摘要：规划了一种依据AVR和无线技能的水情监控体系，扼要介绍了监控体系的各个组成部分的功用要求、规划要求以及关键设备硬件规划。选用先进的科学技能完结对水情数据的监测、长途实时传输及整编处理，是完结水资源合理运用、防洪抗旱、进步水文作业主动化办理水平的有用手法。本体系具有硬件电路简略牢靠，数据搜集精确快捷，对水情监测供给了协助。
关键词：水情监控；无线技能；AVR单片机；雨量计
为了进步我国水资源的办理水平，更好地监控水利工程的安全运转，最大极限地合理运用水资源，进步水资源的运用率，充沛发挥工程效益，兴修该监控主动化体系，可有用地改进办理人员的作业条件和减轻其劳动强度。长途水情监控体系选用先进的科学技能完结对水情数据的监测、长途实时传输及整编处理，是完结水资源合理运用、防洪抗旱、进步水文作业主动化办理水平的有用手法。针对我国水资源主动
化监控体系的开展现状和远景，与时俱进，依据无线通讯办法，规划了适用于水利工程的无线散布式监控体系。
1 体系需求剖析
该体系的规划旨在为各个水利部门在施行水利办理和调度供给有力的决议计划和参阅依据，终究到达充沛合理的运用现有水资源和防洪抗旱的意图。要完结体系的全程主动化，首要包括以下几个方面：
1)数据搜集主动化：能够经过规划适宜的作业机制，完结水利部门需求的各项数据的主动搜集，并按照必定的办法存储；
2)数据处理主动化：搜集到的数据能够按照事前设置的办法由体系主动转化为特定的办法并完结存储；
3)操控主动化：能够依据上位机发来的闸口操控指令，主动的操控闸口完结水位调理，直至到达开度值停止。
2 体系关键设备的功用要求
体系整体由硬件和软件构成，硬件方面包括现场测控模块、监控终端和监控计算机等。软件方面首要是指信息办理体系、水资源调度体系、辅佐决议计划体系以及合作硬件部分完结功用的软件等。体系中的关键设备为测控模块和监控终端，下面就它们的功用要求介绍如下。
2．1 现场测控模块
跟着传感器技能逐渐走向智能化，其内部的硬件功用愈加强壮。自带的微处理器能够直接把搜集到的数据参量转化为可用于传输的数字化信号，一起存贮于微处理器内部。现在水文数据的主动观测现已完结，水文站也改为以无人值守、巡测办法为主的作业办法，完结了信息从搜集至传输的全程主动化。
现场测控模块包括传感器、单片机、操控电路和无线传输模块组成。该单元的详细功用如下：
1)数据搜集：用于数据搜集的传感器将安设于观测场的恰当方位，依据设定的观测参数，守时或按指令完结监测点信息的丈量，一起将搜集到的信号衔接至单片机的信号处理接口，一起整个搜集进程有必要操控在20 min以内。
2)设备操控：接纳监控终端发来的操控指令，履行相应的操作。
3)数据传送：依据监控终端宣布的指令，将传感器搜集到的数据依据相应的通讯协议，传送到终端节点。
2．2 监控终端
监控终端作为体系的脊柱，在完结硬件规划的一起，按照本体系规划的通讯计划，完结现场测控模块的数据搜集和闸口的启闭操控。经过处理的数据，每隔必定的时刻间隔，经过GPRS移动通讯网络传输到上位机，保证与上位机间的双向通讯。首要技能目标包括以下几个方面：
1)实时监测：关于闸位值实时巡测，指定监控点降雨量监测；
2)实时操控：能按照当时的运转操控办法和预订的决议计划参数进行操控调理，以满意闸口的实时操控要求。
3)信号搜集处理：担任辨认各个从节点上传的数据，并将其暂时存贮。一起进行水位查看，假如当时水位超限，进行信息上报；
4)数据显现：完结监控终端的LCD显现屏，能显现所搜集到的信息以及设备状况；
5)电源办理：关于蓄电池供电的节点，为保证体系运转，值守状况下，不进行任何操作的电路应处于休眠状况，除实时钟部件和低功耗纸板电路；
