史珊海 陶明 李志梅

（廣東省智能制造研究所）

基于無線的翻斗式雨量計采集方法開發(fā)與應(yīng)用

史珊海 陶明 李志梅

（廣東省智能制造研究所）

提出一種翻斗式雨量計采集方法，通過無線采集器將雨量脈沖計數(shù)傳輸?shù)胶笈_進行數(shù)據(jù)分析處理，使翻斗式雨量計較準確采集降雨起止時間、小雨降雨量等，并解決數(shù)據(jù)上傳問題，降低成本。最后通過與現(xiàn)有雨量計采集方式對比，證明本文采集方法具有一定的可靠性。

翻斗式；雨量；采集方法

0 引言

翻斗式雨量計的工作原理是承雨器將雨引到翻斗，雨達到一定量時，翻斗反轉(zhuǎn)，致使干簧管通斷產(chǎn)生一次脈沖信號。大多數(shù)翻斗式雨量計以雨量計數(shù)脈沖開始輸出時間作為降雨開始時間，采用延時方法，若計數(shù)脈沖在設(shè)定時間內(nèi)無增加，則認為降雨停止。目前，降雨等級根據(jù)12 h或24 h降雨總量進行劃分[1-2]。小雨時，出現(xiàn)斷續(xù)的雨強柱形圖，不能很好地反映降雨情況，還可能出現(xiàn)正在下雨，但雨量計讀數(shù)為零的情況，如圖1所示。統(tǒng)計時間過長和斷續(xù)情況可能給數(shù)據(jù)實時分析帶來一定缺陷，甚至帶來控制擾動。

圖1 雨強計算柱形圖

此外，目前應(yīng)用較多的翻斗式雨量計采集方式為PC接變送器，再連接雨量計或通過變送器連接雨量計進行采集分析存儲。對于多站點，由于雨量采集點分布范圍廣，一般采用人工U盤拷貝提取數(shù)據(jù)或PC端通過有線形式上傳，再集中到主PC端處理。這種方式的缺點：變送器端采用的通信協(xié)議一般為廠商開發(fā)協(xié)議，不公開；有線模式成本較高；人工提取模式不適用于實時采集控制。

本文提出一種基于無線的翻斗式雨量計采集方法。無線采集器采集對應(yīng)端口的雨量計計量脈沖后，將數(shù)據(jù)無線傳輸至中心服務(wù)器，由服務(wù)器統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理分析。剔除雨量計變送器表頭，雨量計脈沖輸出信號輸入到無線采集器，全過程自動化，無需人工現(xiàn)場拷貝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)自動上傳。無線采集器傳輸采集數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，采用標準的Modbus TCP協(xié)議。系統(tǒng)架構(gòu)采用一主多從分布式形式。主機為自主開發(fā)應(yīng)用軟件，具有OPC功能，部署在中心服務(wù)器上；從機為分布式遠端無線采集器，實現(xiàn)雨量計計量脈沖的采集，并按照指定協(xié)議被動上傳至中心服務(wù)器進行處理。雨量數(shù)據(jù)分析處理、存儲等功能由部署在服務(wù)器上的Modbus主機應(yīng)用軟件完成，實現(xiàn)多雨量采集點統(tǒng)一采集管理[3-5]。

1 采集原理分析

雨強換算公式為

其中，Q為降雨量；ΔT為兩次讀取計量脈沖的時間差；K為雨量計分辨率；C為當前計量脈沖；C′為上一次計量脈沖。

適應(yīng)于戴維斯曲線的雨滴下落速度和雨滴直徑的經(jīng)驗公式[6-7]其中，A0、a、n均為常數(shù)，分別取943、1.77和1.147；雨滴直徑d單位為mm；速度V0(d)單位為cm/s。

假設(shè)雨滴直徑為0.1 mm，且均勻分布。忽略氣候條件，并假設(shè)雨滴在單位體積空氣中的含量由溫差造成進行推算。單位時間（每分鐘）內(nèi)，能匯聚到雨量計中的雨水質(zhì)量mm為

其中，V0(0.1)為直徑0.1 mm雨滴下落雨速；D為雨量計承雨器直徑；mΔT為因溫差造成單位體積所含液體水滴的質(zhì)量。

當D取0.01 mm時，參考廣州近年天氣年報[8]的相關(guān)溫濕度數(shù)據(jù)，推算雨量計觸發(fā)一次脈沖約需7.9 min。匯水區(qū)域所產(chǎn)生的徑流雨量經(jīng)驗計算公式為

