防堵塞降雨量实时监测系统设计

陈木生　卢文杰　曾永西　蔡植善

摘 要：设计一种能够自动防堵塞的降雨量测量系统.系统主要由防堵塞装置、降雨量测量装置、控制装置、数据传输、电源等组成，能够自动实时采集降雨量并通过GPRS模块上传到云平台，有利于数据的分析和共享.实验结果表明，该系统具有较强的防堵塞功能，适用于野外降雨量测量.

关键词：降雨量;防堵塞;实时监测;云平台

[中图分类号]TP202   [文献标志码]A

Design of Anti-clogging Real-time Rainfall Monitoring System

CHEN Musheng*，LU Wenjie，ZENG Yongxi，CAI Zhishan

（College of Physics and Information Engineering，Quanzhou Normal University，Fujian 362000，China）

Abstract：A rainfall measurement system that can automatically prevent clogging was designed，which mainly included anti-clogging part，rainfall measurement，control part，data transmission，power supply and other parts.It could automatically collect rainfall in real time and upload it to the cloud platform through GPRS module，which is beneficial to the analysis and sharing of data and improves the reliability and utilization values of the data.The results showed that the system had a strong anti-clogging function and was more suitable for rainfall detection in the field.

Key words：rainfall;anti-clogging;real-time monitoring system;cloud platform

雨量信息的实时性和准确性是防汛抗旱正确指挥的前提，及时准确地获取降雨量信息可以帮助指挥部门实施有效的监控和预警.[1]目前，气象观测中常用翻斗雨量计测量降雨强度和降雨量，其在野外工作时容易被异物堵塞导致不能正常工作[2-3]，在偏远地方还需解决野外供电和数据远距离传输存储等问题.[4-5]为解决这些问题，本文设计一种防堵塞降雨量实时监测系统，该系统在探测到降雨时打开测量仪上的挡板测量降雨量，雨停时自动关闭挡板，避免测量仪被堵塞，从而提高系统测量的准确性;采集的数据通过GPRS模块发送到云端[6]，便于数据的查询和共享，方便不同用户的使用，提高数据的可靠性和利用率.

1 防堵塞雨量测量仪结构

防堵塞雨量测量仪主要由防堵塞装置、降雨量测量装置、控制装置、数据传输、电源等组成，系统结构如图1所示.防堵塞装置由雨滴模块、舵机和对应的机械结构组成.数据处理及控制部分由单片机完成.单片机控制舵机的闭合和打开，将采集的降雨量信息通过SIM900A发送到远程的云端.供电部分由太阳能基板、蓄电池、降压电路和电池管理模块组成.

2 硬件系统和电池管理模块

雨滴传感器有两个端口，当没有降雨时，端口两端断路;如果板上雨水到达一定量时，两端会导通.

舵机由齿轮组、马达、电位器、电机控制板和壳体组成.系统中使用的舵机具有以下优点：一是控制简便，只需要控制单片机发出脉冲的宽度变化就可以控制舵机旋转角度的变化.脉冲宽度为1.5 ms时，舵机转动角度为135度;当脉冲宽度逐渐减少到0.5 ms时，转动角度逐渐转到0度;当脉冲宽度逐渐增加到2.5 ms时，转动角度逐漸转到270度.二是位置闭环，当盖子被风吹起来时，会自动恢复到原来的角度.

电源管理模块由TC4056A和MT3068组成，电路如图2所示.为了提高装置的续航能力，利用输出电压为18 V的太阳能基板为电池充电.端口PROG接入一个1.2 k电阻控制电流输出.由于锂电池的电压为4.2 V且随着电量的减少会下降，故采用MT3068升压并将其电压稳定在5.0 V.输出电压值可由电阻的组合来调整，为舵机和SIM900A供电，经降压模块输出3.3 V电压给单片机供电.[7]

3 软件部分

3.1 控制部分

系统启动时控制舵机使挡板关闭，防止在刚安装好设备时，盖子未盖好异物的进入.初始化完成后通过AD检测判断是否降雨，降雨时打开盖子并发送一个降雨信号给上位机，雨停时则发送停雨信号和雨量数据给上位机，然后闭合盖子.该方法减少了雨量仪漏斗裸露在外的时间，可有效防止异物进入雨量测量仪，提高测量的精度.同时，系统自动将测量的降雨量信息通过GPRS模块传输到云端，在云端完成数据的存储和分析.

