自報式水文遙測系統(tǒng)能在無人值守情況下，自動收集雨量、水位和其他水文參數(shù)的實時數(shù)據(jù)并自動報送所采集的數(shù)據(jù)，得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)水文遙測終端多采用MC-51單片機(jī)做為控制芯片，集成度低，設(shè)計較為煩瑣，外圍電路較復(fù)雜。PIC單片機(jī)是MICROCHIP公司近年來推出的新型單片機(jī)系列，本文以PIC16F877單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端機(jī)  控制芯片，設(shè)計一種新型的水文遙測系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、指令集精簡、抗干擾性好、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特性，用PIC單片機(jī)設(shè)計水文遙測系統(tǒng)終端機(jī)較傳統(tǒng)51單片機(jī)的設(shè)計更加靈活，外圍電路更精簡。

　　水文自動測報系統(tǒng)的基本組成

　　系統(tǒng)由終端機(jī)（遙測站）、中繼站（信息傳輸通道）以及中心站三部分組成。組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)組成示意圖

　　終端機(jī)通過傳感器自動實時地進(jìn)行水位及雨量數(shù)據(jù)的采集，并通過無線電臺向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，通常用超短波頻段，功率5～25W，當(dāng)通信距離超過50km，或有高山阻擋時，可設(shè)置中繼站，進(jìn)行再生轉(zhuǎn)發(fā)，中心站接收數(shù)據(jù)后可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。

　　水文自動測報系統(tǒng)的系統(tǒng)總體功能

　　數(shù)據(jù)接收、處理：實時接收遙測站的雨情、水情等信息；自動檢查數(shù)據(jù)幀格式，并進(jìn)行合理性判斷；加注時標(biāo)，自動存儲。

　　應(yīng)答、查詢：定時或人工查詢下屬站點的雨情、水情等信息及其工作狀態(tài)。

　　數(shù)據(jù)庫管理：包含原始數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、預(yù)報或成果數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等。

　　數(shù)據(jù)輸出：可通過顯示器（包括大屏幕顯示）、打印機(jī)、繪圖儀等輸出雨量直方圖、水位、流量過程線等、雨量線圖等。

　　洪水預(yù)報及優(yōu)化調(diào)度：包括洪水預(yù)報參數(shù)初始化、參數(shù)設(shè)置/修改、定時預(yù)報、脫機(jī)估報、水庫優(yōu)化調(diào)度，成果存儲、輸出。

　　連網(wǎng)通信：可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可實現(xiàn)多計算機(jī)串行通信，通過電話線可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

　　狀態(tài)告警：根據(jù)設(shè)定的告警雨量、水位值，可實現(xiàn)自動聲光告警，并可通過電話線實現(xiàn)電話語言報警。

　　水文遙測終端機(jī)設(shè)計

　　1工作方式選擇

　　目前，水文遙測系統(tǒng)有三種工作方式：（1）自報式：每當(dāng)被測的水文參數(shù)發(fā)生一個單位變化時，遙測站自動采集發(fā)送  數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)答式：中心站自動定時或隨機(jī)呼叫遙測站，查詢其水文數(shù)據(jù)；（3）兼容式：既具有自報功能，又具有應(yīng)答功能，在水文數(shù)據(jù)無變化、中心站未發(fā)送查詢請求時系統(tǒng)返回低功耗狀態(tài)?？紤]到用戶需求、系統(tǒng)工作環(huán)境和特點，以及對低功耗和高可靠性的要求，本系統(tǒng)選擇采用自報式工作方式。

　　2傳感器以及性能要求

　　3通信協(xié)議設(shè)計

　　通信速率為300b/s。FSK副載波頻率符合CCITTV21或V23標(biāo)準(zhǔn)。異步通信幀格式：1位起始位，8位信息位，1位奇校驗位，1位停止位。

　　據(jù)幀格式如表1所示。其中，幀同步（起始）字節(jié)為02H，幀結(jié)束字節(jié)為03H；校驗字節(jié)（8比特）是站址字節(jié)、幀特征字節(jié)、數(shù)據(jù)高位字節(jié)、數(shù)據(jù)低位字節(jié)的模2加；站址字采用十進(jìn)制壓縮BCD編碼方式；幀特征字定義如表2所示。數(shù)據(jù)字段采用兩字節(jié)長度，分為數(shù)據(jù)低位和高位。編碼方式由特征位定義，其中水位可為十進(jìn)制或二進(jìn)制，而雨量為二進(jìn)制表示。

