摘要：設計了一種基于AVR和無線技術的水情監控系統，簡要介紹了監控系統的各個組成部分的功能要求、設計要求以及關鍵設備硬件設計。采用先進的科學技術實現對水情數據的監測、遠程實時傳輸及整編處理，是實現水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動化管理水平的有效手段。本系統具有硬件電路簡單可靠，數據采集準確便捷，對水情監測提供了幫助。

關鍵詞：水情監控;無線技術;AVR單片機;雨量計

為了提高我國水資源的管理水平，更好地監控水利工程的安全運行，最大限度地合理利用水資源，提高水資源的利用率，充分發揮工程效益，興建該監控自動化系統，可有效地改善管理人員的工作條件和減輕其勞動強度。遠程水情監控系統采用先進的科學技術實現對水情數據的監測、遠程實時傳輸及整編處理，是實現水資源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自動化管理水平的有效手段。針對我國水資源自動

化監控系統的發展現狀和前景，與時俱進，基于無線通信方式，設計了適用于水利工程的無線分布式監控系統。

1 系統需求分析

該系統的設計旨在為各個水利部門在實施水利管理和調度提供有力的決策和參考依據，最終達到充分合理的利用現有水資源和防洪抗旱的目的。要實現系統的全程自動化，主要包括以下幾個方面：

1)數據采集自動化：能夠通過設計合適的工作機制，實現水利部門需要的各項數據的自動采集，并按照一定的方式存儲;

2)數據處理自動化：采集到的數據能夠按照事先設置的方式由系統自動轉化為特定的形式并完成存儲;

3)控制自動化：能夠根據上位機發來的閘門控制命令，自動的控制閘門完成水位調節，直至達到開度值為止。

2 系統關鍵設備的功能要求

系統總體由硬件和軟件構成，硬件方面包括現場測控模塊、監控終端和監控計算機等。軟件方面主要是指信息管理系統、水資源調度系統、輔助決策系統以及配合硬件部分實現功能的軟件等。系統中的關鍵設備為測控模塊和監控終端，下面就它們的功能要求介紹如下。

2.1 現場測控模塊

隨著傳感器技術逐步走向智能化，其內部的硬件功能更加強大。自帶的微處理器可以直接把采集到的數據參量轉化為可用于傳輸的數字化信號，同時存貯于微處理器內部。目前水文數據的自動觀測已經實現，水文站也改為以無人值守、巡測方式為主的工作方式，實現了信息從采集至傳輸的全程自動化。

現場測控模塊包括傳感器、單片機、控制電路和無線傳輸模塊組成。該單元的具體功能如下：

1)數據采集：用于數據采集的傳感器將安設于觀測場的適當位置，根據設定的觀測參數，定時或按指令完成監測點信息的測量，同時將采集到的信號連接至單片機的信號處理接口，同時整個采集過程必須控制在20 min以內。

2)設備控制：接收監控終端發來的控制命令，執行相應的操作。

3)數據傳送：根據監控終端發出的指令，將傳感器采集到的數據依據相應的通信協議，傳送到終端節點。

2.2 監控終端

監控終端作為系統的脊梁，在實現硬件設計的同時，按照本系統設計的通信方案，完成現場測控模塊的數據采集和閘門的啟閉控制。經過處理的數據，每隔一定的時間間隔，通過GPRS移動通信網絡傳輸到上位機，保證與上位機間的雙向通訊。主要技術指標包括以下幾個方面：

1)實時監測：對于閘位值實時巡測，指定監控點降雨量監測;

2)實時控制：能按照當前的運行控制方式和預定的決策參數進行控制調節，以滿足閘門的實時控制要求。

3)信號采集處理：負責識別各個從節點上傳的數據，并將其臨時存貯。同時進行水位檢查，如果當前水位超限，進行信息上報;

4)數據顯示：實現監控終端的LCD顯示屏，能顯示所采集到的信息以及設備狀態;

5)電源管理：對于蓄電池供電的節點，為保證系統運行，值守狀態下，不進行任何操作的電路應處于休眠狀態，除實時鐘部件和低功耗紙板電路;

