防堵塞降雨量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳木生　盧文杰　曾永西　蔡植善

摘 要：設(shè)計(jì)一種能夠自動防堵塞的降雨量測量系統(tǒng).系統(tǒng)主要由防堵塞裝置、降雨量測量裝置、控制裝置、數(shù)據(jù)傳輸、電源等組成，能夠自動實(shí)時采集降雨量并通過GPRS模塊上傳到云平臺，有利于數(shù)據(jù)的分析和共享.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的防堵塞功能，適用于野外降雨量測量.

關(guān)鍵詞：降雨量;防堵塞;實(shí)時監(jiān)測;云平臺

[中圖分類號]TP202 ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Design of Anti-clogging Real-time Rainfall Monitoring System

CHEN Musheng*，LU Wenjie，ZENG Yongxi，CAI Zhishan

（College of Physics and Information Engineering，Quanzhou Normal University，F(xiàn)ujian 362000，China）

Abstract：A rainfall measurement system that can automatically prevent clogging was designed，which mainly included anti-clogging part，rainfall measurement，control part，data transmission，power supply and other parts.It could automatically collect rainfall in real time and upload it to the cloud platform through GPRS module，which is beneficial to the analysis and sharing of data and improves the reliability and utilization values of the data.The results showed that the system had a strong anti-clogging function and was more suitable for rainfall detection in the field.

Key words：rainfall;anti-clogging;real-time monitoring system;cloud platform

雨量信息的實(shí)時性和準(zhǔn)確性是防汛抗旱正確指揮的前提，及時準(zhǔn)確地獲取降雨量信息可以幫助指揮部門實(shí)施有效的監(jiān)控和預(yù)警.[1]目前，氣象觀測中常用翻斗雨量計(jì)測量降雨強(qiáng)度和降雨量，其在野外工作時容易被異物堵塞導(dǎo)致不能正常工作[2-3]，在偏遠(yuǎn)地方還需解決野外供電和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸存儲等問題.[4-5]為解決這些問題，本文設(shè)計(jì)一種防堵塞降雨量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在探測到降雨時打開測量儀上的擋板測量降雨量，雨停時自動關(guān)閉擋板，避免測量儀被堵塞，從而提高系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性;采集的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到云端[6]，便于數(shù)據(jù)的查詢和共享，方便不同用戶的使用，提高數(shù)據(jù)的可靠性和利用率.

1 防堵塞雨量測量儀結(jié)構(gòu)

防堵塞雨量測量儀主要由防堵塞裝置、降雨量測量裝置、控制裝置、數(shù)據(jù)傳輸、電源等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.防堵塞裝置由雨滴模塊、舵機(jī)和對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成.數(shù)據(jù)處理及控制部分由單片機(jī)完成.單片機(jī)控制舵機(jī)的閉合和打開，將采集的降雨量信息通過SIM900A發(fā)送到遠(yuǎn)程的云端.供電部分由太陽能基板、蓄電池、降壓電路和電池管理模塊組成.

2 硬件系統(tǒng)和電池管理模塊

雨滴傳感器有兩個端口，當(dāng)沒有降雨時，端口兩端斷路;如果板上雨水到達(dá)一定量時，兩端會導(dǎo)通.

舵機(jī)由齒輪組、馬達(dá)、電位器、電機(jī)控制板和殼體組成.系統(tǒng)中使用的舵機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是控制簡便，只需要控制單片機(jī)發(fā)出脈沖的寬度變化就可以控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的變化.脈沖寬度為1.5 ms時，舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度為135度;當(dāng)脈沖寬度逐漸減少到0.5 ms時，轉(zhuǎn)動角度逐漸轉(zhuǎn)到0度;當(dāng)脈沖寬度逐漸增加到2.5 ms時，轉(zhuǎn)動角度逐漸轉(zhuǎn)到270度.二是位置閉環(huán)，當(dāng)蓋子被風(fēng)吹起來時，會自動恢復(fù)到原來的角度.

