CN103941312A

CN103941312A - 一种远程雨量监测系统

Info

Publication number: CN103941312A
Application number: CN201410138380.5A
Authority: CN
Inventors: 高红民; 徐立中; 孙臻; 王强; 吕国芳; 李琦
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2014-07-23

Abstract

本发明公开了一种远程雨量监测系统，包括雨量传感器、监测终端、及远程监测中心三部分。雨量传感器负责雨量信息的采集，并将雨量信息转换为电信号。监测终端由微处理器、存储模块、GPRS模块、时钟模块及其他外围电路组成，负责必要的控制功能和无线网络传输相关协议的实现，先将雨量传感器送来的电信号利用AD转换器转换为数字量，再把要发送的数据组装成数据包传送给GPRS模块，通过GPRS模块实现无线传输。远程监测中心负责对整个系统进行管理，并完成对数据的汇总和分析，根据监测终端采集的数据对降水情况做出合理的判断，提出相应的应对措施。

Description

一种远程雨量监测系统

技术领域

本发明涉及监控技术领域，具体为一种远程雨量监测系统。

背景技术

我国土地面积辽阔，大多地处季风气候区，这种气候会导致在于每年的春、夏季均会有较为丰沛的降水，尤其在我国南方地区频繁的引发洪涝灾害，淹没农田，冲毁道路，给人民群众的生产生活带来严重影响。为了保障人民群众的生命财产安全，必须在降水相对集中的时间段内对降水量进行实时监控，并及时将雨量信息反馈到水文、气象等相关部门，以便于对可能出现的洪涝灾害采取及时的预防措施。

在计算机未被广泛应用以及基于嵌入式系统的通讯技术尚未成熟之前，传统的远程雨量监测系统是通过相关部门在各监测点的工作人员读取监测点仪器所记录的雨量值,然后将数据通过电话或电报的方式汇总到上级部门。这种方式需要消耗大量的人力资源，效率不高，而且在一些人力无法到达的区域存在盲点；雨量信息的采集、传输、处理的实时性和准确性较差。

随着科技水平的不断提高，计算机技术、现代通信技术及嵌入式系统得以快速发展，使得各种远程监控系统被广泛的应用于各个领域，并且收到了良好的社会与经济效益。为全面提高水资源的现代化管理水平，在当前的水利系统中建设先进的自动监控系统是非常有必要的。

远程雨量监测系统，就是本地计算机借助通信网络,由终端设备将选定观测点的数据传输至远程监测中心；再通过分析和处理这些数据和历史数据，了解观测点的当前状态，并根据情况进行相应处理，从而实现对观测点降水量的实时掌握，方便水利部门及时作出预报和优化调度。根据按传输方式的不同，系统可分为有线与无线两种。由于雨量监测点分布范围广，数量多，距离远，还有些监测点所处的位置比较偏僻，因此,架设专用线路在通信网络的拓扑结构上很难符合要求，即使能够铺设，成本很会很高，而且通信线路不易维护，不便于大规模使用。与有线通信系统相比，无线通信方式则显得非常灵活,它具有投资少,建设周期短，行维护简单，性价比高等优点。近些年来，GPRS(General Packet Radio Service)无线数据传输技术被引入远程监测系统中，它具有高速、可靠、覆盖范围广、运营费用低、维护费用少等优点，能充分利用无线网络信息资源，特别适合突发性、平凡的小流量数据传输，在远程监测系统的应用中，具有无可比拟的性价比优势。

我国的水资源时空分布不均衡，生态环境又十分脆弱，导致洪涝灾害频发，防汛形势非常严峻。因此，对降水量进行全天候监控是是非常必要的。远程雨量监控系统的采用可以节省大量的人力物力资源，有效改善管理人员的工作条件，减轻其劳动强度。管理人员可以在远离各个监测点的情况下，实时精确的掌握每个监测点的雨量信息，从而对整体的降水情况有一个充分的了解。

本发明结合传感器、单片机及GPRS无线通信技术，在实现了雨量信息从采集到传输全程自动化的同时，也降低了成本，便于普及。

发明内容

本发明由雨量传感器、监测终端、及远程监测中心三部分组成了一个无线分布式监测系统。

硬件设计

雨量传感器

由于监测点的环境相对比较恶劣，传感器一般都会被暴露在水中或大气中，因此必须能够有很强的环境适应能力和易维护特性。本发明选用了DY1090A型翻斗式雨量计，主要由筒身、底座和内部翻斗三部分构成。雨量分辨率为1mm，测量准确度为，触点接触次数可达次。翻斗式雨量计本身是无需电源供电便能工作的，但是在使用时要产生、处理和接收信号，因此仍需外部电源对其供电，可以跟系统其它设备共用电源。

