海島雨量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

宋廣軍，田苗苗

（浙江海洋大學數(shù)理與信息學院，浙江 舟山 316022）

海島雨量監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

宋廣軍，田苗苗

（浙江海洋大學數(shù)理與信息學院，浙江 舟山 316022）

為了實現(xiàn)沿海附近山體、島嶼等地區(qū)降雨量的遠程無線實時監(jiān)測，設計了一套基于ZigBee和GPRS無線通信技術，適用于海島的雨量實時采集監(jiān)控系統(tǒng)，實時將多個地區(qū)雨量數(shù)據(jù)通過Zigbee組網經GPRS遠程通信傳回監(jiān)測中心，從而使監(jiān)測人員及時了解降雨情況，并做出決策。

海島；雨量監(jiān)測；ZigBee；GPRS

目前，我國水情自動遙測技術水平不斷提高，但是對于沿海島嶼而言，各個監(jiān)測點往往分布廣、距離遠、數(shù)量多，部分監(jiān)測點位置偏僻，這些特點使得數(shù)據(jù)的傳輸在安全性、準確性以及實時性等方面存在較大的問題。由于受沿海多變的氣候條件影響，海島監(jiān)測點也容易出現(xiàn)故障和損壞、維護難度較大。為了降低開發(fā)和維護成本，提高水情監(jiān)測的準確性和安全性，研究開發(fā)了一種對雨量的情況進行及時監(jiān)測和分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)結合ZigBee和GPRS技術可進行多點分布式協(xié)調工作，適用于海島水情監(jiān)測，為監(jiān)管部門提供多層次信息管理和決策支持手段。

1 系統(tǒng)功能和結構設計

1.1 系統(tǒng)功能設計

雨量監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)了對雨量信息進行自動采集，自動傳輸，自動存儲，可以實現(xiàn)對各地區(qū)、島嶼等雨量的實時采集和監(jiān)測，并將信息實時的發(fā)送至遠程的監(jiān)測中心，便于監(jiān)測人員對各地區(qū)雨情的分析與統(tǒng)計，從而及時了解各地的降雨情況，對存在的潛在風險及時給出預警和決策。

ZigBee技術是一種具有短距離、低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本、低時延等特點的雙向無線通信技術。將Zig?bee技術應用于雨量監(jiān)測系統(tǒng)的設計中可以較好地提高系統(tǒng)性能，并降低成本。GPRS模塊是遠程傳輸模塊，彌補了Zigbee模塊通信傳輸距離過短的問題。雨量傳感器采集到各個監(jiān)測點的雨量信息通過單片機主控系統(tǒng)的處理后，經過CC2530模塊（Zigbee模塊）無線傳輸自組網將各個地區(qū)收集到的數(shù)據(jù)經GPRS模塊傳送至監(jiān)測中心，便于監(jiān)測人員對數(shù)據(jù)進行實時的統(tǒng)計分析。

系統(tǒng)設計的基本要求：①數(shù)據(jù)的采集要具有高度準確性以及實時性。②穩(wěn)定且持續(xù)的外部電源供電。③通過上位機可以了解到Zigbee模塊實時采集傳輸?shù)椒掌鞯慕邓繑?shù)據(jù)的變化情況。

1.2 系統(tǒng)整體框架設計

本系統(tǒng)下位機節(jié)點采用翻斗式雨量傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，并通過Zigbee與GPRS模塊傳到上位機的雨量監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 雨量監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構

2 硬件電路設計及工作原理

從圖1的系統(tǒng)結構圖可知，該雨量監(jiān)測系統(tǒng)包含信息采集模塊，單片機主控系統(tǒng)及時鐘模塊，Zigbee模塊，GPRS模塊，服務器監(jiān)測中心。

2.1 系統(tǒng)整體硬件設計

系統(tǒng)采用的是AT89C51單片機與Zigbee進行串口通信從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸[2]。整體硬件電路設計由雨量傳感器輸出的信號連接單片機通過串口與Zigbee模塊連接，將數(shù)據(jù)由Zigbee無線傳輸模塊傳輸至終端Zigbee模塊。Zigbee網絡終端節(jié)點把所有整合到的數(shù)據(jù)傳輸至GPRS模塊上，GPRS經遠程傳輸至與電腦進行串口通信的終端GPRS模塊上，并通過串口將接收到的數(shù)據(jù)以各種形式在中心服務器界面上顯示。

2.2 信息采集模塊

系統(tǒng)采用雨量傳感器模塊測量雨量的大小，該模塊的信號輸出線連接至單片機引腳即可。當雨量在雨量傳感器的翻斗中積累到了一定量，翻斗便會將水排出，根據(jù)該翻斗式雨量傳感器的規(guī)格，觸發(fā)一個翻斗落下時的雨量為0.5mm，記錄兩次翻斗觸發(fā)的相隔時間，由此得出雨量的大小。當然由于外界因素與人為操作失誤導致雨水泄露、雨水殘留、裝置變形等原因使測量時可能產生隨機誤差。

