(遼寧省大連水文局，遼寧 大連 116023)

1 區(qū)域水文概況

莊河隸屬于大連市，位于遼東半島東側(cè)中部，東與丹東市毗鄰，西與大連普蘭店區(qū)隔河相望，南與黃海相連。全市屬低山丘陵地區(qū)，地勢(shì)由北向南漸低，陸域總面積4086km2。北部群山系千山余脈，海拔皆在200m以上，中部丘陵高坡蜿蜒起伏，土壤肥沃，海拔介于10～200m之間。

莊河市屬于溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有海洋氣候特征，四季分明，氣候溫和，光照充足，降水集中，是大連地區(qū)年降水量最為豐沛的縣級(jí)市，境內(nèi)多年平均降水量807.2mm，集中在6—9月，占全年的70%～80%；多年平均徑流深380.6mm；受地形地勢(shì)的影響，降水量從北向南逐步遞減。降水量的相對(duì)充盈，意味著該地區(qū)防汛任務(wù)的復(fù)雜性和嚴(yán)峻性。

2 雨量計(jì)介紹

2.1 組成結(jié)構(gòu)

本次雨量計(jì)設(shè)計(jì)主要組成部分有雨量筒、太陽(yáng)能基板、蓄電池等。雨量筒內(nèi)部構(gòu)造為本次設(shè)計(jì)核心部分，包括漏斗、舵機(jī)、導(dǎo)流槽、儲(chǔ)水桶、排水管、電磁閥、稱(chēng)重托盤(pán)、稱(chēng)重傳感器、數(shù)據(jù)采集箱等部件[1]，具體組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 雨量筒內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)圖

2.1.1 舵機(jī)說(shuō)明

舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)器，又叫伺服馬達(dá)，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路等，其安裝了一個(gè)電位器(或其他角度傳感器)檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確地控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確地說(shuō)是伺服電機(jī)[2],其工作原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 舵機(jī)工作原理圖

選擇舵機(jī)主要考慮輸入電壓范圍、失速轉(zhuǎn)矩和速度。本次雨量計(jì)采用的舵機(jī)是市面上比較通用的Hitec HS-311伺服電機(jī)，屬亞微型舵機(jī)，其功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，所需電壓4～6V，在蓄電池控制范圍內(nèi)，且價(jià)格適宜，尤其這種舵機(jī)可以利用Arduino這樣的微控制器，通過(guò)改變脈沖寬度，精確地控制其旋轉(zhuǎn)角度及停留時(shí)間，完全符合本次研發(fā)的雨量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集箱是該設(shè)備的核心終端，負(fù)責(zé)控制傳輸指令，整套設(shè)備的大腦單片機(jī)就藏身于此。箱內(nèi)包含天線(xiàn)、存儲(chǔ)模塊、短信模塊、時(shí)鐘模塊、LED顯示屏、單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、繼電器模塊、電源穩(wěn)壓模塊；外連端口有稱(chēng)重傳感器輸出端、LED顯示屏輸出端、舵機(jī)輸出端、電磁閥控制輸出端、電源保險(xiǎn)絲、直流電源輸入端等[3]。各模塊具體連接情況見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)圖

2.2 雨量計(jì)運(yùn)行原理

2.2.1 運(yùn)行原理

本雨量計(jì)采用兩套完全相同且相互獨(dú)立的測(cè)量裝置，包括兩個(gè)儲(chǔ)水桶、兩個(gè)稱(chēng)重傳感器、兩套排水系統(tǒng)。具體描述為雨量筒內(nèi)的漏斗下連進(jìn)水管，進(jìn)水管伸到導(dǎo)流槽上方，導(dǎo)流槽和舵機(jī)共用1個(gè)軸心，固定在雨量筒內(nèi)，目的是使舵機(jī)可以帶動(dòng)導(dǎo)流槽，控制其左右傾斜，使雨水可以進(jìn)入相應(yīng)的儲(chǔ)水桶。用于盛水的兩個(gè)儲(chǔ)水桶固定在各自稱(chēng)重托盤(pán)上，稱(chēng)重托盤(pán)下連稱(chēng)重傳感器。每個(gè)儲(chǔ)水桶外側(cè)都連有1個(gè)排水管，兩個(gè)電磁閥分別安裝在各的自排水管上，負(fù)責(zé)控制排水。