3.2 上位机部分

上位机采用Windows Socket通信，GPRS的接收端与降水监测软件之间采用C/S结构.接收防堵塞雨量测量仪信息的程序流程为：

（1）开启Socket：设定通信参数及通信时间、建立起读写时间.

（2）侦听：程序处于堵塞状态，在等待防堵塞翻斗式雨量测量仪发出的连接信号，收到信号就和仪器建立连接.

（3）数据传输：借助Socket来进行通信.

（4）关闭Socket：释放资源.降水检测程序流程见图3所示.

4 系统测试结果

雨量传感器的阈值为0.3 mm/min，利用本系统对降雨量进行测量，结果如表1所示.从表1中可以看出，当降雨量小于0.3 mm/min时，挡板关闭;当降雨量大于0.3 mm/min时，挡板开启对降雨量进行测量，并将结果通过GPRS模块发送到云端.结果表明：系统稳定，可靠性高，具有防堵塞功能，适用于野外降雨量测量.

5 结论

针对降雨测量仪在野外工作的特定需求，研究一种防堵塞降雨量实时监测系统.该系统通过雨滴传感器设定阈值判断是否降雨，并基于降雨信息控制舵机驱动活动挡板运动，在无雨时遮住降雨量测量仪，在降雨时将其打开，既不影响雨量计的正常工作，又可以减少其漏斗裸露在外的时间，大大减小异物堵塞的概率及其对雨量计的影响，提高降雨测量仪的准确性.降雨测量仪可以将数据通过GPRS传到云端进行存储、分析，能够提高数据的可靠性和利用率.该系统适用于野外的降雨量的测量，有利于提高测量的精度.

参考文献

[1]Yudhana A，Andriliana Y D，Akbar S A，et al.Monitoring of Rainfall Level Ombrometer Observatory Type using Android Sharp Sensor[J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications，2019，10（11）：360-364.

[2]藺潇.基于压电技术的降雨测量方法研究[D].北京：北京交通大学，2019.

[3]蒋冬雁，李伟雄，杨丽丽，等.雨量仪器使用中常出现的问题及解决方法[J].气象研究与应用，2019，40（3）：117-118.

[4]邓树荣，邓苏花雨，范方福，等.SL3-1型翻斗式雨量感应器漏斗疏堵装置设计[J].农业灾害研究，2018，8（4）：50-53.

[5]陈翠，胡春杰，阮聪，等.一种水雨情实时监测系统与设计[J].水力发电，2020（3）：21-23.

[6]谭峰，薛龄季轩，姜珊，等.基于云平台的棚室环境远程监控系统[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版，2017（2）：6-10.

[7]慕灯聪，李峥，朱旋.基于STM32的火电厂空气质量无线监测系统设计[J].牡丹江师范学院学报：自然科学版，2020（4）：23-26.

编辑：吴楠

收稿日期：2020-12-28

基金项目：福建省自然基金项目（2019J01736）;泉州市科技计划项目（2018Z031;2019N115S）;教育部产学合作协同育人项目（201810320003）;博士科研启动基金项目;教育厅中青年科研项目（JAT190504）

作者简介：陈木生（1980-），男，福建泉州人.教授，博士，主要从事信号处理和数据融合研究;卢文杰（1997-），男，福建三明人.学士，主要从事电子技术研究;曾永西（1980-），男，福建漳州人.讲师，硕士，主要从事电子技术研究.

通讯作者：陈木生