6)數據通信：與上位機進行連接，獲取各種命令，定時與測控節點進行通信，實現命令的發布和獲取命令的響應信息。

3 系統設計總原則

原型觀測是把握系統運行性態、安全系數的主要手段，同時可以檢驗系統設計的合理性和控制水情變化在可操作范圍之內。本系統借助自動化控制技術實現系統的遠程監控，更加實時、精確、有效地評估水資源的管理狀況。系統的設計原則如下：

1)可靠性原則

監控系統中，各測控點數據實時有效的采集，監控終端收集數據并可以準確地發布控制指令無疑是系統的核心，這就要求系統硬件具有可靠性較高的數據采集和控制能力，并采用有效的通訊方式，系統軟件必須可以及時準確的對數據進行分析處理。我們在終端與測控單元的通信系統中選用了半雙工無線通信模塊作為網絡的物理層結構，自主開發了適宜于數據傳輸的通信協議，實現了一站多點測試功能。

2)低功耗原則

考慮監控系統野外使用環境，測控節點的能耗必須盡量減少。由于水情信息大部分屬于慢變化類型，傳輸的數據量又很少，而通信設備往往耗電很大，故可以僅當需要其工作時才予以供電，工作結束后立即切斷電源。因此測控模塊應具備休眠功能設計，在不采集數據和通信時可以下電，盡量降低測控模塊的功耗。

3)可擴展性原則

為實現系統靈活擴展性應采用模塊化設計方法，復雜的功能依靠若干模塊的組合來完成，每個模塊僅具有簡單的功能。傳感器接口和通信接口擴展能力是最主要的兩個指標，可以通過增加串行接口實現。在具體設計電路時也應該留有余地，便于以后修改。

4)經濟性原則

在滿足功能需求的前提下，系統越簡單，價格也越便宜。一個好的測控模塊或監控終端在經濟上一定要是最合理的，而不一定是最先進最復雜的。因此設計時要考慮性價比，功能模板的MCU應選用通用型號以滿足經濟性的要求，元器件的選型也應兼顧可靠性同時兼顧經濟性。

4 系統結構總體設計

考慮到系統的工作環境以及用于采集水位、雨量和閘位等信息的傳感器距離都不遠，容易置于同一無線節點的輻射區域內。因此從實際應用出發，系統采用點對多點的系統結構。系統由3部分組成：上位機、監控終端(主節點)和現場測控模塊(從節點)。系統基本組成如圖1所示。

上位機負責連接各個監控終端，并將由管理員設置的各種采集命令轉化為監控終端可以接受的形式發送至監控終端，并能識別由監控終端傳來的響應信號，如果是數據，將數據發送給入庫處理部分;如果是響應報文，就將其傳送給界面處理部分。同時該部分還需要記錄操作日志，對管理員進行的各項操作以及采集過程中發生的各種異常事件進行記錄，供管理員以后查詢。

監控終端主要負責定時與中心站進行連接，并能識別其傳來的各種命令，根據命令進行響應操作。如果是數據采集命令，將數據封裝成規定格式，發送給上位機;如果是操作命令，就進行相應操作，在操作完成之后，并將操作的結果返回給上位機。

測控模塊負責識別各類傳感器的信號，采集并將其轉換為系統所需要的數據形式，并能臨時存儲。同時根據本系統設計的通信協議，接收監控終端發來的命令，完成數據傳輸或閘門電路啟閉控制。

5 系統關鍵設備的硬件設計

本系統是軟硬件的綜合體，設計中注重軟硬件的功能分配。系統中的關鍵設備是指現場測控模塊(從節點)和監控終端(主節點)，主要包含數據采集單元、閘門控制電路、電源、無線收發單元以及其它外圍電路。系統采用分層的設計結構，底層控制電路由AVR單片機負責，主要實現對從節點以及閘門啟閉電路的控制，并負責與上位機進行通訊。根據各部分的功能要求。

5.1 從節點硬件設計

從節點主要包括4個部分：數據采集單元(傳感器)、控制單元(繼電器電路)、數據傳輸單元(SI4431PA)和實時時鐘，如圖2所示。

5.1.1 數據采集單元

傳感器作為信息采集的主力軍，擔任著對水情和閘位多方面的參數測量。主要的傳感器有水位計、雨量計和閘位傳感器。測點的環境一般情況下很惡劣，傳感器會被暴露在水中或大氣中，因此必須能夠有很強的環境適應能力和易維護特性。