　　規(guī)則采用重復(fù)編碼，方法是每次重發(fā)三幀，接受端大數(shù)判決。發(fā)送控制及時序如圖2所示。

　　圖2RTX與TXD的時序圖

　　4硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

　　由于模塊中既有+12V供電的模塊又有+3.3V供電的模塊，因此必須在電路中設(shè)計電壓轉(zhuǎn)換電路。考慮到FM發(fā)射機(jī)需要+12V供電，且降壓電路易于實現(xiàn)，所以+12V部分采用直接供電，而+3.3V部分采用降壓后的電源供電的供電方案。在DC/DC變換芯片的選擇上，選用比較常用的LP2950來實現(xiàn)+12V～+3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗電壓調(diào)節(jié)器，非常適用于一些電池供電系統(tǒng)，其具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性，非常良好的負(fù)載及線路調(diào)節(jié)特性，適合做低功率電壓源。

　　該設(shè)計留有壓力式水位計擴(kuò)展接口，可用于今后有擴(kuò)展需求時進(jìn)行使用。通過DIP編程開關(guān)可設(shè)置該機(jī)是否清零，定時發(fā)送水位還是雨量以及終端機(jī)站址的設(shè)置。為了方便維護(hù)，在設(shè)計中增加了強(qiáng)發(fā)功能，按動［send］鍵后，則終端機(jī)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。此時發(fā)送過程與定時發(fā)送一樣。硬件電路圖如圖3所示。

　　圖3終端機(jī)電路圖

　　5軟件設(shè)計與實現(xiàn)

　　整個程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷程序，包括基本的CPU時鐘和外圍模塊的初始化，以及各功能模塊的實現(xiàn)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等。

　　主程序執(zhí)行對定時器、串行通信等的初始化，系統(tǒng)的升級，收集、整理、發(fā)送數(shù)據(jù)等進(jìn)程，  進(jìn)入省電模式，以中斷服務(wù)喚醒CPU，主程序流程圖如圖4所示。

　　圖4主程序流程圖

　　中斷服務(wù)主要有雨量計數(shù)、水位數(shù)據(jù)采集、定時發(fā)送進(jìn)程。定時從水位計上將水位數(shù)據(jù)讀入，并加以分析，依分析結(jié)果確定是否把所讀入的水位數(shù)據(jù)寫入帶有保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)并發(fā)送。同樣，當(dāng)雨量信號到來時，雨量數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)存儲區(qū)中并發(fā)送。中斷程序流程圖如圖5所示。

　　圖5中斷程序流程圖

　　中心站的功能與結(jié)構(gòu)

　　中心站由實時監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、防雷設(shè)施、軟件系統(tǒng)等組成，含中心軟件及洪水預(yù)報軟件，能夠集中遙測系統(tǒng)內(nèi)各終端機(jī)的水文數(shù)據(jù)。

　　圖6中心站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

　　中心站主要完成以下功能：

　　●實時顯示水文信息。

　　●實現(xiàn)各水文站、遙測站的雨量、水位信息的接收和存儲。

　　●實現(xiàn)水文水資源信息省中心或防汛部門、自動測報系統(tǒng)中心的自動傳輸。

　　●提供實時水情分析及水情預(yù)警服務(wù)。

　　●對站點任意時間的水位、雨量、日雨量和累計雨量信息的查詢。

　　●對所形成各種水文要素資料整編成表。

　　結(jié)論

　　本設(shè)計和研究主要目的是為了進(jìn)一步優(yōu)化水文遙測系統(tǒng)的性能，通過使用這種新型芯片設(shè)計，降低遙測終端機(jī)功耗，實現(xiàn)終端機(jī)外圍電路  簡化，并留出了軟件更新以及附加硬件設(shè)備的擴(kuò)展接口，進(jìn)一步提高了自報式水文系統(tǒng)的性能。實驗結(jié)果表明，設(shè)計方案可行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。