内容摘要：设计了一种基于AVR和无线技术的水情监控系统，简要介绍了监控系统的各个组成部分的功能要求、设计要求以及关键设备硬件设计。采用先进的科学技术实现对水情数据的监测、远程实时传输及整编处理，是实现水资源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自动化管理水平的有效手段。本系统具有硬件电路简单可靠，数据采集准确便捷，对水情监测提供了帮助。
关键词：水情监控；无线技术；AVR单片机；雨量计
为了提高我国水资源的管理水平，更好地监控水利工程的安全运行，最大限度地合理利用水资源，提高水资源的利用率，充分发挥工程效益，兴建该监控自动化系统，可有效地改善管理人员的工作条件和减轻其劳动强度。远程水情监控系统采用先进的科学技术实现对水情数据的监测、远程实时传输及整编处理，是实现水资源合理利用、防洪抗旱、提高水文工作自动化管理水平的有效手段。针对我国水资源自动
化监控系统的发展现状和前景，与时俱进，基于无线通信方式，设计了适用于水利工程的无线分布式监控系统。
1 系统需求分析
该系统的设计旨在为各个水利部门在实施水利管理和调度提供有力的决策和参考依据，最终达到充分合理的利用现有水资源和防洪抗旱的目的。要实现系统的全程自动化，主要包括以下几个方面：
1)数据采集自动化：能够通过设计合适的工作机制，实现水利部门需要的各项数据的自动采集，并按照一定的方式存储；
2)数据处理自动化：采集到的数据能够按照事先设置的方式由系统自动转化为特定的形式并完成存储；
3)控制自动化：能够根据上位机发来的闸门控制命令，自动的控制闸门完成水位调节，直至达到开度值为止。
2 系统关键设备的功能要求
系统总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。软件方面主要是指信息管理系统、水资源调度系统、辅助决策系统以及配合硬件部分实现功能的软件等。系统中的关键设备为测控模块和监控终端，下面就它们的功能要求介绍如下。
2．1 现场测控模块
随着传感器技术逐步走向智能化，其内部的硬件功能更加强大。自带的微处理器可以直接把采集到的数据参量转化为可用于传输的数字化信号，同时存贮于微处理器内部。目前水文数据的自动观测已经实现，水文站也改为以无人值守、巡测方式为主的工作方式，实现了信息从采集至传输的全程自动化。
现场测控模块包括传感器、单片机、控制电路和无线传输模块组成。该单元的具体功能如下：
1)数据采集：用于数据采集的传感器将安设于观测场的适当位置，根据设定的观测参数，定时或按指令完成监测点信息的测量，同时将采集到的信号连接至单片机的信号处理接口，同时整个采集过程必须控制在20 min以内。
2)设备控制：接收监控终端发来的控制命令，执行相应的操作。
3)数据传送：根据监控终端发出的指令，将传感器采集到的数据依据相应的通信协议，传送到终端节点。
2．2 监控终端
监控终端作为系统的脊梁，在实现硬件设计的同时，按照本系统设计的通信方案，完成现场测控模块的数据采集和闸门的启闭控制。经过处理的数据，每隔一定的时间间隔，通过GPRS移动通信网络传输到上位机，保证与上位机间的双向通讯。主要技术指标包括以下几个方面：
1)实时监测：对于闸位值实时巡测，指定监控点降雨量监测；
2)实时控制：能按照当前的运行控制方式和预定的决策参数进行控制调节，以满足闸门的实时控制要求。
3)信号采集处理：负责识别各个从节点上传的数据，并将其临时存贮。同时进行水位检查，如果当前水位超限，进行信息上报；
4)数据显示：实现监控终端的LCD显示屏，能显示所采集到的信息以及设备状态；
5)电源管理：对于蓄电池供电的节点，为保证系统运行，值守状态下，不进行任何操作的电路应处于休眠状态，除实时钟部件和低功耗纸板电路；
6)数据通信：与上位机进行连接，获取各种命令，定时与测控节点进行通信，实现命令的发布和获取命令的响应信息。
3 系统设计总原则
原型观测是把握系统运行性态、安全系数的主要手段，同时可以检验系统设计的合理性和控制水情变化在可操作范围之内。本系统借助自动化控制技术实现系统的远程监控，更加实时、精确、有效地评估水资源的管理状况。系统的设计原则如下：
1)可靠性原则
