孫 強, 雷 磊, 鄒 彬, 衛(wèi)娟娟, 楊 彤

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院, 陜西 西安 710100; 2.國網(wǎng)陜西省電力公司, 陜西 西安 710048; 3.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司， 陜西 西安 710032; 4.西安蘭灃環(huán)境科技有限公司, 陜西 西安 710061)

水土保持監(jiān)測是輸變電工程水土保持工作的重要環(huán)節(jié)，它既對水土保持方案的實施情況監(jiān)督，又是水土保持設施竣工驗收評估的重要依據(jù)。2009年以來，中國已建立起全國水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡平臺。國內(nèi)外學者已對水土保持監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、處理及分析開展了系列相關研究。鄧玉嬌[1]基于WebGIS系統(tǒng)構(gòu)建了水土保持動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，有效解決了海量多時態(tài)數(shù)據(jù)更新、管理、分析的問題。楊永紅[2]基于3S技術開發(fā)了水土流失動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，以彩色相元表示監(jiān)測區(qū)域的年水土流失量和流失的空間分布情況，為水保監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與表達提供了新思路。錢巧靜[3]對基于WEB 的水土保持監(jiān)測信息表達進行了研究，實現(xiàn)了對空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)及其組合的可視化交互查詢分析功能，并能夠進行靈活的自定義條件查詢。李松[4]建立了一套應用于水土保持自動化監(jiān)測站點的綜合集成信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成對各類自動監(jiān)測設備的運行管理、數(shù)據(jù)的自動采集和入庫、監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與輸出、數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)裙δ?，提高水土保持監(jiān)測的自動化和信息化水平。趙會東[5]提出面向水土保持數(shù)據(jù)采集的GPRS DTU系統(tǒng)，將串口設備采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成TCP/IP數(shù)據(jù)包并通過GPRS網(wǎng)絡傳回數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)了低價解決水土保持數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)膯栴}。以上研究主要集中在數(shù)據(jù)傳輸及分析表達中，缺乏設備集成和傳輸方式有機結(jié)合的創(chuàng)新研究，不能完全適用于輸變電工程水土保持監(jiān)測工作的需要。水土流失影響因子監(jiān)測是輸變電工程水保監(jiān)測的重要內(nèi)容，它是水土流失發(fā)生、發(fā)展的內(nèi)在原因，掌握它的動態(tài)變化能夠解釋水土流失的本質(zhì)與規(guī)律，是預測預報和預防治理水土流失的關鍵。本研究選擇水土流失影響因子中的氣象因子(雨量、溫度、濕度、風速、風向)與土壤含水量作為監(jiān)測對象，對系統(tǒng)自動化監(jiān)測、數(shù)字化傳輸、數(shù)字顯示等關鍵技術進行研發(fā)，初步建立起輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能框架。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

輸變電工程水土保持在線監(jiān)測關鍵技術主要包括傳感器集成、采集與控制模塊、數(shù)據(jù)分析終端3部分。其中，傳感器集成主要是集成雨量、溫度、濕度、風速、風向、土壤含水量等傳感器，將原始量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌鬏?；采集與控制模塊采用DSPIC系列工業(yè)級單片機作為主控芯片，用于定時采集、存儲傳來的信號；數(shù)據(jù)分析終端是PC機設計程序，用于數(shù)據(jù)收集分析、處理、數(shù)字化顯示、存儲和形成報告等。系統(tǒng)總體設計框。如圖1所示，輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)是現(xiàn)代測試技術和現(xiàn)代通訊技術相結(jié)合的產(chǎn)物，其工作原理是對水土流失各影響因子進行定時采樣和按序存儲，經(jīng)USB本地導出或無線遠程到監(jiān)測中心，利用專用分析軟件對所采集的信息進行歸納、統(tǒng)計和分析，最終得到監(jiān)測地的水土流失狀況。

