基于MSP430的水雨情数据采集系统研究-自动化硕士论文

中图分类号：T P 2 3 学科分类号： 51 0 8 0 论文编号： 密级：垒珏 安徽理工大学 硕士学位论文 基于M S P 4 3 0 的水雨情数据采集系统研究 作者姓名：任三住 专业名称： 控制理论皇控剑王猩 研究方向： 自动控剑生自动丝装量 导师姓名：扭蕉望数援 导师单位：塞邀理王塞堂 答辩委员会主席：江和顺 论文答辩日期：2 0 1 3 年6 月1日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 3 年6 月 AD i s s e r t a t i o ni nT h e o r yC o n t r o lA n d E n g i n e e r i n gC o n t r o l R e s e a r c ho fW a t e ra n dR a i nI n f o r m a t i o nA c q u i s i t i o n S y s t e mB a s e dO i lM S P 4 3 0 C a n d i d a t e ：R e nE r w e i S u p e r v i s o r ： Z h uL o n g j i C o l l e g eo fE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g A n h u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y N o 16 8 ，S h u n g e n gR o a d ， H u a i n a n ，2 3 2 0 0 1 ，P R C H I N A 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导簿指导下进行的研究工作及 取得的研究成巢。挺我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他入已经发表或撰写过妁研究成果，也不包含为获得 塞篮堡王盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所俄的任何贡献均巳在论文中作了明确的说唬并表 示谢意。 学位论文作者签名：。j 量三单一目期：丝生童j 月点留 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞超建王左堂有保留、使用学位论文 的规定，卑：研究生在校攻读学位期问论文工作曲知识产权单位属于 塞熊堡王。杰璺，。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被套阗和借阕。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：隹二中签字日期：知哆年f 月y 曰 导师鼢袖彩刊签字隗年口 摘要 捅要 水雨情信息采集骼测系统的现代化，具体来讲就是有效地利用现代传感和遥测 技术、计算机技术和信息传输技术等，使水雨情信息采集、存储、传输、应用、信 息服务和预测等方面具有较高的科技水平和智能化程度，提高水文信息资源的应用 能力和共享程度，从而全面提高水利技术发展和水文事务处理的效率和技能。我国 地域辽阔，绝大多数水文监测站分布在农村或边远地区。设计一种具有数据采集、 处理、通信和控制功能的智能采集系统，准确及时地提供水雨情信息，有着很重要 的现实意义。这也是我国水利信息现代化建设的一个重要内容。 针对实际工程项目需要，本文提出了基于M S P 4 3 0 单片机为主控芯片的水雨情 数据采采集系统，设计了自动采集水位雨量数据信息的遥测数据采集终端，并能应 用传感器、通信和计算机网络等多方面应用技术，实现G P R S 通信系统、水雨情数 据自动传输和存储等功能。首先介绍了水雨情数据采集系统的必要性和采用技术手 段及主要功能组成模块，在此基础上完成了以超低功耗、价格低廉的M S P 4 3 0 F 1 4 9 芯片作为核心控制器的采集终端设备的设计，主要工作包括与之相匹配的电源电 路、采集电路、通讯电路、显示等电路的设计。采集终端的主要功能是将各型水文 传感器将所采集到的水文数据转换成单片机能识别的模拟或者数字信号，由核心控 制器实现对数据处理和存储，并利用移动G P R S 通信模块，借助公网实现和数据监 测中心的数据联通。同时完成了模块化的软件编程和上位机数据监测中心接收软件 的编制，使该采集系统能有效正常工作。 系统设计对于以后的气象站数据监测有着很好的借鉴意义，可方便地与各类型 的水位、雨量传感器连接，从而构成多点分布式的水雨情数据无线监测系统。利用 G P R S 移动通信网络提供的无线通讯技术进行水雨情信息的传输，为水雨采集系统 的信息传输提供了一种有效的方法，这种系统性能稳定可靠，能耗低，价格和运行 费用小，非常适合于水雨情数据远程传输和监测站点无人值守的实际要求。 