6)数据通讯：与上位机进行衔接，获取各种指令，守时与测控节点进行通讯，完结指令的发布和获取指令的呼应信息。
3 体系规划总准则
原型观测是掌握体系运转性态、安全系数的首要手法，一起能够查验体系规划的合理性和操控水情改动在可操作规划之内。本体系凭借主动化操控技能完结体系的长途监控，愈加实时、精确、有用地评价水资源的办理状况。体系的规划准则如下：
1)牢靠性准则
监控体系中，各测控点数据实时有用的搜集，监控终端搜集数据并能够精确地发布操控指令无疑是体系的中心，这就要求体系硬件具有牢靠性较高的数据搜集和操控才能，并选用有用的通讯办法，体系软件有必要能够及时精确的对数据进行剖析处理。咱们在终端与测控单元的通讯体系中选用了半双工无线通讯模块作为网络的物理层结构，自主开发了适宜于数据传输的通讯协议，完结了一站多点测验功用。
2)低功耗准则
考虑监控体系户外运用环境，测控节点的能耗有必要尽量削减。因为水情信息大部分归于慢改动类型，传输的数据量又很少，而通讯设备往往耗电很大，故能够仅当需求其作业时才予以供电，作业完毕后当即堵截电源。因而测控模块应具有休眠功用规划，在不搜集数据和通讯时能够下电，尽量下降测控模块的功耗。
3)可扩展性准则
为完结体系活络扩展性应选用模块化规划办法，杂乱的功用依托若干模块的组合来完结，每个模块仅具有简略的功用。传感器接口和通讯接口扩展才能是最首要的两个目标，能够经过添加串行接口完结。在详细规划电路时也应该留有余地，便于今后修正。
4)经济性准则
在满意功用需求的前提下，体系越简略，价格也越廉价。一个好的测控模块或监控终端在经济上必定要是最合理的，而不必定是最先进最杂乱的。因而规划时要考虑性价比，功用模板的MCU应选用通用类型以满意经济性的要求，元器材的选型也应统筹牢靠性一起统筹经济性。
4 体系结构整体规划
考虑到体系的作业环境以及用于搜集水位、雨量和闸位等信息的传感器间隔都不远，简略置于同一无线节点的辐射区域内。因而从实践运用动身，体系选用点对多点的体系结构。体系由3部分组成：上位机、监控终端(主节点)和现场测控模块(从节点)。体系根本组成如图1所示。
上位机担任衔接各个监控终端，并将由办理员设置的各种搜集指令转化为监控终端能够承受的办法发送至监控终端，并能辨认由监控终端传来的呼应信号，假如是数据，将数据发送给入库处理部分；假如是呼应报文，就将其传送给界面处理部分。一起该部分还需求记载操作日志，对办理员进行的各项操作以及搜集进程中发生的各种反常事情进行记载，供办理员今后查询。
监控终端首要担任守时与中心站进行衔接，并能辨认其传来的各种指令，依据指令进行呼应操作。假如是数据搜集指令，将数据封装陈规则格局，发送给上位机；假如是操作指令，就进行相应操作，在操作完结之后，并将操作的成果回来给上位机。
测控模块担任辨认各类传感器的信号，搜集并将其转化为体系所需求的数据办法，并能暂时存储。一起依据本体系规划的通讯协议，接纳监控终端发来的指令，完结数据传输或闸口电路启闭操控。
5 体系关键设备的硬件规划
本体系是软硬件的归纳体，规划中重视软硬件的功用分配。体系中的关键设备是指现场测控模块(从节点)和监控终端(主节点)，首要包括数据搜集单元、闸口操控电路、电源、无线收发单元以及其它外围电路。体系选用分层的规划结构，底层操控电路由AVR单片机担任，首要完结对从节点以及闸口启闭电路的操控，并担任与上位机进行通讯。依据各部分的功用要求。
5．1 从节点硬件规划
从节点首要包括4个部分：数据搜集单元(传感器)、操控单元(继电器电路)、数据传输单元(SI4431PA)和实时时钟，如图2所示。
5．1．1 数据搜集单元
