水库泥沙量无线遥测系统设计

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Px+接通，向系统供电。当系统完成一次测量和数据发送后，主控单片机发出 P-OFF 信号， 三极管和场效应管关断，系统电源断开。等下一次定时时间到，重复上述过程。 3.2 传感器供电及转换模块
SOC),2005,21(7-2):69-70
作者简介：郭春燕（1980.2-），女，汉，硕士，西安建筑科技大学信息与控制工程学院助教， 从事控制理论及应用的研究工作。通讯地址：西安建筑科技大学信息与控制工程学院，邮编： 710055。Email:guo0214@sohu.com. 于军琪（1969.12-），男，汉，博士，教授，西安建筑科技 大学信息与控制工程学院副院长，长期从事自动控制理论、智能控制及无线通信的教学与科 研工作。 Author brief introduction: Guo Chun-yan(1980.2-),female, han, master, assistant of school of information and control engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, research on control theory and its application. Address: school of information and control engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, postcode: 710055. Yun Jun-qi(1969.12-),male, han, doctor, professor, subdecanal of school of information and control engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, teach and research on control theory, intelligent control and wireless communication.
晶振模块
电源及稳压模块
传感器供电及测量模块
时钟日历芯片
Msc1210
SPI 及转换开关模块
温湿度芯片
调制解调器接口模块
分压模块
图 3 终端控制机模块框图
3.1 时钟日历芯片 为了节省功耗，系统每 10 分钟启动一次。由于 MSC1210 不具有自动定时重启功能，
因此采用时钟芯片 PCF8563 来实现此功能。PCF8563[5]是 PLILIPS 公司生产的低功耗 CMOS 实时时钟/日历芯片，工作模式、报警模式和定时器模式通过编程其内部的特殊功能寄存器 来设置。本系统选用了 1/60Hz 的工作频率，定时器寄存器值为 10，即可每 10 分钟产生一 个中断信号。触发电路如图 4 所示，其中 P-ON 为时钟芯片的中断输出，P-OFF 为单片机的 电源关闭信号。当定时时间到，时钟芯片发出中断信号 P-ON，场效应管接通，+12 电源与
开始
设置终端控制机运行时钟
开中断
初始化 ADC 及串口 1
延时，采样数据
比较各传感器的值与前次发送的值
否 达到发送条件？
是 发送数据
系统断电
参考文献
图 6 主程序流程图
[1] 王兆印,林秉南.中国泥沙研究的几个问题[J].泥沙研究,2003,(4):73-81 [2] 刘传菊,肖明明,黄洪波.基于网络—无线技术的分布式测控系统的优化设计[J].微计算机信息(测控自
选用了 40W ，12V 的太阳能板和 100 Ah ，12V 的全密封免维修铅酸蓄电池（电台工作电
压为 12V）。
太阳能电池 逆流保护器
蓄电池
同轴避雷器 无线电台
电源管理
天馈线 调制解调器 终端控制机
继
电
泥沙传感器 1
器
器
组
泥沙传感器 n
图 1 遥测站系统组成框图
2.2 泥沙传感器 市场上目前没有专门测定泥沙含量的传感器。本设计采用了差压式传感器。传感器的等
Abstract: Based on wireless remote measure technology, remote automatic measure system for reservoir-bedload is designed in this paper. It includes solar battery power supply, bedload-sensor, remote station, station controller, wireless communication and reliability design. It implements reservoir-bedload content automatic measure and transmit. The system works stably and reliably in practice, and it applies to the application of reservoir. Key words: wireless; bedload content; remote measure
摘要：文中基于无线遥测技术,设计了水库泥沙量远程无人值守自动测报系统。其中包括太阳能电池供电、
泥沙传感器、遥测终端及其控制机、无线通信和可靠性设计等技术，能较准确实现水库不同观测面的泥沙
含量自动测报。实践证明，该系统工作稳定可靠，完全适用于水库的实际应用。
关键词：无线；泥沙量；远程测报
中图分类号：TN919.72
效电路如图 2 所示：其中 R1、R2 为普通电阻，R3、R4 为压敏电阻，其阻值取决于河水和 清水压力的大小，Us 为供电电压，Uc 为输出电压。适当选择各电阻，使得当 R3、R4 所受 压力相等时，输出电压 Uc 为 0。当压力不同时，R3 和 R4 之间存在电阻差，从而输出电压 值 Uc 发生变化。通过 Uc 与压力的关系，即可求出泥沙含量。
动化),2005,21(12-1):84-85 [3] 宋先文,李智录.泥沙遥测终端控制机的设计[J].泥沙研究,2005,(3):49-53 [4] Texas Instruments Incorporated. MSC1210 User’s Guide. Texas Instruments Incorporated. 2002 [5] 广州周立功单片机发展有限公司. PCF8563 日历时钟芯片原理及应用设计. http://www.zlgmcu.com [6] 赵 希 权 , 曾 志 新 , 李 勇 . 循 环 冗 余 校 验 在单片机无 线 通信中的应 用 [J].微计算机 信息(嵌入 式 与