图 2 9 】表 1 0 参 5 0 关键词：M S P 4 3 0 ；G P R S ；水雨情信息 分类号：T P 2 3 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t W a t e ra n dr a i nl n f o r m a t i o ns y s t e mm o d e r n i z a t i o n i ti St om a k ef u l lu s eo fm o d e m s e n s o rt e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , S Ot h a tt h ew a t e ri n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n ， p r o c e s s i n g ，a p p l i c a t i o n ，i n f o r m a t i o ns e r v i c e s a n dm a n a g e m e n tw i t ha d v a n c e da n d p r a c t i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yl e v e l ，i n c r e a s er e s o u r c eo fi r r i g a t i o nw o r k si n f o r m a t i o n a p p l i c a t i o na n ds h a r i n gd e g r e e ，t h e r e b yi m p r o v et h ec o n s t r u c t i o no fw a t e rc o n s e r v a n c y a n dw a t e rt r e a t m e n te f f i c i e n c ya n de f f e c t i v e n e s s O u rc o u n t r yr e g i o ni s v a s t ，t h ev a s t m a j o r i t yo fh y d r o l o g i c a lm o n i t o r i n gs t a t i o n sl o c a t e di nr u r a lo rr e m o t ea r e a s D e s i g no fa d a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n t r o lf u n c t i o no ft h ei n t e l l i g e n t a c q u i s i t i o ns y s t e m ，a c c u r a t ea n dt i m e l yd e l i v e r yo fw a t e ra n dr a i ni n f o r m a t i o nh a sv e r y i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e T h i sa l s oi so u rc o u n t r yw a t e rc o n s e r v a n c yi n f o r m a t i o n m o d e r n i z a t i o nc o n s t r u c t i o ni sa ni m p o r t a n tc o n t e n t N e e df o rt h ea c t u a lp r o j e c t ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ea p p l i c a t i o no fM S P 4 3 0M C U a u t o m a t i c a l l y c o l l e c t e dw a t e rl e v e li n f o r m a t i o no fr a i n f a l ld a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a l d e s i g n e dt os e n s o r s ，c o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t e rn e t w o r k s ，a n do t h e ra s p e c t so f k n o w l e d g eC a nb ea p p l i e dt oa c h i e v et h eG P R Sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ew a t e r s i t u a t i o na u t o m a t i cd a t at r a n s m i s s i o n a n ds t o r a g ea n do t h e rf u n c t i o n s F i r s ti n t r o d u c e dt h e n e c e s s i t yo ft h ew a t e rs i t u a t i o nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h eu s eo ft e c h n i c a lm e a n s a n dt h em a i nf u n c t i o no ft h ec o m p o s i t i o nm o d u l e ，b a s e do nt h eu l t r al o w p o w e r , l o w 。