一种自动排水的称重式遥测雨量计设计与实现

李 博

(辽宁省大连水文局，辽宁 大连 116023)

目前，国内外测量降雨量的方式主要包括以下几种[1]，虹吸式测定雨量、翻斗式测定雨量和称重式测定雨量等。其中，虹吸式雨量计在我国最先推广使用，主要应用于基层水文站。但随着信息传输自动化的发展，其无法实现自动采集和远程传输的缺点越来越明显，已逐步淘汰，取而代之的是翻斗雨量计和称重式雨量计等自动采集传输设备。翻斗雨量计是目前我国应用最为广泛的遥测雨量计，运行较为稳定，但其同样具有很多影响因素影响到其测量精度，例如，在翻斗口有异物堵塞时，或者翻斗不灵活时影响数据精度；更为严重的是当雨强超过特定值时翻斗翻转不及时，造成雨量数据丢失，严重影响降雨量的准确测定及水文资料统计。近年来，少部分地区采用称重式雨量计，该雨量计主要优点为收集到的雨量不丢失，测量精度较高，缺点是现有的称重式雨量计没有有效的解决自动排水问题(通过人工排水)，增加了人为干预因素，影响了测定精度。如能很好的解决上述问题，称重式雨量计将会是遥测雨量计的发展方向。

1 总体设计

称重式遥测雨量计主要由雨量筒，太阳能基板，蓄电池，特制漏斗，储水漏斗、水泵，数据采集箱等组成，如图1所示。雨量筒设计高度为70mm，用于收集雨水。筒内最上方安装一个储水漏斗，在储水漏斗和三通之间的胶管上安装一个单向截止阀，目的是收集到的雨水只可以从上向下流，不能反向流动；三通中间端接排水管，排水管出口处设计在高于储水漏斗的雨量筒壁上，可以防止雨水从储水漏斗下来误入排水管造成降水丢量现象。三通下端通过进水管下接水泵，水泵接数据采集箱，悬于储水桶内，水泵的吸水管位于侧面。用于盛水的储水桶固定在称重托盘上，托盘下连称重传感器。

正常运行时从雨量筒收集到的雨水经特制漏斗、储水漏斗、三通及水泵进入储水桶，由称重传感器称出重量，数据采集箱将称出的雨水重量换算成20cm口径雨量计降水的高度，每分钟测量、存储一次。

当储水桶中雨水达到设定高度时，数据采集箱得到指令，触发水泵通电运转，由于压力的作用推动活门使截止阀关闭，外部雨水暂时存在储水漏斗中，储水桶内的水经三通通过排水管排出。

排水时长设有两个阈值，一是时间，二是储水桶内剩余水量。排水时，数据采集箱实时检查储水桶内的水量，同时启动数据采集箱中的定时器，当水量小于设定值时，停止排水，如果排水时间超过设定时间40s时，强制停止排水，关闭水泵，截止阀自动打开。排水的整个过程中数据采集箱会停止降水量计算，而时间及短信功能正常工作。

排水停止时，数据采集箱会自动读取和记录一个高度，用来设定下一分钟高度起始值，暂时存在储水漏斗内的雨水进入到储水桶，被记录到下一分钟量内的降水量，如此循环。

每次测量后，采集的数据会分别存储在数据采集箱中单片机内部的EPPROM芯片和存储模块的SD卡内，保证了数据的安全，同时也方便数据的调取及备份。另一方面运用数据采集箱中短信模块中的SIM卡，通过GPRS传输信道将收集到的降水数据传输到接收平台。

蓄电池负责整个雨量计的供电，太阳能基板负责对其充电，保证蓄电池输出电源的稳定持续性。通过电源稳压模块，给水泵、存储模块、短信模块、时钟模块、LED显示屏、单片机、D/A转换模块等供电。

图1 总体设计图

2 硬件设计

系统的硬件电路[2]包括称重传感器模块、A/D模块，电源模块，MCU Arduion主控芯片模块，SD卡模块等。整套硬件系统除了量筒和称重传感器等设备外，其余模块都在数据采集箱内。如图2所示。

