、廠房破壞、莊稼沖毀、通訊與交通設(shè)施崩潰等問題，從而對(duì)給人民群眾生命財(cái)產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成損失與破壞[1-2]。隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展以及水利信息化水平的提高，我國(guó)水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取得了不同程度的成果。水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)水位、雨量、流速、流量等水情數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、預(yù)報(bào)和傳輸?shù)裙δ?，可為防汛減災(zāi)、抗旱抗災(zāi)提供可靠依據(jù)與技術(shù)支持[3-5]。

文獻(xiàn)[6]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)需求，提出了一種多功能水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用GSM模塊將水情數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，節(jié)約了通信成本。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了基于ZigBee信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳輸范圍較小且易受干擾。文獻(xiàn)[8]提出了基于單片機(jī)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用了GPRS通信方式，成本較低。文獻(xiàn)[9]利用寬窄物聯(lián)網(wǎng)NB-LoT技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有功耗低，海量連接的特點(diǎn)。由于水雨情監(jiān)測(cè)站一般在荒郊野外，在地理位置偏僻、移動(dòng)公網(wǎng)無法覆蓋或者處于移動(dòng)公網(wǎng)邊緣的地區(qū)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸困難，上述系統(tǒng)大面積推廣使用較困難。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS與北斗衛(wèi)星的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用雷達(dá)水位計(jì)、雨量傳感器、溫濕度傳感器等多種傳感器采集水雨情數(shù)據(jù)并以規(guī)定報(bào)文格式通過北斗衛(wèi)星與GPRS傳輸至中心站，北斗衛(wèi)星為主信道，GPRS為備用信道，實(shí)現(xiàn)主備信道自動(dòng)切換功能，進(jìn)行多信道多協(xié)議水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸、顯示、查詢，為防汛減災(zāi)相關(guān)部門提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)主要部分組成為：數(shù)據(jù)采集、主控板(STM32)、通信單元(北斗衛(wèi)星與GPRS)、中心站及供電單元，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集層

(1)雷達(dá)水位計(jì)。雷達(dá)水位計(jì)是一種非接觸式水位測(cè)量傳感器，主要原理是從雷達(dá)水位計(jì)天線發(fā)射雷達(dá)脈沖，天線接收從水體表面反射回來的脈沖，時(shí)間差為T；由于波速C是個(gè)常數(shù)，從而得出到水面的距離

D=CT/2

(1)

本系統(tǒng)采用我國(guó)自產(chǎn)的雷達(dá)水位計(jì)[10]，支持多種傳輸方式，包括有RS485、4-20 mA、HART等多種通信協(xié)議，考慮到系統(tǒng)需要低功耗，采用RS485通信方式，硬件連接見圖3。

圖2 雷達(dá)水位計(jì)硬件設(shè)計(jì)

(2)翻斗式雨量傳感器。翻斗式雨量計(jì)的工作原理：降雨時(shí)，雨水會(huì)進(jìn)入最上面的承雨口，承雨口內(nèi)部的雨水經(jīng)過濾網(wǎng)過濾之后流入至引水漏斗。當(dāng)流入的雨水到達(dá)一定量時(shí)會(huì)破壞2個(gè)翻斗之間的平衡從而完成雨水的翻到，產(chǎn)生1個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器對(duì)翻斗內(nèi)雨水反復(fù)翻到的過程次數(shù)進(jìn)行記錄并通過計(jì)算后得出降雨量。本文采用江蘇南水設(shè)計(jì)生產(chǎn)的JDZ05—1型翻斗式雨量傳感器，其分辨力為0.5 mm，誤差在±3%，雨強(qiáng)范圍在0～4 mm/min，硬件連接如圖4所示。

圖3 雨量傳感器硬件設(shè)計(jì)

(3)溫濕度傳感器。溫濕度傳感器采用國(guó)產(chǎn)的奧松AM2302，是一款高穩(wěn)定性的數(shù)字信號(hào)輸出復(fù)合式傳感器，并攜有校準(zhǔn)系數(shù)輔助產(chǎn)品準(zhǔn)確度[11]。AM2302采用單線制串行接口，系統(tǒng)集成容易、傳感器體積小、功耗低，傳輸距離可達(dá)20 m以上，其濕度分辨力達(dá)到0.1% RH。測(cè)量范圍為0～100% RH，測(cè)量精度為±2%RH；工作環(huán)境溫度為-20～80 ℃，響應(yīng)時(shí)間小于5 s，溫度分辨力達(dá)到0.1 ℃；測(cè)量范圍為-40～80 ℃，測(cè)量精度±0.5 ℃，工作電壓為直流3.3～5 V。硬件連接圖如圖4所示。

圖4 AM2302傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.2 主控板

主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要作用：采集各傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)、封裝成水文通信規(guī)約。本系統(tǒng)采用主控芯片為STM32L475VET6(圖略)，低功耗、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[12]，符合本次設(shè)計(jì)的要求。