1)雨量傳感器

系統選用DY1090A型翻斗式雨量計，主要由簡身、底座和內部翻斗3部分構成。雨量分辨率為1 mm，測量準確度為±3%，觸點接觸次數可達107次。工作原理為：降水進入筒身上部的承雨口首先經過防蟲網過濾并清除污物，接著進入翻斗。當翻斗內的水量達到規定量時，翻斗立即自行翻轉。在翻斗翻轉過程中，磁鋼和干簧管會發生相對運動，從而使得干簧管接點處的狀態改變，輸出電信號。輸出的是干簧管機械接觸的通斷狀態，接出的兩根連接線組成開關量輸出。干簧管通斷信號一次代表翻斗翻轉一次，即代表一個分辨率的雨量。雨量傳感器本身輸出為開關信號，連接至單片的引腳，利用計數器統計低電平次數，當然在每次讀取后應及時復位該芯片。翻斗式雨量計本身是無需電源供電便能工作的，由于在使用時要產生、處理和接收信號，因此仍需外部電源，但是可以跟系統其它設備共用電源。

2)水位/閘位傳感器

進行水位自動測量時，傳統的用于人工觀讀的水尺和浮子式自記水位計已不能勝任，因為它們的水位輸出不能接入自動化測量設備。現有的遙測水位計的感應方式主要有浮子式、壓力式或是非接觸式等。本系統選用南京水利水文自動化研究所研制的WFH-2型水位傳感器。WFH-2型水位計水位分辨率為1 cm，結構簡單、精度高、穩定性同時價格較便宜，更重要的是它是無源的，不易受外界干擾，無掉電、雷擊危險，長期準確運行時不需要特別的維護。其工作原理是：在水位測站水位計井臺的測井中，安裝一個浮子，作為水位感測元件。水位發生變化時，浮子靈敏地響應水位變化并作相應的漲落運動，同時把此水位漲落的直線運動借助懸索傳遞給水位輪，使水位輪產生圓周運動，并準確地將直線位移換為相應的角位移量。水位輪樞軸就是軸角編碼器輸入軸，因此，當水位旋轉的同時，軸角編碼器已將水位模擬量A轉換，并編碼成相應的數字編碼D。

5.1.2 單片機

單片機作為節點內部的控制中心，主要負責節點的數據采集以及閘門啟閉控制。因此，MCU必須考慮指令執行速度、功率消耗、強大的外圍電路和可用存儲空間等因素。

綜合節點設計要求，對于MCU的主要要求為：1)由于系統是建立是實時采集的基礎上，因此對于單片機的處理速度要求比較高;2)系統采用周期性休眠喚醒的工作調度方式，而大部分時間來講，節點是處于休眠狀態的，因此對于睡眠模式的功耗盡量要低;3)節點供電方式為蓄電池供電，因此芯片功耗應盡可能低。

本系統選用Atmega169L，電源管理方面，Atmega169L采用3.3 V供電電壓，已具備基本低功耗要求，對于典型功耗情況，WDT關閉時為100hA，適用于電池供電的應用設備。Atmega169L單片機以時鐘周期為指令周期，16 MHz時性能可達16MIPS。單片機的FLASH、EEPROM蓄存器都可以反復燒寫、支持在ISP在線編程(燒寫);片內集成多種功能電路，電路設計非常簡單;單片機具有休眠省電功能(POWERDOWN)及閑置(IDLE)低功耗功能，一般耗電在1～2.5 mA，電源抗干擾性強，可降低一般8位機中軟件抗干擾的設計工作量和硬件的使用量。本系統主要用到功能包括SPI、USART、中斷、定時器/計數器等。