图 2 泥沙传感器等效电路
3 终端控制机
终端控制机是无线遥测终端的核心，负责控制遥测终端的所有操作，其模块框图如图 3 所示。采用单片机 MSC1210 作为控制机的核心。MSC1210 是 TI 公司的一种集成了增强型 8051 内核的单片机[4]。其内部有一个 8 路 24 位的 AD 转换器，有 21 个中断源，16 位 PWM， 全双工 UART，执行速度比标准 8051 内核快 3 倍且完全兼容，采用 TQFP64 小型封装。
图 4 电源触发电路
图 5 传感器通路选择电路
4 通信格式及软件设计
为了简化设计，不要求中心控制站对遥测站实施控制，只由遥测站采集并向中心控制站 传送数据。本系统中心控制站下面有 7 个遥测终端，采用定时采集，依据站号延时发送的方 式传送数据。当站号为 0 时则立即发送数据，否则根据站号依次延时一个数据发送时间。由 于泥沙含量自然变化比较缓慢，所以当采样结果与前次发送数据比较的差值达到一定量（如 0.1%、0.5%等）时才发送采样数据。数据包的基本格式如下：
子程序等组成。主程序流程图如图 6 所示。
源自文库
5 可靠性设计
为了保证遥测终端数据采集的高可靠性，需进行尽可能详尽和精确的自检[6]，设计中主 要进行了电源电压、CPU、RAM、ROM、测量电路、传感器线路状态六种自检。
供电电压通过一个分压电路后判断其值是否在允许范围内来实现自检。CPU 自检可让 CPU 执行一段小程序，若结果正确，则表示正常。RAM 自检一般采用先向存储器内写数据， 然后读出，通过比较两数据是否相同来判断存储器的正常情况。ROM 自检可使用校验和的 方法进行。测量电路可通过加一个标准电压判断测量结果是否在允许范围内来进行自检。传 感器线路的状况可直接判断其输出电压是否在允许范围内。自检结果采用 8 位状态字进行存 放。低六位对应于六种自检（最高两位不用），自检正常则相应位置 1，否则置 0。
为了准确测定河水的含沙量，需要在不同深度分别放置多个传感器。每个测量终端控制 机最多可接 16 个传感器，传感器在进行数据采集时才进行供电。通过继电器和移位寄存器 的结合，终端控制机循环对各传感器采样。传感器通路选择电路如图 5 所示。其中 SDA、 CLK、ALE 直接接在主控单片机的 I/O 口，JS0:15 用来控制继电器。
同步 站
数据信息
采样
数据
前次
本次 校验
帧号
标志码
计数
长度
数据
数据
码
其中，数据信息标志码表示遥测终端上电自检结果，0 表示终端自检正常，非 0 表示自检发
现故障，不同值代表不同的故障信息；采样计数为上次发射到本次发射中间的采样次数，采
样一次该计数加一，发射时清零，可用于中心站确认漏报次数。
整个遥测终端软件由主程序、初始化子程序、数据采集计算子程序、延时子程序、发送
6 结论
本文作者创新点是，根据水库所处地理环境的特点，设计了水库泥沙量远程无人值守自 动测报系统。该无线遥测系统以终端控制机 MSC1210 为核心，采用了太阳能电池供电和差
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压式泥沙传感器，实现了水库不同观测面的泥沙含量自动测报。因着重考虑了可靠性问题， 所以工作状态稳定可靠。实践证明，本系统完全适合于水库的实际应用。
2 系统设计
水库所处位置一般面积较大，地形复杂，布线困难，因此设计了无线通信[2]方式的无人 值守自动测报系统，其框图如图 1 所示。主要由电源模块、无线发射部分、终端控制机和泥 沙传感器四部分构成。
2.1 电源模块 水库一般缺少普通工业供电网络[3]，不宜或者无法采用交流电源供电，因此采用太阳能
蓄电池供电。其中太阳能电池的输出功率和蓄电池的容量是两个至关重要的参数。根据电台、 泥沙传感器和终端控制机的工作参数算出其平均工作电流，再由如下公式：功率 = 设备电 源电压×平均工作电流×负载相乘系数/负载修正系数，容量 = 平均工作电流×最长阴雨时
1 引言
新中国建立以来我国江河治理和水利水电建设中的泥沙问题十分突出[1]，水资源开发利 用也受到泥沙问题的制约。特别是在水资源日益紧张的今天，为了合理利用水资源，许多河 流上修建了大坝和水库，这必然会破坏天然状况下水沙条件与河床条件的相对平衡状态。库 水位壅高及坝前侵蚀基面的抬高，使水流输沙能力显著降低，从而大量泥沙在库区淤积而减 少库容，大大削弱了水库的调洪能力及综合利用能力。目前水库的调度运行管理手段十分落 后，尤其在排沙减淤方面主要采用人工观测的方法，无法及时准确的做出排沙方案和实施控 制。为了增大水库排沙比，减少水库泥沙淤积量，延长水库寿命，实时的制定最优排沙方案， 必须建立一种自动监测含沙量和泥沙淤积量的实时水文泥沙数据采集及处理系统
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水库泥沙量无线遥测系统设计
郭春燕 1, 于军琪 1 , 宋先文 2
（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院，西安，710055； 2.西安科技大学电气与控制工程学院，西安，710054）
间/容量修正系数，算出该两个参数。本设计中为 11.8W 和 50.83 Ah 。为了留有足够余量，
陕西省教育厅专项科研基金项目（02JK149）资助 陕西省自然科学基金（2003F15）资助
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文献标志码：A
Design of Wireless Remote System for Reservoir-bedload
GUO Chun-yan 1, YU Jun-qi 1, SONG Xian-wen 2
(1.School of Information and Control Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an,ShannXi,China,71005,; 2. School of Electric and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an,ShannXi,China,710054)