基于单片机的水情自动测报系统设计

姚蓓蓓，常晓敏，窦银科，丁云风

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030000；2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030000)

基于单片机的水情自动测报系统设计

姚蓓蓓1，常晓敏1，窦银科2，丁云风2

(1.太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原030000；2.太原理工大学电气与动力工程学院，山西太原030000)

为满足当前山西省信息化监测管理的需要，结合水情参数监测原理的分析，设计了一款基于单片机技术的实用型水情自动测报系统。该系统以MSP430单片机为控制核心，利用GPRS无线网络，将采集的实时数据传输至监测中心平台进行分析、报警。系统在山西汾河二库使用后表明，其实时性强、数据准确、功耗低、成本低，方便水利部门及时了解水情信息。

水情自动测报系统；单片机；GPRS

0 引 言

水情自动测报系统是基于传感器监测技术、无线通讯技术和计算机网络技术，将河流湖泊水库等流域的水位、雨量等水情数据进行实时采集、存储、传输、处理的水文信息自动化监测系统[1]。它能够及时、准确地掌握江河流域及水库等地区的水情信息，在大大解放劳动生产力的同时提高水情预报速度、扩大水情监测范围，并及时进行洪水预报、防洪调度，对水库的供水、蓄能、灌溉、水资源的合理利用以及水电站的良好运行都具有重大意义。随着信息技术的迅猛发展和水利信息化水平的提高，我国水情监测系统经过多年发展已经在各地取得了不同程度的成果。山西省水利信息化也在不断发展，目前在采集与传输手段等方面还较为落后[2]，且存在水文资源利用不充分，监控管理不集中等问题。

汾河二库作为山西省重点工程，不仅是山西省内建成的第一座混凝土高坝，同时也是以防洪、供水为主，兼顾发电、养殖、旅游等综合效益功能的大(2)型水利枢纽工程[3]，汾河二库为省城太原的防洪安全、工业生产、环境保护提供了不可或缺的保障。目前汾河二库在水情监测方面，仍采用人工读取水尺的方式记录水位变化，并且汾河二库现有的水位标尺已经老旧生锈，不仅耗费人力且测量误差大，不能实时监测水位变化也不利于统一管理，为强化山西水利信息化及现代化发展，进一步加强水文综合监测平台的建设，急需对其进行改造。本文设计了一款以单片机为控制核心，集成水位、水温、冰厚、雨量等采集模块的水情自动测报系统，实现了对水情各项参数的实时监测与远程监控，为汾河二库的防洪度汛决策提供科学依据和技术支持，大大减少了水资源浪费，推动山西水利信息化步伐。

1 水情监测原理

1.1 水位冰厚数据的采集

水情监测中最重要的就是水位的监测，水位的变化不仅影响到水库坝体的受力状态，当地汛期的防洪调度，还会影响水资源的合理利用以及水库的有效运行，为了更好地进行水位监测，本系统选取3种不同测量原理的水位传感器，在进行水位监测的同时进行监测精度的比较，将采集到的实时水位变化与新的水位水尺读数进行大量的相同时间的比对，得到最适宜汾河二库当地监测环境的水位传感器。考虑汾河二库地处峡谷，坝体较高，属于山谷型水库，首先选择量程较大，安装方便的投入式压差液位计，考虑到库底泥沙淤积，量程选取30 m，精度为0.2%，与单片机控制器通过RS232接口相连；第二选择架设在水面上、故障率较低的超声波液位计，量程最大20 m，可根据实测距离进行设定，精度为0.3%，4～20 mA输出，考虑超声波易受气温气压影响[4]，系统加装气温气压传感器，在进行数据后续处理时尽量将最终误差降低至最小；第三选择电容式冰厚水位传感器，夏季监测水位变幅，冬季主要进行水库冰层厚度的测量。设计基础是利用空气、水、冰三者之间介电特性的差异性，在施加激励的同时引起金属电极的电容变化，将电压值经CDC转化为数字量，自上而下检测空气层、冰层、水层不同的数字量段，从而得出分界面，计算得到水位值与冰层厚度[5]。设计量程为4 m，32个芯片均匀分布，每个芯片安装12个金属电极。需要特别注意的是系统多数设备安装在野外，容易受到雷击[6]，需要加装有效的防雷设施。

1.2 水温数据的采集

库区水温测量选用自主设计制作的柔性温度链，芯片采用美国DALLAS公司生产的12位(0.062 5 ℃)分辨率的DS28EA00数字温度传感器，可测温度范围-40～85 ℃，其额外的两个引脚PIOA和PIOB可顺序检测芯片唯一的序列号，大大节省运行时间，保证采集的数据更稳定；温度链全长9 m，均匀分布100个温度敏感元件，由于空气和水面的交汇处温度不同，芯片之间可以传导热量，故芯片排列不需要太密集；温度链与单片机控制板通过RS232接口相连。