c o s t M S P 4 3 0 F 1 4 9c h i pa st h ec o r ec o n t r o l l e rd e s i g nc o l l e c t i o nt e r m i n a le q u i p m e n t ，t h em a i n t a s k si n c l u d et h e r e t om a t c ht h e p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，t h ea c q u i s i t i o nc i r c u i t ，t h e c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t C o l l e c t i o nt e r m i n a l Sm a i nf u n c t i o ni st ov a r i o u s h y d r o l o g i c a ls e n s o r sc o l l e c t e dh y d r o l o g i cd a t ai n t ot h em i c r o c o n t r o l l e rC a nr e c o g n i z e a n a l o go rd i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e rf r o mt h ec o r ed a t ap r o c e s s i n ga n ds t o r a g e ，a n dt h e p u b l i cn e t w o r ku s i n gm o b i l eG P R Sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，w i t hd a t ai n t e r c h a n g ea n d d a t am o n i t o r i n gc e n t e r C o m p l e t em o d u l a rs o f t w a r ep r o g r a m m i n ga n dd a t am o n i t o r i n g c e n t e ro ft h eh o s tc o m p u t e rr e c e i v e st h ep r e p a r a t i o no ft h es o f t w a r e ，t h ea c q u i s i t i o nc a l l e f f e c t i v e l yw o r kp r o p e r l y S y s t e md e s i g nf o rf u t u r em e t e o r o l o g i c a ls t a t i o nd a t am o n i t o r i n gi sag o o dr e f e r e n c e ， A b s t r a c t i tc a nb ec o n v e n i e n t l yc o n n e c t e dw i t hv a F i o u st y p e so fw a t e rl e v e l ，r a i n f a l ls e n s o ri s c o n n e c t e d ，S Oa st of o r mm u l t i p o i n td i s t r i b u t e dw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo fw a t e ra n d r a i n U s i n g o fG P R Sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kt o p r o v i d e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eo fw a t e ra n dr a i n f a l li n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n t h er a i n c o l l e c t i n gs y s t e