传感器作为信息搜集的主力军，担任着对水情和闸位多方面的参数丈量。首要的传感器有水位计、雨量计和闸位传感器。测点的环境一般状况下很恶劣，传感器会被暴露在水中或大气中，因而有必要能够有很强的环境适应才能和易保护特性。
1)雨量传感器
体系选用DY1090A型翻斗式雨量计，首要由简身、底座和内部翻斗3部分构成。雨量分辨率为1 mm，丈量精确度为±3％，触点触摸次数可达107次。作业原理为：降水进入筒身上部的承雨口首要经过防虫网过滤并铲除污物，接着进入翻斗。当翻斗内的水量到达规则量时，翻斗当即自行翻转。在翻斗翻转进程中，磁钢和干簧管会发生相对运动，然后使得干簧管接点处的状况改动，输出电信号。输出的是干簧管机械触摸的通断状况，接出的两根衔接线组成开关量输出。干簧管通断信号一次代表翻斗翻转一次，即代表一个分辨率的雨量。雨量传感器自身输出为开关信号，衔接至单片的引脚，运用计数器计算低电平次数，当然在每次读取后应及时复位该芯片。翻斗式雨量计自身是无需电源供电便能作业的，因为在运用时要发生、处理和接纳信号，因而仍需外部电源，可是能够跟体系其它设备共用电源。
2)水位／闸位传感器
进行水位主动丈量时，传统的用于人工观读的水尺和浮子式自记水位计已不能担任，因为它们的水位输出不能接入主动化丈量设备。现有的遥测水位计的感应办法首要有浮子式、压力式或对错触摸式等。本体系选用南京水利水文主动化研究所研发的WFH-2型水位传感器。WFH-2型水位计水位分辨率为1 cm，结构简略、精度高、稳定性一起价格较廉价，更重要的是它是无源的，不易受外界搅扰，无掉电、雷击风险，长时刻精确运转时不需求特别的保护。其作业原理是：在水位测站水位计井台的测井中，装置一个浮子，作为水位感测元件。水位发生改动时，浮子活络地呼应水位改动并作相应的涨落运动，一起把此水位涨落的直线运动凭借悬索传递给水位轮，使水位轮发生圆周运动，并精确地将直线位移换为相应的角位移量。水位轮枢轴便是轴角编码器输入轴，因而，当水位旋转的一起，轴角编码器已将水位模拟量A转化，并编码成相应的数字编码D。
5．1．2 单片机
单片机作为节点内部的操控中心，首要担任节点的数据搜集以及闸口启闭操控。因而，MCU有必要考虑指令履行速度、功率耗费、强壮的外围电路和可用存储空间等要素。
归纳节点规划要求，关于MCU的首要要求为：1)因为体系是树立是实时搜集的基础上，因而关于单片机的处理速度要求比较高；2)体系选用周期性休眠唤醒的作业调度办法，而大部分时刻来讲，节点是处于休眠状况的，因而关于睡觉形式的功耗尽量要低；3)节点供电办法为蓄电池供电，因而芯片功耗应尽或许低。
本体系选用Atmega169L，电源办理方面，Atmega169L选用3．3 V供电电压，已具有根本低功耗要求，关于典型功耗状况，WDT封闭时为100hA，适用于电池供电的运用设备。Atmega169L单片机以时钟周期为指令周期，16 MHz时功用可达16MIPS。单片机的FLASH、EEPROM蓄存器都能够重复烧写、支撑在ISP在线编程(烧写)；片内集成多种功用电路，电路规划十分简略；单片机具有休眠省电功用(POWERDOWN)及搁置(IDLE)低功耗功用，一般耗电在1～2．5 mA，电源抗搅扰性强，可下降一般8位机中软件抗搅扰的规划作业量和硬件的运用量。本体系首要用到功用包括SPI、USART、中止、守时器／计数器等。
5．2 主节点硬件规划