监测终端

监测终端是监测系统的核心部分，承载着数据收发、存储和通信控制等任务。主要包含微处理器、存储模块、GPRS模块、时钟模块及其他外围电路组成。

微处理器（MCU）

MCU作为整个系统的控制核心，主要负责驱动GPRS模块与外网的连接,接收并处理GPRS模块上传来的数据包；组装或生成要发送数据包并传送给GPRS模块，控制其他串口外接模块的工作。本发明选用AVR系列单片机中的Atmega169L。电源管理方面，Atmegal69L采用3.3V供电电压，已具备基本低功耗要求，对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，适用于电池供电的应用设备。Atmega169L单片机以时钟周期为指令周期，16MHz时性能可达16MIPS。单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反复烧写、支持在ISP在线编程(烧写)；片内集成多种功能电路，电路设计非常简单；单片机具有休眠省电功能(POWER DOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能，一般耗电在1～2.5mA，电源抗干扰性强，可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。Atmegal69L的中断管理功能可以很好的适应雨量监测系统中数据传输频繁、突发性强的特点，提高了系统的运行速度和效率。

存储模块

由于系统每隔十分钟对雨量数据进行一次采集并记录，因此需要一定的存储空间的数据进行存储。若测报过程中出现的突发情况，存储的数据量会出现激增，因此存储空间必须足够大才行。虽然ATMEGAL169自带1K字节的片内SRAM，但并不能满足系统数据存储的需要。因此为Atmegal69L单片机配置了高性能、大容量的SDRAM, 以弥补片内数据存储容量的不足。此外，还为Atmegal69L还配置有8Mbit 的FLASH存储器AM29LV800B，用作存放开机自举程序机器码及有关数据参数。

GPRS模块

监测终端与远程监测中心之间的通讯及数据传输等均是通过GPRS模块来实现的,因此，通讯模块电路实现无线传输的关键，是终端中仅次于MCU之外的相对重要的部分。本发明采用的GPRS通信模块是SIEMENS公司生产的MC39i，是一款双频900/1800MHZ的高集成通信模块，主要由GSM基带控制器、射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、射频功率放大器、天线接口等部分组成。MC39i具有体积小、重量轻、功耗低的特点，同时具有丰富的AT指令，而且功能强大，操作灵活方便等优势。充分满足了本系统对数据传输实时、高速、低功耗的要求，其较高的性价比也在一定程度上降低了成本。

时钟模块

RTC(实时时钟)是RTU进行定时采集、发送和存储数据的时间基准，因此必须保证其精度和可靠性，同时还需保证其能长时间工作，即使在MCU掉电的情况下，RTC也能正常工作。本发明采用了DS1392实时时钟，它可以能够提供高达4MHz的时钟速率，计数精确至百分之一秒，保证了数据采集的实时性要求。DS1392采用主电源和备用电池的供电方式，两种供电方式通过低压检测和转换电路进行转换，很好的保障了系统的正常运行。

人机交互模块

在本监控系统中，为方便管理人员查询已经采集到的数据以及检查设备的运行状态，可以通过键盘对终端设备内部的参数、功能等进行快速设置，再加上液晶显示屏的数据显示，体现了人机交互的友好性。

本系统采用了简单键盘进行时间调整、菜单选择和输入控制参数等操作，键值与按键功能对应关系为OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGH和ESC。由于芯片I/0口有限，系统将选用PCF8574作为I/O输出的扩展芯片。PCF8574是单片的CMOS电路，具有8位准双向口和I²C总线接口。具有功耗低，输出锁存，驱动能力大等特点，同时存在中断请求线，可直接连到单片机的中断输入端。

为了更直观的看到采集到的信息，系统使用LCD显示器用于显示雨量、采集时间、站号和通讯设备状态等信息。为满足系统显示要求，专门定做了4*40的LCD显示屏，电路设计时，使用单片通用低复用率LCD驱动器PCF8576D，它可为任何静态或多路LCD提供驱动信号，带电压跟随缓冲器的内部LCD偏压电路，40*4的RAM显示数据存储器，含有4路背电极输出和40路段输出，同时无需连接外部元器件，通过双向“二线”的I²C总线与MCU进行通信，电路更加简单。将芯片的OSC引脚与VSS相连来使能内部振荡，器件内部可产生多路复用LCD所需的合适偏压。最后将各种电源信号以及所选的LCD电源输入连接好就可完成系统应用的连接。