mf o rt h et r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o np r o v i d e sa ne f f e c t i v em e t h o d ，t h e s y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，p r i c ea n ds m a l l o p e r a t i o nc o s t ，S Ot h a ti ti sv e r ys u i t a b l ef o rw a t e rr a i nd a t ar e m o t et r a n s m i s s i o na n d u n a t t e n d e dp r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s F i g u r e 2 9 】t a b l e 10 r e f e r e n c e 5 0 K e y W o r d s ：M S P 4 3 0 ；G P R S ；w a t e ra n dr a i ni n f o r m a t i o n C h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：T P 2 3 I I I 安徽理： 大学硕士学位论文 目录 1 绪论一1 一 1 1 课题研究的背景和意义一1 _ 1 - 2 国内外发展现状一2 1 3 课题研究的的目标和内容一3 1 4 论文内容安排一4 2 水雨情数据采集系统基本原理及设计分析一6 2 1 水位数据采集一6 2 2 雨量数据采集一7 2 3 水文信息遥测原理一8 2 4 系统组成一8 2 5 设计方案论证一1 0 2 5 1 水位雨量传感器的选用一1 0 2 5 2 通信方式的比较一1 3 2 5 3 系统总体设计一1 4 3 系统硬件电路设计一1 6 3 1 核心控制器一1 6 3 2 电源电路一18 3 3 数据调理电路一1 9 3 4 存储电路一2 0 3 5 液晶显示电路2 2 3 6 G P R S 通信电路2 5 3 7 时钟电路一2 8 4 系统软件设计3l 一 4 1 总体设计思路31 4 2 主程序设计3 1 4 3 数据采集中断服务设计一3 2 1 V 目录 4 4 A D 转换程序设计一3 4 4 5 液晶显示设计一3 5 4 6G P R S 通信实现3 8 4 7 上位机数据管理软件设计实现4 1 4 7 1 软件的功能及设计原则一4 1 4 7 2 水文数据库的设计一4 3 4 7 3 系统安伞性设计一4 5 5 系统试运行调试与分析一4 6 5 1 系统试运行及调试一4 6 5 2 存在的问题及改进措旋一5 2 6 结论一5 5 一 参考文献一5 7 一 致谢一6 0 一 作者简介及读研期间主要科研成果- 6 1 一 V 安徽理二r 大学硕+ 学位论文 C o n t e m s 1E x o r d i u m 1 1 1T h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h 1 1 2D e v e l o p m e n ts t a t u sa th o m ea n da b r o a d 2 1 3R e s e a r c ho b j e c t i v e sa n dc o n t e n t 3 1 4T h e s i sa r r a n g e m e n t s 4 2T h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h ed e s i g no f t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 6 2 1W a t e rl e v e ld a t aa c q u i s i t i o n 7 2 1 2R a j n f a l ld a t ac o l l e c t i o n 7 2 3P r i n c i p l eo f h y d r o l o g yI n f o r m a t i o nt e l e m e t r y 8 2 4S y s t e mc o m p o n e n t s 8 2 5D e s i g na r g u m e n t 1 0 2 5 1W a t e rl e v e lo p t i o n a lr a i ns e n s o r 1 0 2 5 。