监控系统中，各测控点数据实时有效的采集，监控终端收集数据并可以准确地发布控制指令无疑是系统的核心，这就要求系统硬件具有可靠性较高的数据采集和控制能力，并采用有效的通讯方式，系统软件必须可以及时准确的对数据进行分析处理。我们在终端与测控单元的通信系统中选用了半双工无线通信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信协议，实现了一站多点测试功能。
2)低功耗原则
考虑监控系统野外使用环境，测控节点的能耗必须尽量减少。由于水情信息大部分属于慢变化类型，传输的数据量又很少，而通信设备往往耗电很大，故可以仅当需要其工作时才予以供电，工作结束后立即切断电源。因此测控模块应具备休眠功能设计，在不采集数据和通信时可以下电，尽量降低测控模块的功耗。
3)可扩展性原则
为实现系统灵活扩展性应采用模块化设计方法，复杂的功能依靠若干模块的组合来完成，每个模块仅具有简单的功能。传感器接口和通信接口扩展能力是最主要的两个指标，可以通过增加串行接口实现。在具体设计电路时也应该留有余地，便于以后修改。
4)经济性原则
在满足功能需求的前提下，系统越简单，价格也越便宜。一个好的测控模块或监控终端在经济上一定要是最合理的，而不一定是最先进最复杂的。因此设计时要考虑性价比，功能模板的MCU应选用通用型号以满足经济性的要求，元器件的选型也应兼顾可靠性同时兼顾经济性。
4 系统结构总体设计
考虑到系统的工作环境以及用于采集水位、雨量和闸位等信息的传感器距离都不远，容易置于同一无线节点的辐射区域内。因此从实际应用出发，系统采用点对多点的系统结构。系统由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)。系统基本组成如图1所示。
上位机负责连接各个监控终端，并将由管理员设置的各种采集命令转化为监控终端可以接受的形式发送至监控终端，并能识别由监控终端传来的响应信号，如果是数据，将数据发送给入库处理部分；如果是响应报文，就将其传送给界面处理部分。同时该部分还需要记录操作日志，对管理员进行的各项操作以及采集过程中发生的各种异常事件进行记录，供管理员以后查询。
监控终端主要负责定时与中心站进行连接，并能识别其传来的各种命令，根据命令进行响应操作。如果是数据采集命令，将数据封装成规定格式，发送给上位机；如果是操作命令，就进行相应操作，在操作完成之后，并将操作的结果返回给上位机。
测控模块负责识别各类传感器的信号，采集并将其转换为系统所需要的数据形式，并能临时存储。同时根据本系统设计的通信协议，接收监控终端发来的命令，完成数据传输或闸门电路启闭控制。
5 系统关键设备的硬件设计
本系统是软硬件的综合体，设计中注重软硬件的功能分配。系统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)，主要包含数据采集单元、闸门控制电路、电源、无线收发单元以及其它外围电路。系统采用分层的设计结构，底层控制电路由AVR单片机负责，主要实现对从节点以及闸门启闭电路的控制，并负责与上位机进行通讯。根据各部分的功能要求。
5．1 从节点硬件设计
从节点主要包括4个部分：数据采集单元(传感器)、控制单元(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 数据采集单元
传感器作为信息采集的主力军，担任着对水情和闸位多方面的参数测量。主要的传感器有水位计、雨量计和闸位传感器。测点的环境一般情况下很恶劣，传感器会被暴露在水中或大气中，因此必须能够有很强的环境适应能力和易维护特性。
1)雨量传感器
系统选用DY1090A型翻斗式雨量计，主要由简身、底座和内部翻斗3部分构成。雨量分辨率为1 mm，测量准确度为±3％，触点接触次数可达107次。工作原理为：降水进入筒身上部的承雨口首先经过防虫网过滤并清除污物，接着进入翻斗。当翻斗内的水量达到规定量时，翻斗立即自行翻转。在翻斗翻转过程中，磁钢和干簧管会发生相对运动，从而使得干簧管接点处的状态改变，输出电信号。输出的是干簧管机械接触的通断状态，接出的两根连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。雨量传感器本身输出为开关信号，连接至单片的引脚，利用计数器统计低电平次数，当然在每次读取后应及时复位该芯片。翻斗式雨量计本身是无需电源供电便能工作的，由于在使用时要产生、处理和接收信号，因此仍需外部电源，但是可以跟系统其它设备共用电源。