電源管理模塊由TC4056A和MT3068組成，電路如圖2所示.為了提高裝置的續(xù)航能力，利用輸出電壓為18 V的太陽能基板為電池充電.端口PROG接入一個1.2 k電阻控制電流輸出.由于鋰電池的電壓為4.2 V且隨著電量的減少會下降，故采用MT3068升壓并將其電壓穩(wěn)定在5.0 V.輸出電壓值可由電阻的組合來調(diào)整，為舵機(jī)和SIM900A供電，經(jīng)降壓模塊輸出3.3 V電壓給單片機(jī)供電.[7]

3 軟件部分

3.1 控制部分

系統(tǒng)啟動時控制舵機(jī)使擋板關(guān)閉，防止在剛安裝好設(shè)備時，蓋子未蓋好異物的進(jìn)入.初始化完成后通過AD檢測判斷是否降雨，降雨時打開蓋子并發(fā)送一個降雨信號給上位機(jī)，雨停時則發(fā)送停雨信號和雨量數(shù)據(jù)給上位機(jī)，然后閉合蓋子.該方法減少了雨量儀漏斗裸露在外的時間，可有效防止異物進(jìn)入雨量測量儀，提高測量的精度.同時，系統(tǒng)自動將測量的降雨量信息通過GPRS模塊傳輸?shù)皆贫耍谠贫送瓿蓴?shù)據(jù)的存儲和分析.

3.2 上位機(jī)部分

上位機(jī)采用Windows Socket通信，GPRS的接收端與降水監(jiān)測軟件之間采用C/S結(jié)構(gòu).接收防堵塞雨量測量儀信息的程序流程為：

（1）開啟Socket：設(shè)定通信參數(shù)及通信時間、建立起讀寫時間.

（2）偵聽：程序處于堵塞狀態(tài)，在等待防堵塞翻斗式雨量測量儀發(fā)出的連接信號，收到信號就和儀器建立連接.

（3）數(shù)據(jù)傳輸：借助Socket來進(jìn)行通信.

（4）關(guān)閉Socket：釋放資源.降水檢測程序流程見圖3所示.

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

雨量傳感器的閾值為0.3 mm/min，利用本系統(tǒng)對降雨量進(jìn)行測量，結(jié)果如表1所示.從表1中可以看出，當(dāng)降雨量小于0.3 mm/min時，擋板關(guān)閉;當(dāng)降雨量大于0.3 mm/min時，擋板開啟對降雨量進(jìn)行測量，并將結(jié)果通過GPRS模塊發(fā)送到云端.結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，具有防堵塞功能，適用于野外降雨量測量.

5 結(jié)論

針對降雨測量儀在野外工作的特定需求，研究一種防堵塞降雨量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng).該系統(tǒng)通過雨滴傳感器設(shè)定閾值判斷是否降雨，并基于降雨信息控制舵機(jī)驅(qū)動活動擋板運(yùn)動，在無雨時遮住降雨量測量儀，在降雨時將其打開，既不影響雨量計(jì)的正常工作，又可以減少其漏斗裸露在外的時間，大大減小異物堵塞的概率及其對雨量計(jì)的影響，提高降雨測量儀的準(zhǔn)確性.降雨測量儀可以將數(shù)據(jù)通過GPRS傳到云端進(jìn)行存儲、分析，能夠提高數(shù)據(jù)的可靠性和利用率.該系統(tǒng)適用于野外的降雨量的測量，有利于提高測量的精度.

參考文獻(xiàn)

[1]Yudhana A，Andriliana Y D，Akbar S A，et al.Monitoring of Rainfall Level Ombrometer Observatory Type using Android Sharp Sensor[J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications，2019，10（11）：360-364.

[2]藺瀟.基于壓電技術(shù)的降雨測量方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

[3]蔣冬雁，李偉雄，楊麗麗，等.雨量儀器使用中常出現(xiàn)的問題及解決方法[J].氣象研究與應(yīng)用，2019，40（3）：117-118.

[4]鄧樹榮，鄧蘇花雨，范方福，等.SL3-1型翻斗式雨量感應(yīng)器漏斗疏堵裝置設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究，2018，8（4）：50-53.

[5]陳翠，胡春杰，阮聰，等.一種水雨情實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電，2020（3）：21-23.

[6]譚峰，薛齡季軒，姜珊，等.基于云平臺的棚室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 牡丹江師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2017（2）：6-10.

[7]慕燈聰，李崢，朱旋.基于STM32的火電廠空氣質(zhì)量無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].牡丹江師范學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2020（4）：23-26.

編輯：吳楠

收稿日期：2020-12-28

基金項(xiàng)目：福建省自然基金項(xiàng)目（2019J01736）;泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018Z031;2019N115S）;教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201810320003）;博士科研啟動基金項(xiàng)目;教育廳中青年科研項(xiàng)目（JAT190504）

作者簡介：陳木生（1980-），男，福建泉州人.教授，博士，主要從事信號處理和數(shù)據(jù)融合研究;盧文杰（1997-），男，福建三明人.學(xué)士，主要從事電子技術(shù)研究;曾永西（1980-），男，福建漳州人.講師，碩士，主要從事電子技術(shù)研究.

通訊作者：陳木生