李鐵良，彭 剛

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

當今世界進入災難高發(fā)的歷史時期，洪澇災害頻發(fā)。實踐證明：防汛工作的規(guī)范化建設，對迅速處置洪澇災害、減輕災害損失等方面都起到巨大作用。本項目旨在搭建某沿海城市的防汛系統(tǒng)，根據(jù)該城市的地域特點及氣象特征，防汛系統(tǒng)監(jiān)測重點是雨量及水位數(shù)據(jù)，保證雨量、水位數(shù)據(jù)信息的實時性和準確性。從而實現(xiàn)雨量、河道水位采集自動化、標準化，提高防汛資料的時效性和準確度，獲取高質(zhì)量雨量、河道水位信息，減少人工和維護費用，給防汛指揮部門提供時實、準確的數(shù)據(jù)，保障正確即時調(diào)度防汛資源，為促進現(xiàn)代化管理提供條件［1-7］。

1 系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)由18個子站＋1個中心站＋調(diào)試儀組成，其中：中心站由PC機＋工業(yè)手機＋防汛信息采集軟件組成。中心站自動完成各子站信息的接收和處理并建立數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)查詢和輸出；調(diào)試儀便于維護人員現(xiàn)場檢測及初始化子站；子站需自動采集雨量和河道水位，并通過GSM工業(yè)手機上傳至中心站。子站的設計是該項目的核心部分，是決定數(shù)據(jù)信息實時性及準確性的關鍵。本文介紹了基于89C52的防汛系統(tǒng)子站設計。

子站結構框圖如圖1所示。以AT89C52作為控制及數(shù)據(jù)處理核心，系統(tǒng)采用太陽能板為電源，并配有電池及充電保護；由BCD撥碼開關設定水位初值；雨量計及水位計經(jīng)過單穩(wěn)觸發(fā)器向單片機實時發(fā)送數(shù)據(jù)；調(diào)試儀通過RS232接口與子站進行通信；由于測點分散、距離遠等特點，采集的雨量及水位信息通過GSM無線通信模塊完成數(shù)據(jù)遠程傳輸。

圖1系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System components

1.1 工作方式

子站安裝于野外，無人值守自動運行。工作方式有兩種：自動上報和人工呼叫。

（1）自動上報。子站程序根據(jù)設定條件自動將采集到的水位和雨量信息通過GSM工業(yè)手機上報。中心站自動接收子站信息，經(jīng)預處理后自動建立數(shù)據(jù)庫，以供后續(xù)查詢和輸出。

（2）人工呼叫。根據(jù)實際情況需要，工作人員隨時可通過中心站PC機進入人工呼叫狀態(tài)，以向子站發(fā)送SMS短信命令的方式采集即時信息。

子站工作于上述兩種方式時，會將累計水量、水位、電池電壓、觸發(fā)源等信息同時傳向中心站，其基本功能如表1所示。

表1基本功能Tab.1 Basic function

1.2 雨量計

翻斗式雨量計是由感應器及信號記錄器組成的遙測雨量儀器，根據(jù)所測防洪信息的空間特性以及數(shù)據(jù)傳遞方式，本項目選擇DY1090AX型翻斗式雨量計。該雨量計分辨率為1 mm，即降雨滿1 mm動作；雨強范圍0.01～4 mm/min，允許通過最大雨強8 mm/min。

當積水量達到設定值，翻斗失去平衡翻轉(zhuǎn)使開關接通電路，向記錄器輸送一個脈沖信號，記錄器電路將雨量記錄下來，如此往復即可將降雨過程測量下來。該城市年最大降雨量≤800 mm。該雨量為累計數(shù)據(jù)，故選用12位二進制計數(shù)器/分頻器4 040，其單片計數(shù)量M＝212-1＝4 095個。所選雨量計分辨率為1 mm，故單片4 040可累計雨量為4 095 mm。

1.3 水位計

本項目采用WFH-2型全量機械編碼浮子水位計，分辨率為1 cm，測量范圍40 m，12位格雷碼輸出。由于水位計采用格雷碼輸出，但顯示和傳送至中心站的數(shù)據(jù)都不采用格雷碼，因此需要進行碼制轉(zhuǎn)換。

自然二進制碼轉(zhuǎn)換成二進制格雷碼，其法則是保留自然二進制碼的最高位作為格雷碼的最高位，而次高位格雷碼為二進制碼的高位與次高位相異或，而格雷碼其余各位與次高位的求法相類似。自然二進制碼轉(zhuǎn)換成二進制格雷碼的硬件實現(xiàn)法，電路圖如圖2所示。