主控芯片的特點(diǎn)：①處理速度快。②功耗低。芯片不僅僅具備F系列主控的3種低功耗模式，還增加低功耗運(yùn)行、低功耗睡眠、停止0、停止1、停止2等低功耗模式。③大存儲(chǔ)。內(nèi)部高達(dá)512 kb大小的Flash；SRAM的大小為128 kb，其中包含32 kb預(yù)警奇偶校驗(yàn)。④通信接口較多。

2.3 通信單元

在水雨情遙測(cè)終端機(jī)通信單位內(nèi)置GPRS通信模塊和北斗衛(wèi)星通信模塊，這兩種無線通信方式可以進(jìn)行互備通信，北斗衛(wèi)星為主信道，GPRS為備用信道，實(shí)現(xiàn)主備信道自動(dòng)切換功能，其工作流程如圖5所示。

圖5 通信工作流程

2.3.1GPRS通信

GPRS是一種高效率、低成本的通信組網(wǎng)方式。其傳輸數(shù)據(jù)是按流量計(jì)算，使用成本低[13]。本系統(tǒng)采用的GPRS模塊型號(hào)為宏電H7718，該模塊能在各種惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，常用于氣象行業(yè)、工業(yè)控制、智能交通等領(lǐng)域，如圖6所示。

為了保證通信可靠性，對(duì)于DTU選擇了RS-232連接方式，具體連接如圖7所示。圖7中左邊為H7118型GPRS DTU，右側(cè)為DTE(Data Terminal Equipment，數(shù)據(jù)終端設(shè)備)。

圖6 宏電GPRS模塊

圖7 GPRS模塊連接示意

2.3.2北斗衛(wèi)星

近年來，隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，衛(wèi)星小站的制造成本不斷降低；衛(wèi)星通信大范圍、無盲區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)勢(shì)，尤其適合在地理環(huán)境復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施落后的地區(qū)用于通信傳輸。中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星相對(duì)于傳統(tǒng)的VSAT系統(tǒng)，具有價(jià)格便宜，設(shè)備體積小，功耗低，安裝、維護(hù)和使用方便等優(yōu)點(diǎn)[14]?，F(xiàn)在我國(guó)主要使用的是同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，在移動(dòng)公網(wǎng)覆蓋不到的地區(qū)，可以選擇北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸監(jiān)測(cè)短報(bào)文。野外監(jiān)測(cè)時(shí)，將北斗通信型機(jī)與RTU通過RS-232串口相連接；同樣，中心站將北斗管理型機(jī)與服務(wù)器通過RS-232串口相連接。本系統(tǒng)選擇神州天鴻YDD-3- 01北斗通信型機(jī)。

2.4 供電單元

考慮水雨情遙測(cè)終端機(jī)長(zhǎng)期工作在野外，若使用220V的交流電會(huì)給安裝帶來很大的不便，因此采用直流供電方式。在電源模塊的設(shè)計(jì)中，由于測(cè)控終端與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，各模塊對(duì)于供電電壓和電流的需求不同，于是采用電壓為12 V、容量為24AH的太陽能蓄電池作為測(cè)控終端的供電電源。采集節(jié)點(diǎn)中蓄電池主要給雷達(dá)水位計(jì)、翻斗式雨量計(jì)、溫濕度傳感器、STM32處理器供電3.3 V，其電源管理模塊結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8 采集節(jié)點(diǎn)電源管理模塊結(jié)構(gòu)

3 中心站設(shè)計(jì)

中心站由服務(wù)器、衛(wèi)星通信終端以及采集軟件等組成。

采集軟件是集成了多種通信信道和多種RTU協(xié)議的通用平臺(tái)，采用基于.NET的C/S結(jié)構(gòu)，以SQL SERVER為數(shù)據(jù)庫，以Microsoft visual studio 2010為開發(fā)軟件，利用C#語言的三層架構(gòu)體系[15]，開發(fā)與設(shè)計(jì)的一種雙信道水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采集軟件界面的簡(jiǎn)潔友好、操作簡(jiǎn)便，可為科學(xué)防汛、科學(xué)防旱減災(zāi)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。圖9為水雨情數(shù)據(jù)接收軟件截圖。

圖9 水雨情數(shù)據(jù)接收軟件截圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種雙信道的水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用雷達(dá)水位計(jì)、雨量傳感器、溫濕度傳感器等多種傳感器采集水雨情數(shù)據(jù)，并且以規(guī)定報(bào)文格式通過北斗衛(wèi)星與GPRS傳輸至中心站，北斗衛(wèi)星作為主信道，GPRS作為備信道，實(shí)現(xiàn)主備信道自動(dòng)切換功能，進(jìn)行多信道多協(xié)議水雨情數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)傳輸、顯示、查詢，解決了公網(wǎng)無法覆蓋通信困難的問題，為防汛減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐，具有良好的推廣前景。