其中，φ為修正系數(shù)，此處可粗略取1；A為匯水面積，此處為本文研究覆蓋區(qū)域；i為雨強[9-10]。

經(jīng)計算雨量為15.624 m3，僅約為該時間內(nèi)生活污水量的1.9%，因此7.9 min可間接作為限值。

翻斗式雨量計翻斗動作次數(shù)最多每分鐘40次，因此雨量計極限有效計數(shù)值為40。但由于信號傳輸延時可能會造成計數(shù)誤差，取1.2的安全系數(shù)。

2 計量方法

根據(jù)采集原理分析，設(shè)計如圖2所示計量程序流程圖，進行雨量計采集脈沖的分析處理，輸出和存儲雨強和雨量數(shù)據(jù)。

圖2中，C、C1分別為當前和上一次脈沖計數(shù)值，Q為雨量值，Q1為中間變量。采用數(shù)字濾波方式，濾除對計量影響可忽略的值。雨強換算根據(jù)前8 min的計量值分析小雨或暴雨情況，若為小雨則取此時間的平均雨強。

雨量計計量脈沖由無線采集設(shè)備以累加計數(shù)形式采集。脈沖計數(shù)值乘分辨率即為雨量。雨量數(shù)據(jù)采集以時間觸發(fā)機制來實現(xiàn)自動采集，因此采集到的實時單位時間雨量即為當前計數(shù)脈沖值減去上一次計數(shù)脈沖值，再乘雨量計計量分辨率（0.1 mm/pulse）。

計數(shù)脈沖值轉(zhuǎn)換為單位時間雨量后，根據(jù)采集原理分析得到的修正后翻斗式雨量計翻轉(zhuǎn)動作頻率極限值，進行第1次數(shù)字濾波，排除不實際大值干擾。

將連續(xù)8 min采集的雨量數(shù)據(jù)按時間序列排列，建立一個八維矩陣Qn=[Q1,Q2,…,Q8]。雨量值以先進先出的方式進入矩陣Qn，按(5)式進行矩陣運算。

當C值從0跳變?yōu)榉?時，說明采集到有效雨量數(shù)據(jù)，且滿足不小于最低雨量限值要求，此時矩陣中Q8降雨量對應(yīng)的采樣時間為降雨開始時間。當C值從非0跳變?yōu)?時，此時矩陣Q1降雨量對應(yīng)的采樣時間為降雨停止時間。

根據(jù)Qn中各元素值特征，進行變權(quán)值滑動平均濾波，將小值進行平滑化。

若Qa≠0，Qb≠0， Qa、Qb是矩陣Qn中按時間序列排列的雨量值，且0≤a＜b≤8。

圖2 計量程序流程圖

其中，Δ≤b-a為變權(quán)值；Qa+Δ為數(shù)字濾波后雨量平滑化值。

最后進行雨量值更新，將小雨情況下雨量計計量的突變值平滑化，并將單位時間雨量數(shù)值轉(zhuǎn)換為12 h制和24 h制的標準制雨強[10]，存儲到數(shù)據(jù)庫。

3 應(yīng)用案例

在某市政大樓頂安裝的雨量計如圖3所示，目前已正常運行半年。

圖3 雨量計安裝圖

采用本文計量方法，與某市政大樓樓頂之前安裝的帶變送器的雨量計進行比較。本計量方法能平滑化雨量計量，如圖4所示優(yōu)化柱狀圖。比較圖1，圖4可直觀反映小雨情況。

圖4 雨量計計量優(yōu)化柱狀圖

4 結(jié)語

采用本文計量方法進行實時雨量采集，可較好、較穩(wěn)定地進行雨量計量和雨強分析，能濾除人為灑水和微小值（霧水結(jié)露等）影響，提高計量準確度。同時采用無線采集傳輸方式，實現(xiàn)實時傳輸，節(jié)省人力，節(jié)約成本。

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The Study and Application of Wireless-Based Tipping Bucket Rain Gauge Acquisition Method

Shi Shanhai Tao Ming Li Zhimei
(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

A method of collecting bucket rain gauge data is proposed, which is used to transmit the rainfall pulse count to the background through the wireless collector, and the data is analyzed and processed by the background software. The tipping bucket rain gauge acquisition method is accurate and the rainfall start and end time, rain and rainfall are collected relatively accurately and the data uploading problem is solved. The achievement of the method cost lowly. Finally, by comparing with the existing rain gauge collection method, it proves that the developed acquisition method has certain reliability.

Tipping Bucket; Rainfall; Acquisition Method

史珊海，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向：自動化控制和算法。E-mail: sh.shi@giim.ac.cn