1.3 雨量数据的采集

雨量测量采用翻斗式遥测雨量计，盛水口径为Ф(200±0.6)mm，一个斗室的雨量为0.2 mm，可测范围为降水强度≦4 mm/min，精度可达0.1 mm，采用标准Modbus协议，RS485信号输出。

2 系统总体设计

汾河二库水情自动测报系统主要包括单片机数据采集终端、GPRS无线通讯和远程监测平台三部分。该系统具有水情信息自动监测功能、数据处理功能、数据通讯功能、自动报警功能、计算机显示查询功能。各类传感器将采集到的信号传输至单片机控制核心，转换为数字信号后完成对数据的解析；液晶显示器/键盘部分用于完成良好的人机界面，方便工作人员在现场进行设置与查询；SD卡存储模块将每次发送的数据进行存储，完整记录原始数据，方便对历史信息的查询；电源转换模块将220 V交流转化成12 V直流电压，当供电室断电时还可启用太阳能电池供电以维持整个系统的供电稳定；GPRS通讯模块将单片机解析的数据传送至上位机；上位机监测中心可以实现数据的实时查询、超限报警。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构

2.1 单片机数据采集终端

单片机数据采集终端是以单片机为控制核心，将各个传感器采集到的数据进行整理与分析，经由无线通讯发送到上位机监控平台。考虑水情监测系统需要安装在水库岸边且长时间无人职守，系统处理器不仅要求具有高性能的特点，而且功耗要低，以实现对各个传感器的自动控制，同时降低系统整体功耗，并在采集完成后将数据传向远端服务器[7]，本次设计选用的数据控制处理电路硬件是美国TI公司推出的MSP430F5438A型单片机。MSP430单片机最大的特点就是功耗极低，其低压范围为1.8～3.6 V。活动模式在2.2 V、1 MHz时钟条件下，工作电流仅为225 μA，待机模式仅为0.8 μA。CPU采用16位精简指令系统，中断源较多，方便进行嵌套，增加使用的灵活度[8]。同时集成有16位寄存器、常数发生器、十六位定时器Timer-A和Timer-B、大容量FLASH存储器、48个通用I/O引脚等。而且CPU、寄存器和外单片机还有丰富的片内外设，例如看门狗(WDT)、A/D转换模块等，极大地方便了软件的开发、操作、信息交流与数据通信，其工作环境温度要求范围在-40～85 ℃， 足够满足工程运行条件。

终端控制核心的程序设计主要是控制终端模块MSP430下位机的数据采集程序和上位机的数据接收程序。下位机数据采集程序主要包括主函数程序，水位、水温、雨量、气温气压的数据采集子程序和数据处理及存储的程序。MSP430程序编写在IAR编译开发环境下使用C语言进行开发，通过EDA开发工具下载到控制芯片MSP430中。主程序通过中断判断的方式有序控制各个子程序依次运行，程序开始进行初始化设置，当中断触发，程序暂停执行主程序转而执行数据采集子程序，子程序运行结束后恢复现场继续从中断处执行主程序，依次完成水位、水温、雨量数据的采集与发送。在执行中断过程中单片机会多次从时钟模块中查询时间，确保不出现时间误差，按顺序完成数据的采集和发送功能。主程序流程图如图2所示。

图2 主程序流程

根据实际需要，设置单片机每10 min发送一次数据至监控中心，记录实时水位、水温、雨量数据，其中，雨量信息包括瞬时雨量值与日累计雨量值；当水位线超过警戒线时，自动向监控中心平台发送报警信号。

2.2 GPRS无线通讯

本次系统的安装地点选在汾河二库右岸且具有移动网络覆盖，所以数据传输部分选择GPRS无线模块。GPRS技术克服了原有GSM网络在数据传输中的缺点，将数据进行分组分别发送到相应IP地址的接收端，接收端再进行数据的重新组合[9]。GPRS数据业务保证用户永久在线并提供透明无线传输服务，当采集终端上电后，GPRS模块会根据内部预先设定的监控站内网IP地址来访问网络代理服务器，并将数据发送到端口，再由端口映射到监测中心平台，完成一次通讯过程。每次TCP连接建立时，为区分数据来源，第一包首先发送封装了ID的数据包，封装数据格式如下：包头固定为 FE FE FE FE FE，数据段长度nn，数据段设备ID，校验码CS。其中，数据段格式为ASCII，i0 i1 i2…in，长度1≦n≦19；校验码为nn+i0+i1+i2+…+i10所得累加和的低字节。DTU具有标准的RS-232/485接口，方便与单片机控制器连接，进行设置与测试，传输方式有透明传输或协议传输，可提供高速稳定的专用网络通道，无需更改程序就可完成与原串口设备的无线通讯，缩短了开发周期，降低了开发成本。