2.3 ZigBee模塊

系統(tǒng)的Zigbee模塊是采用TI公司研發(fā)的CC2530為無線傳輸模塊的主芯片，符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz射頻發(fā)射器，用來實現(xiàn)ZigBee應用的單片RF收發(fā)器。為了增加通信距離，系統(tǒng)中采用CC2530和CC2591相結合的設計增加了RF發(fā)射功率。本系統(tǒng)的無線網絡拓撲結構采用樹型結構[3]。

2.4 GPRS模塊

通用無線分組業(yè)務技術,簡稱GPRS(General Packet Radio Ser?vice),是一種以GSM為基礎的數(shù)據(jù)傳輸技術。它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA通道進行數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)選用SIMCOM推出的sim900a模塊，它是一個雙頻GSM/GPRS通訊模塊。sim900a采用省電技術設計，內嵌TCP/IP協(xié)議，方便數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的軟件設計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件負責完成雨量水位等信息的采集發(fā)送。由監(jiān)測中心向指定地區(qū)監(jiān)測點發(fā)出啟動命令后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點上電啟動，首先進行各部件初始化，并且啟動定時器。由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點是根據(jù)需求，每隔一段時間檢測一次數(shù)據(jù)，所以要進行采樣頻率的設定。當初始化參數(shù)設定好后，數(shù)據(jù)采集節(jié)點開始采集數(shù)據(jù)，然后進行存儲以及發(fā)送。當數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，如果已經到達設定好的采樣時間，則繼續(xù)采集保存并發(fā)送數(shù)據(jù)，否則的話一直處于等待狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)上位機軟件設計

遠程監(jiān)控中心軟件包括一個人機交互界面，具有實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)分析及查詢等功能。將各雨量監(jiān)控點傳來的雨量數(shù)據(jù)信息都存放于服務器的實時數(shù)據(jù)庫中進行處理，分析整理后存入歷史數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)能夠顯示實時的根據(jù)雨量水情況給出分析結果和報警信息，同時生成雨量水位監(jiān)測報表，該中心系統(tǒng)功能包括：實時數(shù)據(jù)顯示，用戶管理，數(shù)據(jù)報表查詢，歷史數(shù)據(jù)查詢，設備管理，報警設置。

4 實驗測量及硬件調試

由于實驗測量環(huán)境的限制，系統(tǒng)的設計與制作完成后，在實驗室條件下進行模擬降雨的實驗。由人工模擬降雨，流入翻斗式雨量傳感器。收集流出的雨水，記錄相鄰兩次翻斗之間的時間間隔（時間間隔越短說明雨量越大），計算出實際雨量的大小，按照不同的時間間隔，反復進行多組實驗測試，再由相應系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)進行比對獲得系統(tǒng)測試誤差。表1為其中一組測試數(shù)據(jù)結果。

由于該雨量傳感器的最大測量值為8mm/min,所以表1中第九組數(shù)據(jù)的降雨強度超過了雨量傳感器所能測量的最大測量值，所以第九組數(shù)據(jù)無效。

表1 模擬雨量測得的數(shù)據(jù)

誤差分析：

（1）手動測量的過程中會使水量有所損耗。

（2）實際測量時用的雨量計本身存在誤差，并且在讀數(shù)時和估讀時產生了誤差。

（3）雨量傳感器本身存在系統(tǒng)誤差導致。

4 結論與展望

系統(tǒng)采用zigbee和GPRS無線通信技術，為山區(qū)島嶼雨量監(jiān)測系統(tǒng)的建設提供了一種方便靈活、成本低、可靠性高的解決方案。采用sim900a模塊實現(xiàn)GPRS通信功能，增強了系統(tǒng)的信息實時傳輸能力。系統(tǒng)具有成本低、功耗小、無需布線、覆蓋范圍廣、能實時在線監(jiān)測等優(yōu)點，解決了山區(qū)島嶼的范圍廣、安全性差、不能實時在線監(jiān)測等難題，具有良好的可靠性和較高的實用價值。系統(tǒng)在軟硬件的設計上還需逐漸完善其功能，增強系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信技術的先進性，使其測量精度和自動化程度上得到進一步提高。

[1]周林，陳玉，馮婷婷.基于ZigBee的自愈組網與協(xié)議實現(xiàn)[J]．通信技術，2012(04)：1-4．

[2]趙全利.單片機原理及應用[M]．機械工業(yè)出版社，2012.

[3]張育琪．基于ZigBee技術的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[D]．西安：西安電子科技大學，2010．

P415.1

A

1006—7973（2017）12-0066-02

10.13646/j.cnki.42-1395/u.2017.12.026

浙江省自然科學基金（LY16F020014）；國家科技部星火計劃項目（2015GA700041）