5.2 主節點硬件設計

監控終端針對分布距離遠且分散的系統，承載著數據接收、存儲和通信控制等任務。傳感器輸出的信號轉化為數字量經無線收發模塊發送后，進入監控終端MCU的數字量輸入口。其主要由AVR微處理器、無線收發模塊、GPRS模塊、顯示模塊、時鐘模塊等構成，由無線收發模塊采集到各監測點的無線電信號后，輸送到AVR微處理器轉化成數字信息，經GPRS模塊發射到監控中心;監控中心發來的控制信號由GPRS模塊接收，傳送到AVR微處理器轉化成相應的數字信號，監控終端再將這些命令傳送至從節點，完成取數或設備控制的操作。可實現連續不間斷地對監控對象實時遠程監控，適用于地理環境惡劣、無人值守的監控環境。由于監控終端的功能要求較高，因此在單片機選型上，選擇功能更為強大的ATmega1280，總體結構如圖3所示。

5.3 人機接口模塊

監控系統中，為方便管理人員查詢已經采集到的數據以及檢查設備的運行狀態，可以通過鍵盤對終端設備內部的參數、功能等進行快速設置，再加上液晶顯示屏的數據顯示，體現了人機交互的友好性。

5.3.1 鍵盤

系統采用了簡單鍵盤進行時間調整、菜單選擇和輸入控制參數等操作，鍵值與按鍵功能對應關系為OK、FUNCTION、UP、DOWN、LEFT、RIGHT和ESC。由于芯片I/O口有限，系統將選用PCF8574作為I/O輸出的擴展芯片。PCF8574是單片的CMOS電路，具有8位準雙向口和I2C總線接口。具有功耗低，輸出鎖存，驅動能力大等特點，同時存在中斷請求線，可直接連到單片機的中斷輸入端。

5.3.2 LCD顯示

為了更直觀的看到采集到的信息，系統使用LCD顯示器用于顯示水位、雨量、采集時間、站號和通訊設備狀態等信息。為滿足系統顯示要求，專門定做了4x40的LCD顯示屏，電路設計時，使用單片通用低復用率LCD驅動器PCF8576D，它可為任何靜態或多路LCD提供驅動信號，帶電壓跟隨緩沖器的內部LCD偏壓電路，40x4的RAM顯示數據存儲器，含有4路背電極輸出和40路段輸出，同時無需連接外部元器件，通過雙向“二線”的I2C總線與MCU進行通信，電路更加簡單。將芯片的OSC與VSS引腳相連來使用內部振蕩，器件內部可產生多路復用LCD所需的合適偏壓。最后將各種電源信號以及所選的LCD電源輸入連接好就可完成系統應用的連接。電路如圖4所示。

5.4 時鐘電路

RTC(實時時鐘)芯片的主要功能是對年、月、日、時、分、秒等的計時，通過外部接口為MCU系統提供日歷和時鐘，因此實時時鐘芯片最基本的部件應該包含;電源電路、實時時鐘、時鐘信號產生電路、數據存儲器、通信接口、控制邏輯電路等，同時大多數的實時時鐘還會提供一些額外的RAM。實時時鐘的具體結構組成如圖5所示。

5.5 GPRS通信模塊

監控終端站數據采集結束后，將數據發送至中心站，為確保通信鏈路的暢通，系統選用GPRS模塊作為通信信道。監控終端站采用CPRS實現與數據中心的數據通信，因此終端在配備GRRS通信模塊的同時需要開通GPRS業務的SIM卡。監控站通信模塊上電之后，將會自動登錄到GPRS移動網絡，接著按照規定的撥號要求登錄GPRS移動通訊網絡中心CMNET，顯示登錄成功界面即表示監控站已經連接至互聯網，此時就可以依照TCP/IP協議傳輸采集到的數據。

一般情況下，移動公司會給各個監控站的GPRS通信模塊分配動態的IP地址，中心站需要配置一臺能夠申請到固定IP地址的GPRS通信模塊用于接收數據，同樣也可以通過專線與移動中心進行連接。當監控站的規模較大時，采用這種結構可以有效地減少傳輸時延。規模較小的水清測報系統在進行數據傳輸時，為減低運行費用，可以選用GPRS流量計費方式。

6 結束語

本監控系統具有高可靠性、低功耗、可擴展和經濟性的系統電路，使得整個系統的性能得到很大的提高。同時充分利用AVR單片機的強大特性，使得水情信息采集可加方便快捷，為測量結果的后期處理與水情監測帶來了極大的便利。本系統已部分應用于某公司的水情監控系統，實用表明，該系統測量準確，方便耐用，有良好的經濟性能，達到設計要求。