圖1 系統(tǒng)總體設計結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 指標選取

根據(jù)輸變電工程的特點，參照各類水土保持相關標準[6-8]和國網(wǎng)陜西省電力公司水土保持監(jiān)測要求等，提出了水土流失影響因子技術指標(表1)。

表1 水土流失影響因子技術指標

2 硬件設計

2.1 傳感器選型

鑒于目前傳感器市場已較為成熟，本文選擇市場上滿足水土流失影響因子技術指標監(jiān)測要求的傳感器。各監(jiān)測指標傳感器選型為： ①雨量選擇CG-04型翻斗式雨量傳感器； ②溫度選擇PHQW大氣溫度傳感器，采用高精度熱敏電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化[9]； ③濕度選擇PHQS大氣溫度傳感器，采用高分子薄膜濕敏電容作為感應部件，其介電常數(shù)隨相對濕度而變化； ④風速選擇PHWS風速傳感器，采用傳統(tǒng)三風杯結(jié)構(gòu)，當風杯受水平風力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出頻率信號； ⑤風向選擇PHWD風向傳感器，采用低慣性風標及精密電位器，當風向發(fā)生變化時，尾翼轉(zhuǎn)動通過軸桿帶動電位器軸芯轉(zhuǎn)動，從而在電位器的活動端產(chǎn)生變化的電阻信號輸出； ⑥土壤水分選擇PH-TS100土壤水分傳感器，采用時域反射TDR法進行測量，即通過測量土壤的介電常數(shù)，直接穩(wěn)定地衡量各種土壤的真實水分含量，與土壤本身的機理無關[10]。

傳感器供電由220 V市政供電通過集成開關電源模塊轉(zhuǎn)為12 V提供。溫度、濕度、風速、風向和土壤水分等監(jiān)測傳感器輸出信號均采用RS485通訊；雨量傳感器輸出采用干簧管通斷。

2.2 采集與控制模塊

采集與控制模塊硬件主要包括：單片機最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲、通訊模塊、電源模塊和實時時鐘模塊。

2.2.1 單片機最小系統(tǒng)設計 主控制芯片選擇美國Microchip公司的64引腳PIC24 F系列單片機，工作電壓2～3.6 V，最高運行速度達16 MIPS(32 MHz)。芯片本身集成了豐富的片內(nèi)資源，包括53路通用數(shù)字I/O口，16路10/12位精度的ADC通道可實現(xiàn)單端采集或差分采集，內(nèi)部有128 kB程序閃存，8 kB SRAM和具有5路16位定時器模塊，保證了系統(tǒng)本地存儲、低功耗、后期功能擴展的要求。

2.2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊設計 數(shù)據(jù)存儲模塊采用M25 P128芯片作為單片機外部的128 MB閃存芯片，工作電壓2.7～3.6 V，工作溫度-40～85 ℃。數(shù)據(jù)保存期限20 a，每個扇區(qū)可承受10 000次擦寫循環(huán)。軟件功能包括：整體擦除和扇區(qū)擦除、靈活的頁面編程指令和寫保護。

2.2.3 通訊模塊設計 通訊方式有連接傳感器的輸入接口RS-485通訊和連接PC機的數(shù)據(jù)上傳USB通訊。 ①輸入接口RS-485通訊。采用TI公司的SN65 HVD12 D芯片作為RS485通信信號轉(zhuǎn)換器，供電電壓3.3 V，具有共模輸入電壓-7～+12 V，最高速率達1 Mbps。考慮到數(shù)據(jù)采集周期可能較長，為提高可靠性，采用9 600 bps的速率。 ②數(shù)據(jù)上傳USB通訊。USB通訊信號轉(zhuǎn)換器采用FTDI公司的FT245 R芯片，它能夠?qū)崿F(xiàn)全部USB通信協(xié)議，單片機無需編寫固件程序。上位機(PC)使用FTDI驅(qū)動程序?qū)SB接口轉(zhuǎn)換為虛擬串口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；下位機通過并行方式與FT245 R通訊[11]。