2.3 远程监测平台

本系统的监测中心软件是由C++语言编写，具有SQL数据库，可以作为子程序被调用，方便远程网络中心的计算机调取数据。软件安装在监控服务器的计算机上，为工作人员提供一个可视化操作界面，首次登陆需要修改IP地址和端口号，完成检测点基础信息的录入。登录系统后可以实现安装监测点的实时展现、历史信息查询、实时监测查询、测点数据详细信息的查看、数据接收状态监测以及各水情参数的列表与图形化统计处理。水位统计包括当前水位值、水位变化幅度、日平均水位、最高水位、最低水位、库容曲线；水温统计包括温度剖面图、水温变化曲线；雨量统计包括日累计雨量、当前实时雨量、降雨次数日/月/年、月/年最大降雨日、平均降雨量。当水位值达到预设的汛限水位、警戒水位、紧急水位时，系统的报警功能启动，提醒工作人员采取相应的预泄措施进行泄洪；若降雨强度超过预定值或日累计雨量过大，报警系统也会发出讯号，方便指挥人员采取适当的调度手段。监测中心数据库最重要的就是根据实际需求进行相关水情数据的显示、查询、保存等功能，需要满足中心平台对数据的调用，方便机房人员全面了解并远程监控水库的水情参数变化。

根据监测平台接收的数据，选取2016年7月1日～7月5日8∶00的水位变化曲线(见图3)，比较不同液位计与水尺读数的差异，从图3可以看出，压差式水位计与水尺读数较为接近，超声波水位计浮动较大。

图3 2016年7月1日～5日水位变化曲线(单位：m)

3 结 语

目前本水情自动测报系统已在山西汾河二库安装使用6个多月，经数据分析，压差式水位传感器采集误差不超过±0.04 m，超声波液位计最大误差0.09 m，电容式冰厚水位传感器采集误差不超过±0.05 m，试验证明本系统具有及时、稳定、安全、精确，集成度高，成本低的特点，在全省范围内的河流、湖泊等地具有广泛的推广使用前景，可有效提高工作人员工作效率，提前预报洪水灾害，保证水库安全运行，减少不必要的损失，同时可更好地利用水资源，充分发挥水库效益[10]。系统在运行过程中还有一些细节需要改善和提高，例如温度链被鱼类啃咬的问题、超声波水位计受风力影响的问题等。随着科学技术的普及与发展，该系统将日趋完善成熟，不断满足水利部门的需要，为辅助制定防汛决策提供数据支持，进一步提高水库的现代化管理水平。

[1] 朱青, 张兴敢, 柏业超.一种多功能水情自动测报系统设计[J]. 现代电子技术, 2011, 34(3)： 137- 140．

[2] 白辰曦. 山西省水文信息监测管理系统的设计与开发[D]. 太原： 太原理工大学, 2010．

[3] 张屹云, 杨晋峰. 汾河二库旅游事业发展前景[J]. 山西水利科技, 2001(141)： 21- 22．

[4] 安全, 范瑞琪. 常用水位传感器的比较和选择[J]. 水利信息化, 2014(3)： 52- 54．

[5] 窦银科, 常晓敏, 敦卓, 等. 电容感应式冰厚监测系统在南极海冰监测中的应用[J]. 数学的实践与认识, 2014, 44(4)： 197- 204．

[6] 马洪连, 李龙, 芦良鑫. 水情自动监测终端的设计与实现.[J].仪器仪表学报, 2007, 28(4)： 274- 276．

[7] 王飞飞, 李玮瑶. 基于单片机的水位监控系统的设计与实现[J]. 电子设计工程, 2015, 23(13)： 135- 137．

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[9] 赵裕峰.基于GPRS和PLC的水库远程监控系统的研究与实现[D]. 乌鲁木齐： 新疆大学, 2014．

[10] 张虹飞.漳泽水库水位计监测系统综述[J]. 山西水利, 2009(3)： 77- 78．

DesignofWatershedAutomaticHydrologicalForecastSystemBasedonSingleChipMicrocomputer

YAO beibei1, CHANG Xiaomin1, DOU Yinke2, DING Yunfeng2

(1. College of Hydraulic Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2. College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China)

In order to meet the demand of Shanxi Province on information management at current, a practical watershed automatic hydrological forecast system based on single chip microcomputer is designed based on the analyses of hydrological parameter monitor theory. The system takes MSP430 single chip microcomputer as the core and sends real-time data by using GPRS network to monitoring center platform for analyzing and alarming. The application of the system in Fenhe II Reservoir, Shanxi Province indicates that the system has the features of high real-time, accurate data collection, low power consumption and low cost. It can facilitate water resources department to keep abreast of hydrological information．

watershed automatic hydrological forecast system; single chip microcomputer; GPRS

P335

A

0559- 9342(2017)09- 0093- 04

2017- 02- 10

山西省水利科学技术研究基金项目(201402)；国家青年基金项目(41606220)

姚蓓蓓(1992—)，女，山西五台人，硕士研究生，研究方向为水信息检测技术．

(责任编辑焦雪梅)