图2 系统连接图

数据采集箱中以Arduion单片机为核心，负责将采集到的数据存在内部的EPPROM芯片和存储模块SD卡内，保证数据的安全和调取，其它模块都与其相连。存储模块的引脚CS、SCK、MOS、MIS通过电路板导线分别连接到单片机的51、52、53、54引脚，用于实现实时数据存储；时钟模块的引脚D、C通过电路板导线连接到单片机的SCL、SDA引脚，负责实现时钟计时；LED显示屏的引脚CLK、MOSI、RE、DC、CS通过电路板导线分别连接到单片机的A0～A4引脚，也可以通过LED显示屏输出端外接显示屏查看单片机的运行信息；D/A转换模块的引脚DAT、CLK通过电路板导线连接到单片机的A12、A13引脚，用于实现信息收集分析，同时D/A转换模块通过传感器输出端经过屏蔽导线连接到称重传感器；继电器模块是一个被指令部件，单片机通过A5引脚连接继电器模块的SIG引脚控制其工作；短信模块外接天线，同时通过URX、UTX引脚经电路板导线与单片机的TXO、RXO引脚相连进行数据交换。如图3所示。

图3 数据采集箱内部图

3 软件设计

Arduino单片机开发环境基于ArduinoIDE，所用编程语言为C++语言，流程如图4所示。

3.1 初始化部分

上电开始先检查SD卡，SIM卡是否准备就绪，如未准备好或不可用，便重启单片机；准备完成后进入排水检测，如果装置内有水，启动排水，将装置内水排空并记录当前高度h1。然后进入程序主循环内。

3.2 程序循环主体

(1)先通过DS3231时钟模块获取时间。当时间变化超过1min时读取高度，记录高度h2，然后计算1min前后的高度差h=h2-h1，便是1min的降水量。然后读取EPPROM0内的数据h3(初始时该数据为0)，然后将h3与h相加，再存入EPPROM0(这样做的好处是使数据掉电后可以保存，若直接存入单片机内掉电后数据会全部清零，影响测量精度)，存入SD卡。然后将h2的值赋予h1，将h2作为下1min的起始值。

图4 程序流程图

同时引入变量aa，每经过1min aa加1，当加到30min时检查排水，有水则排，无水返回。即设定30min排一次水。

当时间变化超过一小时时，检测SIM卡联网情况，如果联网异常，重启单片机。

当时间等于8∶00时。统计这一天的数据，将EPPROM0内的数据读出，写入对应的以星期命名的存储器。同时写入SD卡。

(2)检查是否收到短信，如果有短信，便将EPPROM内的数据读出，同时将数据发送出去。

(3)整个过程结束后，将时间及所测数据通过LED屏幕显示出来。

4 实验数据分析

将本次设计研究的称重式遥测雨量计于2017年5月末安装在9处雨量站，经过汛期实验，分别选取典型场降雨和整个汛期降雨做人工对比分析如下。

(1)场次降雨对比

表1 2017年8月3日8时～4日8时场次降雨对比表

(2)整个汛期降雨对比分析

表2 2017年6月1日～9日20时汛期降雨对比表

从表1和表2可以看出，本次研究的称重式遥测雨量计测量雨量数据与人工测量数据无论是从场雨还是整个汛期降雨层面上，误差都基本控制在5%以内，尤其在场雨上更为精准，该雨量计达到了气象仪器中雨量计的设计标准[3]。

5 结语

本文研发的称重式遥测雨量计，改变了传统称重式雨量计不能自动排水或排水不及时造成降水测量数据不准确的弊端，同时该仪器结构简单，运行成本低，在通过一年来的实际降雨实验过程中，测量精度较高，符合普遍推广的条件，今后重点工作将逐渐转移到设备耐腐蚀、防冻防晒、通信稳定程度等一系列实验工作上。

[1] DSC3称重式降水传感器用户手册[Z]. 天津华云天仪特种气象探测技术有限公司, 2014.

[2] 唐慧强, 匡亮, 施珮. 基于WSN的高精度称重式雨量计设计[J]. 测控技术, 2014, 33(05): 1- 4.

[3] 刘军, 赵青义, 魏运芳, 等. 雨量传感器检定/校准装置对比与探讨[J]. 气象水文海洋仪器, 2014(01): 23- 25.

[4]王芳. 浅析自动与人工雨量观测数据的差异[J]. 贵州气象, 2006(04).

[5]徐杰, 周天雄. 实测降水与自动站降水的对比分析[J]. 科技资讯, 2012(20).