电源模块

本发明采取12V太阳能蓄电池供电分别为各个模块提供稳定的电压，每个模块所需的电压是经过电源转换模块转换而成，由于GPRS模块在数据发送的时候瞬间电流很大,电源转换模块也提供了足够的功率和必要的保护。本发明为太阳能充电电路选择了开关芯片PMOSFET9392，可以自动的实现关断，从而智能的实现对充电电池的充电。电压转换器采用了MAX1776，它可提供从1.25至24V的输入电压，MOSFET限制在0.4欧姆时可实现内部电流600mA，工作在100%占空比时漏电压为240mV(600mA工作电流)。该芯片具有低静态电流15uA，可提高负载效率，提高电池使用寿命。

远程监测中心

远程监测中心硬件包括了中心计算机、通信处理设备及相关的数据输出设备。为了提高系统的可靠性,可采用双机备份的方式工作，前台计算机进行水情数据的接收和日常的处理操作等,而主机可进行水情数据的后台备份。

附图说明

图1 系统整体结构图；

图2 监测终端结构图。

具体工作流程

1.监测节点系统上电复位，各模块初始化。

2.雨量计传感器进行数据采集并以脉冲形式输出，按照格式要求通过RS-232串行接口将数据传送给监测终端。

3.监测终端通过GPRS模块传送数据分组，通过GPRS网络，把数据送给远程监测中心。

4.远程监测中心的通信处理器将接收到的雨量数据解包，得到的数据同样通过RS-232串行接口送至中心计算机进行存储、分析、处理。如果某处雨量超过安全值，还会及时向有关人员报警。

Claims

1.一种远程雨量监测系统，其特征在于：本发明为无线分布式监测系统，包括雨量传感器、监测终端及远程监测中心三部分；雨量传感器负责采集雨量信息，并将其转化为电信号；监测终端由微处理器、存储模块、GPRS模块、时钟模块及其他外围电路组成,负责管理收集雨量传感器上的状态信息并完成A/D转换，在微处理器的控制下，把雨量信息按照网络协议经GPRS网络传送给远端的远程监测中心；由远程监测中心完成数据的汇总和分析。

2.如权利要求1所述的远程雨量监测系统，其特征在于：所述本发明为无线分布式监测系统，可以实现对各个现场任意监测点的实时监测,完成对监测终端现场的数据接收和实时显示，远程监测中心通过向监测终端现场发送相关配置信息,实现整个系统的管理、数据存储、数据库管理等功能，若某个监测点的降水量达到危险值，会及时做出报警。

3.如权利要求1所述的远程雨量监测系统，其特征在于：本发明采用模块化设计的方法，复杂的功能依靠若干模块的组合来完成，每个模块仅具有相对简单的功能；系统还留有扩展接口，便于系统升级。

4.如权利要求1所述的远程雨量监测系统，其特征在于：本系统设备主要采用太阳能供电，为了尽可能的降低监测终端的功耗，本发明的监测终端平常处于休眠状态，只将对其参与工作的部分保持供电，其他电路处于下电状态，通过定时器控制来实现唤醒，为了及时给监测终端的蓄电池充电，本发明设计了太阳能充电电路，选择开关芯片PMOSFET9392连接至太阳能板两端，可以自动的实现关断，使电池的充电过程更加智能化。

5.如权利要求1所述的远程雨量监测系统，其特征在于：本发明监测终端的安装不受地域限制,可位于通信网络覆盖范围下的任何位置,与数据监测中心的接收机之间的通信相互独立，单个设备的异常并不会影响到整个系统的正常工作，具有较好稳定性，每个监测终端带有状态检测模块，能及时将本站设备的工作状态报告给系统管理人员，从而实现远程诊断、维护。

6.如权利要求1所述的远程雨量监测系统，其特征在于：本发明采用了固定分配时隙的TDMA通信机制，各个监测点均工作在系统分配的固定时隙内，完成采集数据或者设备状态的上报，避免了同一时间内多个站点工作产生的数据碰撞，在降低了系统功耗的同时，提高了系统的可靠性。