2.3 數(shù)據(jù)分析終端

硬件設計選擇PC機作為上位機，利用USB通訊，定期讀取采集數(shù)據(jù)，完成動作命令的發(fā)送端和上傳數(shù)據(jù)的接收端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、顯示、存儲和讀取。

上位機程序是整個系統(tǒng)的測試管理層，為用戶提供測試平臺與系統(tǒng)的信息互動，也是各功能模塊的入口[12]。上位機程序基于Labwindows/CVI虛擬儀器進行開發(fā)。測試平臺的功能模塊有： ①設置功能。實現(xiàn)產(chǎn)品信息的輸入以及參數(shù)的下傳設置； ②下載功能。實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)按照存儲目錄的順序讀入上位機內(nèi)存中，并從上位機發(fā)命令將下位機內(nèi)存數(shù)據(jù)全部擦除； ③數(shù)據(jù)管理功能。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢，并導出報告； ④數(shù)據(jù)處理與顯示，將讀入的數(shù)據(jù)進行分離、處理和顯示。上位機總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 上位機總體結(jié)構(gòu)示意圖

3 軟件設計

3.1 采集與控制模塊

單片機(下位機)主程序流程圖如圖3所示。程序以C語言為基礎，利用MPLAB開發(fā)軟件編寫。因為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲的子程序動作次數(shù)不同，所以讀取時間(RTC)設定也不同。但每次動作采集數(shù)據(jù)流程相同。其中，雨量采集設定每分鐘1次，溫度、濕度、風速、風向、土壤水分等采集設定每半小時1次。采集的數(shù)據(jù)緩存至單片機中，每小時將數(shù)據(jù)打包存儲至數(shù)據(jù)存儲芯片。下位機在接收到正確的讀數(shù)指令后，開始在內(nèi)存數(shù)據(jù)中尋找按照指令攜帶的月、日信息的指定數(shù)據(jù)，按照通訊協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)格式返回給上位機[13]。

3.2 數(shù)據(jù)分析終端

上位機(PC)向采控模塊發(fā)送讀取數(shù)據(jù)目錄命令，將數(shù)據(jù)從目錄區(qū)讀回到PC內(nèi)存，通過查看目錄可知采控模塊存儲數(shù)據(jù)的時間。系統(tǒng)查詢某天數(shù)據(jù)時，PC發(fā)送讀數(shù)命令，采控模塊將該天的數(shù)據(jù)量按24 h連續(xù)排列，每天的數(shù)據(jù)量總數(shù)為1 680，每1 h數(shù)據(jù)量為70，數(shù)據(jù)格式為“溫度、濕度、風速、風向、土壤水分、雨量(60個點)”。PC按此格式讀取該天的數(shù)據(jù)量，再重新拆分提取各參數(shù)的數(shù)據(jù)，并以整數(shù)形式存儲在內(nèi)存中。在圖形處理過程中，程序?qū)⑸厦娴脑紨?shù)據(jù)進行拆解、分離、整合出各類數(shù)據(jù)，然后利用GRAPH控件顯示時間與各監(jiān)測值的圖形。因為溫度、濕度、風速、風向、土壤水分等每30 min采集1個點，可以顯示在同1張圖中；而雨量每1 min采集1個點，所以單獨繪制圖形。

圖3 單片機主程序流程示意圖

4 運行結(jié)果及分析

為了測試研發(fā)的輸變電工程水土保持在線監(jiān)測關鍵技術，在室外開展測試，測試地點為：國網(wǎng)陜西電科院北工作區(qū)試驗樓樓頂，測試時間從2015年8月1日至2016年1月18日。測試現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 測試現(xiàn)場照片

測試系統(tǒng)通過USB通訊與PC連接，可進行參數(shù)設置、數(shù)據(jù)查詢、圖形顯示和報告導出等操作(如圖5所示)。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與顯示界面

軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)可按要求進行分析處理，根據(jù)2015年8月實測數(shù)據(jù)，分析日平均溫度、濕度、風速和日降雨量的變化情況，并繪制圖形(如圖6所示)。從圖6中，可直觀發(fā)現(xiàn)8月23日的數(shù)據(jù)存在異常。經(jīng)調(diào)查，異常原因為8月22日23時至8月23日13時停電，導致測試系統(tǒng)無法采集數(shù)據(jù)。為了驗證系統(tǒng)在其他日期數(shù)據(jù)采集的準確度，選用市場上可讀數(shù)的各獨立指標傳感器開展對比試驗。對比驗證試驗持續(xù)時間1個月，試驗方法為：將對比傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)放置在同種環(huán)境下，等傳感器工作穩(wěn)定后，讀取各獨立傳感器數(shù)據(jù)和監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。通過對比，得出各指標偏差均不超過5%。因此，研制的輸變電工程水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術具有良好的穩(wěn)定性和精確度，滿足技術要求。

圖6 2015年8月平均氣溫、濕度、風速和降雨量

5 結(jié) 論

(1) 監(jiān)測系統(tǒng)測試在高溫、低溫、大風、雷雨天氣等不利條件下，無死機和數(shù)據(jù)丟失的情況，證明監(jiān)測系統(tǒng)具備良好的工作穩(wěn)定性和可靠性。

(2) 監(jiān)測系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)誤差率小于5%，證明系統(tǒng)采集和處理數(shù)據(jù)具有足夠的準確性。

(3) 監(jiān)測系統(tǒng)上、下位機通訊良好，數(shù)據(jù)傳輸準確、迅速，數(shù)據(jù)管理軟件用戶界面操作簡便、功能齊全。

相比其他現(xiàn)有水土保持監(jiān)測技術，本研究開發(fā)的水土保持在線監(jiān)測系統(tǒng)可以滿足輸變電工程線性分布的特點，并且采集和處理數(shù)據(jù)具有直觀、準確、實時的優(yōu)點，但是目前還存在以下問題：測試期間，曾發(fā)生停電狀況，導致部分數(shù)據(jù)缺失，建議為測試系統(tǒng)配備備用電源，保障系統(tǒng)關鍵技術能不間斷工作。

[參考文獻]

[1] 鄧玉嬌.湖北省水土保持動態(tài)監(jiān)測WebGIS系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)[J].成都信息工程學院學報,2003,18(4):398-402.

[2] 楊永紅.水土流失監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及其在地表覆被中的應用研究[D].云南 昆明：云南師范大學,2003.

[3] 錢巧靜.基于WEB的水土保持監(jiān)測信息表達的研究及實現(xiàn)[D].北京:中國科學院研究生院,2005.

[4] 李松.水土保持自動監(jiān)測信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].湖北 武漢: 華中科技大學,2011.

[5] 趙會東.面向水土保持自動數(shù)據(jù)采集的GPRS+DTU設計與開發(fā)[D].湖北 武漢：華中科技大學,2016.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50434-2008開發(fā)建設項目水土流失防治標準[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[7] 中華人民共和國水利部. SL277-2002水土保持監(jiān)測技術規(guī)程[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

[8] 中華人民共和國水利部. SL342-2006水土保持監(jiān)測設施通用技術條件[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[9] 唐慧強,張自嘉,劉佳.氣象儀器基礎[M].北京:科學出版社,2013.

[10] 王克棟,陳巖.土壤是水分測量技術與商情監(jiān)測系統(tǒng)研究[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011:8-10.

[11] 劉思久,張禮勇.虛擬儀器與基于USB總線的測試設備[J].電測與儀表,2003(1):11-18.

[12] 仇志平,李樹軍. Labwindows/CVI虛擬儀器軟件在測試領域中的應用[J].計算機工程與設計,2007,28(22):5544-5548.

[13] 陳穎麗,劉繁明,王建敏. Labwindows/CVI中基于ActiveX技術的Excel訪問[J].測控技術,2008,27(6):62-64.