2C o m p a r i s o no f c o m m u n i c a t i o nm o d e ，1 3 2 5 3O v e r a l ls y s t e md e s i g n 1 4 3S y s t e mh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n 1 6 3 1C o r eC o n t r o l l c r 1 6 3 2P o w e rc i r c u i t ，1 ； 3 3D a t ac o n d i t i o n i n gc i r c u i t 1 9 3 4M e m o r yc i r c u i t 2 0 3 5L C Dc i r c u i t 2 2 3 6G P R Sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 2 5 3 7C l o c kc i r c u i t 一2 8 4S y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ，。，。31 4 1O v e r a l ld e s i g ni d e a s 31 4 2T h em a i nd e s i g n 31 4 3D a t aa c q u i s i t i o ni n t e r r u p ts e r v i c ed e s i g n 3 2 4 4A Dc o n v e r s i o np r o c e s si sd e s i g n e d 3 4 V T 4 5L C D d e s i g n 3 5 4 6G P R Sc o m m u n i c a t i o ni m p l e m e n t a t i o n 3 8 4 7P Cd a t am a n a g e m e n ts o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n 一4 1 4 7 1S o f t w a r ef u n c t i o n a l i t ya n dd e s i g np r i n c i p l e s 4 1 4 7 2T h eh y d r o l o g i c a ld a t a b a s eo fd e s i g n 4 3 4 7 3S y s t e ms e c u r i t yd e s i g 4 5 5D e b u g g i n ga n da n a l y s i so f s y s t e mt e s tr u r l 4 6 5 1S y s t e mc o m m i s s i o n i n ga n dc o m m i s s i o n i n g ”4 6 5 2P r o b l e m sa n di m p r o v e m e n t s 5 2 6C o n c l u s i o n s 5 5 R e f e r e n c e s 5 7 A c k n o w l e d g e m e n t s 6 0 A u t l l o ra n dt h em a i ns c i e n t i f i ca c h i e v e m e n t sd u r i n gg r a d u a t es c h 0 0 1 6 1 V I I I 绪论 1绪论 1 1 课题研究的背景和意义 水雨情信息采集工作是水利工程建设和发展的基础，是实现水文现代化建设的排 头兵。没有这项工作，就谈不到水文水利的发展和应用。水雨情数据是重要的水文监 测参数，该参数测量的精度及实时性，直接影响到各地区水库防洪抗洪安全及农业生 产等方面。在我国水位测量工作存在着一定的困难，这是由于我国的水资源分布并不 平衡，国家疆域宽广，水文环境参差不齐，区域经济发展不协调等原因所导致的【。在 一些国家大型水电站里，重要的水文站的水文测量技术是比较先进的，自动化程度高， 而一般测报站和分站水文测量技术仍处于落后状态，难以适应测报要求。而更有大量 的水文测站在远离村庄、人炯稀少的偏远山区和山谷，而这些地区也有着严酷的自然 环境。上个世纪9 0 年代初，许多水位和降雨监测设施经过几十年的运行，人多已经 过时，处于报废状态，设施破旧，难以承担的水雨监测的功能。近年来，在国家计部 委、水利部的关心和支持下，在我国基层农村增加水文建设项目，加快建设步伐，水 文自动化监测设施落后的现状将逐步得到改善，然而，距离水文数据采集工作的现代 化还有是一个漫长的旅程【2 J 。 水雨情自动监测是水利系统建设和发展的重要组成部分，为水利工作人员的防汛 抗旱、防灾决策等提供重要的数据来源和有效地实现水资源优化调度，它是是一项重 要的防洪手段。水雨情自动监测系统采用现代化技术，实现实时水雨情数据遥测、传 输和处理。作为一种有效的解决水文数据采集监测的方案，以先进的科技手段进行河 流流域、水库和洪水等监测预报，能做到防洪和对水资源的合理利用。系统建设方面 取得的一些最新的科研最新成果，集成了很多学科诸如水文、电子、通信、传感器和 计算机等，提高了水文测量和计算效率和数据监测的速度和精度。该系统的长足发展 对于人民群众的生命和财产安全的保护，充分发挥水利工程利国利民的特点，对保障 社会稳定和町持续发展有着积极的推动作用，在国民经济可持续发展中占有极其重要 的作用。 