正常運(yùn)行時(shí)從雨量筒收集到的雨水經(jīng)漏斗、進(jìn)水管、導(dǎo)流槽進(jìn)入一側(cè)儲(chǔ)水桶內(nèi)，由稱(chēng)重傳感器稱(chēng)出重量，數(shù)據(jù)采集處箱將稱(chēng)出的雨水重量換算成20cm口徑雨量計(jì)降水高度，以分鐘計(jì)算存儲(chǔ)。當(dāng)一側(cè)儲(chǔ)水桶水位達(dá)到預(yù)設(shè)警戒水位時(shí)，舵機(jī)得到數(shù)據(jù)采集箱指令帶動(dòng)導(dǎo)流槽翻向另一側(cè)，切換到另一側(cè)儲(chǔ)水桶進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)，將達(dá)到警戒水位一側(cè)的儲(chǔ)水桶的電磁閥打開(kāi)，將水排除桶外，如此循環(huán)測(cè)量。

測(cè)量結(jié)束后，采集的雨量數(shù)據(jù)會(huì)分別存儲(chǔ)到Arduino 微控制器內(nèi)部的EEPROM芯片內(nèi)和存儲(chǔ)模塊中的SD卡內(nèi)，EEPROM內(nèi)的數(shù)據(jù)是可供短信遠(yuǎn)程調(diào)取的短期數(shù)據(jù)，SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)讀取的長(zhǎng)期詳細(xì)數(shù)據(jù)。同時(shí)，也可以利用短信模塊中的手機(jī)卡，采用GPRS傳輸方式將信息傳輸?shù)诫娔X、手機(jī)平臺(tái)，供用戶(hù)使用[4]。

2.2.2 供電原理

本次設(shè)計(jì)的雨量計(jì)可用市電做電源，也可用太陽(yáng)能做電源。當(dāng)采用太陽(yáng)能供電方式時(shí)，12V的蓄電池對(duì)其整個(gè)設(shè)備供電，太陽(yáng)能基板負(fù)責(zé)對(duì)其充電，這樣可以有穩(wěn)定的電源輸出。蓄電池通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接入到數(shù)據(jù)采集箱的直流電源輸入端，接入電源穩(wěn)壓模塊，同時(shí)通過(guò)繼電器給電磁閥供電，電源穩(wěn)壓模塊通過(guò)降壓、穩(wěn)壓、濾波后給存儲(chǔ)模塊、短信模塊、時(shí)鐘模塊、LED顯示屏、單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換模塊等供電。

3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

分別對(duì)安裝該雨量計(jì)的14站數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取，選取2018年最大的一場(chǎng)降雨及汛期(6—9月)降雨，以人工為基準(zhǔn)，分別將翻斗式雨量計(jì)和本次設(shè)計(jì)的稱(chēng)重式雨量計(jì)與之比較，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 2018年8月19—20日?qǐng)龃谓涤陮?duì)比

續(xù)表

表2 2018年汛期降雨對(duì)比

從表1、表2可以看出，本次設(shè)計(jì)的基于舵機(jī)的雙桶自動(dòng)排水稱(chēng)重式遙測(cè)雨量計(jì)降雨數(shù)據(jù)無(wú)論是場(chǎng)次降雨還是全年降雨統(tǒng)計(jì)都和人工數(shù)據(jù)十分接近，誤差均在3%以?xún)?nèi)，而且均優(yōu)于翻斗式雨量計(jì)與人工誤差比值，符合國(guó)家氣象儀器中雨量計(jì)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于舵機(jī)的雙桶自動(dòng)排水稱(chēng)重式遙測(cè)雨量計(jì)已在莊河地區(qū)運(yùn)行一年有余，通過(guò)對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，完全可以解決該地區(qū)短歷時(shí)暴雨造成的翻斗式遙測(cè)雨量計(jì)誤差較大問(wèn)題。今后將在硬件工業(yè)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)确矫孀鲞M(jìn)一步提升研究。?