二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼，其法則是保留格雷碼的最高位作為自然二進制碼的最高位，而次高位自然二進制碼為高位自然二進制碼與次高位格雷碼相異或，而自然二進制碼的其余各位與次高位自然二進制碼的求法相類似。根據(jù)二進制格雷碼轉(zhuǎn)換成自然二進制碼的法則，電路如圖3所示。

圖2二進制碼轉(zhuǎn)換格雷碼電路圖Fig.2 Circuit diagram of Binary code convert to Gray code

圖3格雷碼轉(zhuǎn)換二進制碼電路圖Fig.3 Circuit diagram of Gray code convert to Binary code

1.4 GSM

由于現(xiàn)場安裝條件的限制，考慮數(shù)據(jù)可靠性、安全性等因素，選擇GSM/GPRS作為遠程數(shù)據(jù)傳輸通道。本項目選用WAVECOM M1206（OEM版）工業(yè)手機，為RS-232接口。通過串口將工業(yè)手機固定在一個位置上，配吸盤天線。其優(yōu)點是不需要任何驅(qū)動，適合各種操作系統(tǒng)，吸盤天線的磁力很大，可以吸附在機箱上提供長期穩(wěn)定的GSM信號。

1.5 電源

整套設備自動運行，為無人職守的監(jiān)測系統(tǒng)，需要電源不間斷工作。由于該城市光照充足，本項目采用太陽能電池板做為主要電源，CR2032電池為備用電源。太陽能電池板在太陽光的照射下，其內(nèi)部PN結會形成新的電子空穴對，在一個回路里就能產(chǎn)生直流電流；這個電流流入控制器，同時控制器會發(fā)出指令對蓄電池進行充電。即蓄電池在白天的時候會接受充電，為系統(tǒng)提供電能。太陽能電池板進來后會首先經(jīng)過一個開關連接到直流/直流變換器，即蓄電池充電電路，此變換器的輸出先通過一個保險絲再連接到蓄電池兩端。在此它有2個作用：一是防止太陽能電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電流；二是當太陽能電池板極性接反時起到保護電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓撲結構，拓撲結構的選擇需考慮太陽能電池板最大功率點電壓和蓄電池最大電壓，兼顧效率和成本。

由于具有先進的微功耗設計和應用多種電源控制技術，儀器功耗小，在陰雨天氣下可以保障設備連續(xù)工作2個月以上。系統(tǒng)電源提供2種電壓，I/O口供電電壓為5 V，水位計供電電壓為+12 V，通過78M05將電源穩(wěn)壓至5 V。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 主程序設計

主程序進行系統(tǒng)初始化及創(chuàng)建任務基本流程（圖4）。主控單元的軟件設計主要包括數(shù)據(jù)采集模塊（雨量值和水位值），數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)傳送模塊。主程序開機后不間斷循環(huán)，永不停止，直至掉電。程序在各個部分不會停下來等待某一部分的結果，而是繼續(xù)運行到下一個循環(huán)再來查詢是否得到了相應結果，是則馬上處理，否則繼續(xù)循環(huán)。這種運行機制保證了程序執(zhí)行的準確可靠，尤其對于需要周期性采樣的系統(tǒng)。

圖4主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

2.2 數(shù)據(jù)采集程序

數(shù)據(jù)采集子程序在主程序接收到啟動數(shù)據(jù)采集過程命令字后運行。通過軟件將雨量、水位分時段（日、旬、月）上報。為提高水位采樣信號的真實度，本系統(tǒng)利用程序?qū)λ恍畔⒃诿?0 min連續(xù)采樣5次，然后將采樣值從小到大排隊，再取中間值為真實信號，并將采集到的水位值寫入固態(tài)存儲模塊。雨量計每次翻斗觸發(fā)將降雨時間寫入固態(tài)存儲模塊，并使雨量累計值增量。配置大容量固態(tài)存儲模塊，保證報汛與整編數(shù)據(jù)的一致性。數(shù)據(jù)傳輸，以定時的方式觸發(fā)，每隔1 h報送一次數(shù)據(jù)，利用GSM信道進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 總結

本項目設計的防汛信息采集系統(tǒng)是某沿海城市防汛信息現(xiàn)代化的實際需求，實現(xiàn)了無人值守的自動化、智能化防汛信息采集。該系統(tǒng)自投入使用以來，實現(xiàn)了對雨量、水位的無人化遠程實時監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)準確，并能夠?qū)崟r自動傳輸至中心站，極大地提高了設備安全運行的可靠性，達到了科學預警提高效率。

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