监控终端针对散布间隔远且涣散的体系，承载着数据接纳、存储和通讯操控等使命。传感器输出的信号转化为数字量经无线收发模块发送后，进入监控终端MCU的数字量输进口。其首要由AVR微处理器、无线收发模块、GPRS模块、显现模块、时钟模块等构成，由无线收发模块搜集到各监测点的无线电信号后，输送到AVR微处理器转化成数字信息，经GPRS模块发射到监控中心；监控中心发来的操控信号由GPRS模块接纳，传送到AVR微处理器转化成相应的数字信号，监控终端再将这些指令传送至从节点，完结取数或设备操控的操作。可完结接连不间断地对监控目标实时长途监控，适用于地舆环境恶劣、无人值守的监控环境。因为监控终端的功用要求较高，因而在单片机选型上，挑选功用更为强壮的ATmega1280，整体结构如图3所示。
5．3 人机接口模块
监控体系中，为便当办理人员查询现已搜集到的数据以及查看设备的运转状况，能够经过键盘对终端设备内部的参数、功用等进行快速设置，再加上液晶显现屏的数据显现，表现了人机交互的友好性。
5．3．1 键盘
体系选用了简略键盘进行时刻调整、菜单挑选和输入操控参数等操作，键值与按键功用对应关系为OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。因为芯片I／O口有限，体系将选用PCF8574作为I／O输出的扩展芯片。PCF8574是单片的CMOS电路，具有8位准双向口和I2C总线接口。具有功耗低，输出锁存，驱动才能大等特色，一起存在中止请求线，可直接连到单片机的中止输入端。
5．3．2 LCD显现
为了更直观的看到搜集到的信息，体系运用LCD显现器用于显现水位、雨量、搜集时刻、站号和通讯设备状况等信息。为满意体系显现要求，专门定做了4×40的LCD显现屏，电路规划时，运用单片通用低复用率LCD驱动器PCF8576D，它可为任何静态或多路LCD供给驱动信号，带电压跟从缓冲器的内部LCD偏压电路，40×4的RAM显现数据存储器，含有4路背电极输出和40路段输出，一起无需衔接外部元器材，经过双向“二线”的I2C总线与MCU进行通讯，电路愈加简略。将芯片的OSC与VSS引脚相连来运用内部振动，器材内部可发生多路复用LCD所需的适宜偏压。最终将各种电源信号以及所选的LCD电源输入衔接好就可完结体系运用的衔接。电路如图4所示。
5．4 时钟电路
RTC(实时时钟)芯片的首要功用是对年、月、日、时、分、秒等的计时，经过外部接口为MCU体系供给日历和时钟，因而实时时钟芯片最根本的部件应该包括；电源电路、实时时钟、时钟信号发生电路、数据存储器、通讯接口、操控逻辑电路等，一起大多数的实时时钟还会供给一些额定的RAM。实时时钟的详细结构组成如图5所示。
5．5 GPRS通讯模块
监控终端站数据搜集完毕后，将数据发送至中心站，为保证通讯链路的疏通，体系选用GPRS模块作为通讯信道。监控终端站选用CPRS完结与数据中心的数据通讯，因而终端在装备GRRS通讯模块的一起需求注册GPRS事务的SIM卡。监控站通讯模块上电之后，将会主动登录到GPRS移动网络，接着按照规则的拨号要求登录GPRS移动通讯网络中心CMNET，显现登录成功界面即标明监控站现已衔接至互联网，此刻就能够按照TCP／IP协议传输搜集到的数据。
一般状况下，移动公司会给各个监控站的GPRS通讯模块分配动态的IP地址，中心站需求装备一台能够申请到固定IP地址的GPRS通讯模块用于接纳数据，相同也能够经过专线与移动中心进行衔接。当监控站的规划较大时，选用这种结构能够有用地削减传输时延。规划较小的水清测报体系在进行数据传输时，为减低运转费用，能够选用GPRS流量计费办法。
6 完毕语
本监控体系具有高牢靠性、低功耗、可扩展和经济性的体系电路，使得整个体系的功用得到很大的进步。一起充沛运用AVR单片机的强壮特性，使得水情信息搜集可加便当快捷，为丈量成果的后期处理与水情监测带来了极大的便当。本体系已部分运用于某公司的水情监控体系，有用标明，该体系丈量精确，便当经用，有杰出的经济功用，到达规划要求。