水雨情自动监测系统是在防汛抗灾工作中必不可少的，这是一个集合了的水文数 据采集、传输和计算机处理的系统工程，能实现水文信息的资源共享，大大提高了水 文信息采集和监测的准确性，减少使用人工观测的强度。传统的水文监测系统的数据 的传输，以有线或超短波进行数据传递，它们的工作条件容易受到环境因素的影响， 不能使用具有自定义应用程序功能的无线传输技术，从而难以满足无线实时传输的需 安徽理二| 二大学硕上学位论文 求。随着G P R S 移动通信技术的发展，使人们可以利用具有准确、及时的水文监测 且低功耗的遥测终端处理器和无线通信模块，这也是水文监测技术发展的一个重要趋 势。 随着社会和人类的不断进步，在新形势下，特别是进入2 1 世纪以来，现代化的 水文监测工作的步伐越来越快，不仅需要实时准确的测量水位数据，并要求方便和可 靠的传输，能够在尽可能最短的时问内将水位雨量等系统所需的数据发送到监控中 心。存一些特定的时间内，一个国家或地区的水文数据要求在半4 , N 一内上传到相关部 门，以便做出科学决策。但如此庞大的系统，其投入是惊人的，以我国这个阶段的国 家的财力、物力和技术水平都没有达到这样的高度，只能在一些重要水文测站重点投 资。本文也不可能做冉这样的建设计划，但在这篇文章中，我们也愿意做出尝试，目 的是针对偏远地区的水文数据采集和监测系统的要求来设计出廉价实用的数据采集 监测系统。希望通过我们的努力，能够为水利建设现代化工作做出一点有益的尝试。 因此对于该系统的研究具有十分重要的实际意义。长期以来，水雨情数据采集监测设 备一直是水利仪器自动化研究的主要课题。 1 2 国内外发展现状 世界上很多国家在水文数据监测领域实现了现代化的转型。在数据的采集收集 卜，实现了水文数据传输的的实时性和利用网络传输，为国家经济发展提供了一个有 用的和广泛的帮助。而我们目前的情况，气象和水文监测站还处于起步阶段，水文监 测技术的更新和设备的更新换代迫在眉睫。水文数据监测仪器、传输方法的现代化自 动化系统改造和数据传输网络化的发展方向已经成为一种必然趋势【3 】o 与发达国家相比，我围在水文情报预报工作中虽然有许多长处，但也存在着许多 差距和不足，主要有以下几个方面： 1 信息采集、传输、处理等技术比较落后； 2 信息来源窄，信息不能实现共享； 3 系统预警预测功能待进一步开发，应用受限。 在一些野外采集的自动水文测量站中，作为数据采集模块核心的M C U ，普遍采 用廉价的5 1 系列的单片机，这类数据采集模块的功耗较高。而1 6 位M S P 4 3 0 系列超 低功耗单片机则可以有效解决系统能耗的问题，对于系统设计者必须要考虑该数据采 集系统的功耗耗问题。系统的遥测设备的整体功耗如果较大，将要使用大量的成本， 爿能确保系统稳定和有效运作，如铺设安装交流电源或大面积的使用太阳能电池板和 使用大容量电池等。但是在实际应用中，采集系统在主要设备功耗大的情况下总是很 1 绪论 难圆满完成数据监测任务。因此如何降低了设备的整体功耗，对于顺利进行野外现场 数据采集监测是一个重要的发展方向。 传统的水文数据采集通常采用人工测量的方式，需要测量人员携带测量仪器实地 进行测量，自动化程低，传输手段主要依靠邮电部门的有线和无线通信。这种常规水 文情报工作方法对我国人部分地区能满足要求，它仍将是我们今后要利用的主要收集 方法和通信手段。国外一些发达国家应用短波、超短波和微波通信，以及红外线通信 技术和卫星余迹通信技术，但当前发展最快、比较受欢迎的是卫星收集系统。应用人 造卫星作为空问传输手段，可快速实时转报地面的各种水文、气象信息，又可利用卫 星在高空直接遥测地球表层许多水文、气象因素。 随着现代网络技术的发展，出现了基于I n t e r n e t 的水文数据采集系统。这种系统 利用I n t e m e t 实现水文观测站和数据中心的通信，具有可靠性高、实时性好、传输距 离远的优点：但它也存在一些明显的不足，如网络设备购置运行和维护的成本较高、 严重依赖于I n t e r n e t ，在某些特殊场合如野外水文监测中无法采用。本课题提出数据 采集系统数据依靠G P R S 无线数据发送模块，借助于强大的G P R S 功能有效地弥补上 述数据传输方式存在的不足，利用无线模块实现观测站和数据监测中心的通信，具有 高精度、高可靠性、远距离传输、低功耗、自动化程度高、方便灵活的特点，可以应 用于多种场合的水文数据监测，不受地域、场地等限制，也符合我国国情现状【4 J 。 1 3 课题研究的的目标和内容 本论文研究内容是用M S P 4 3 0 系列低功耗单片机作为核心处理芯片，引入到水雨 情数据采集终端的的系统设计中，研究实现水雨情数据采集在单片机上的应用，以此 提高系统的实时性和软件开发效率。文章通过对G P R S 模块的学习丌发，利用G P R S 无线网络中的无线通讯服务，实现无线水雨情采集监测终端，满足远距离、区域广的 水雨情数据采集监测要求。 本课题主要研究水文观测站的水位和雨量数据的采集和监测，拟采用M S P 4 3 0 系列单片机构成数据采集系统，该系统具有数据采集、数据处理、数据无线发送等功 能。课题的主要研究内容有： 1 研究基于M S P 4 3 0 单片机的水雨情监数据采集系统构成和通信协议。 本课题设计的水雨情数据采集系统主要包括智能化传感器部分，数据采集模块和 数据无线发送模块。数据采集模块以M S P 4 3 0 系列单片机为核心，由人机接口模块、 数据采集和存储模块组成，主要负责定时采集各个智能传感器的数据，并能将数据以 一定格式存储到扩展的F L A S H 或者E E P R O M ，并定时通过G P R S 无线发送模块与监 一3 一 安徽理一l ：大学硕士学位论文 测数据中心直接通信，传送实时水雨情数据，同时还要响应人机接口模块的键盘控制 操作及L C D 显示的工作 5 。 为了实现采集系统的数据通讯，还需要制定相关的通讯协议，主要包括智能化传 感器和数据采集模块的通讯协议以及数据采集模块和无线发送设备的通讯协议。 2 采集系统的电源供电和系统能耗问题。 系统的核心处理器M S P 4 3 0 单片机的供给电压是3 V ，但是系统中有5 V 的逻辑 器件和数字器件在使用，G P R S 无线发送模块支持5 V 2 6 V 的宽电压输入范围。考 虑到系统多在野外环境下运行，采用太阳能电池板加1 2 V 2 4 A h 蓄电池的供电方式， 通过D C D C 的B U C K 模块，将1 2 V 电源转为5 V ，然后再经过5 V 转3 V 芯片供给单 片机。因此采集系统硬件电路和软件的设计上需要考虑功耗问题，保证系统在不充电 情况下能稳定运行一个月左右。 3 采集系统的监测数据中心上位机接收和管理软件的编写。 在本课题的研究中主要是利用V B 语言编制监测软件，搭建上位机监测平台，用 来接收G P R S 模块发送的数据。利用A c c e s s 数据库实现水文信息的实时显示和后台 存储等功能，该数据库操作简单，易于掌握，对上位机要求较低，在上位机软件的开 发过程中需要建立监测软件所需要的关系表，根据需要增加或删除各种供查询数据用 的表格。上位机软件还可以开发具有对现场的数据采集模块进行数据召测和参数远程 修改的功能。 1 4 论文内容安排 论文结构安排如下： 第一章，绪论，对水文数据采集系统的的研究背景、国内外现状进行分析和整理， 指出目前技术存在的不足和以后发展的趋势和要求，提出系统设计方案和研究的主要 内容。 第二章，水雨情数据采集系统基本原理及设计分析，首先分析水位、雨量两个最 基本的水文要素的数据采集原理和系统设计要求，然后对系统设计方案进行论证和分 析，主要包括采集系统基本原理、性能分析和整体设计等。 第三章，系统硬件电路设计，主要是采集系统的遥测终端的硬件电路组成，包括 核心控制器的选择和主要功能模块电路的设计。 第四章，系统软件设计，对设计方案中提出的要实现的具体目标结合硬件电路进 行编程和设计，有数据采集、转换、传输等的程序设计和实现。 第五章，系统试运行调试与分析，对系统设备及上位机软件联机试运行和测试， 1 绪论 并对存在的问题进行梳理和分析，以利于研究I ：作的改进。 第六章，结论，对文章研究的内容进行总结，对系统实现的功能整理总结，并对 下一步研究设计工作提出展望。 安徽理： 大学硕士学位论文 2 水雨情数据采集系统基本原理及设计分析 研究各种水文信息的测量、计算与数据处理的原理和方法是一门科学，是水文水 利学科的重要组成部分，而水文数据也属国家公益性数据 6 I 。各种水文测站测得原始 数据，都要按照科学的方法和统一的格式整理、分析、统计、提炼成为水文信息系统 需要的且较为完整以及具有一定精度的水文资料，供水文部门和有关国民经济部门应 用。水文数据的处理就是对水文数据的加工和处理的过程。其l j 作的主要内容包括： 采集校核原始数据；编制实测成果表；确定关系曲线，列出逐时、逐日值等。水位和 雨量就是需要采集的重要的水文要素 7 】。 2 1 水位数据采集 水位，是指河流、湖泊、水库及海洋等水体的自由水面离开固定基面的高程，以 m 计。水位与高程数值一样，要指明其所用基而才有意义。 基面：目前全国统一采用黄海基面，但各流域由于历史的原冈，多沿用以往使用 的大沽基面、吴淤基面、珠江基面，也有使用假定基面、测站基面或冻结基面的。使 用水位资料时一定要查清其基面8 1 。 水位观测的作用一是直接为水利、水运、防洪、防涝提供具有单独使用价值的资 料，如堤防、坝高、桥梁及涵洞、公路路面标高的确定；二是为推求其他水文数据而 提供间接运用资料。如在水资源计算中，水文预报中的上、下游水位相关法，即 Q 2 f ( z ) ，耻( Z 2 - Z y L ，其中Q 为流量，以m 3 s 计；s 为比降，以千分率或万分率 表示；Z 2 、Z i 分别为上、下比降断面的水位；L 为上、下比降断面的间距，单位均以 m 计【9 1 。 水位观测数据整理工作的内容包括日平均水位、月平均水位、年平均水位的计算。 f 1 平均水位的计算方法有二： 1 算术平均法计算：若一口内水位变化缓慢，或水位变化不大，但数据系等时距人 工观测取得或从自记水位计上摘录，可采用算术平均法计算。 2 面积包围法：若一日内水位变化较大、且系不等时距观测或摘录，则采用面积 包围法，即将当日0 2 4 小时内水位过程线所包围的面积，除以一R 时问求得，其计 算公式为： 一 1 z2 去【z 抖A + Z 1 ( A t l + A t 2 ) 十Z 2