段培法，張 璇，趙 宇，高振翔，王曉彬

（1.徐州市氣象局，江蘇徐州 221000；2.宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800）

隨著氣候變化和城市化進程的不斷發(fā)展，由于暴雨導致的城市內(nèi)澇對城市交通、社會經(jīng)濟等帶來越來越大的影響。降水量的強弱同樣對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響，降水過多會導致城市內(nèi)澇、農(nóng)田漬澇、滑坡、泥石流等自然災害，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟損失，而降水過少則會增加生活用水、農(nóng)田灌溉用水負擔等［1］。因此，針對雨量的監(jiān)測，農(nóng)業(yè)、氣象、水利等各部門都極為關(guān)注。

氣象部門通過雨量傳感器來監(jiān)測降水量和降雨強度，目前作為業(yè)務使用的有翻斗式雨量傳感器和稱重式雨量傳感器［2，3］。翻斗式雨量傳感器作為降水量的測量儀器，需要具備不易損壞的特點［4］。當傳感器損壞時，需要及時監(jiān)測雨量傳感器的故障信息，從而進行維護。但由于多數(shù)雨量傳感器都分布在野外，不易發(fā)現(xiàn)其故障狀態(tài)，所以在線監(jiān)測雨量傳感器的故障狀態(tài)信息變得尤其重要。目前，翻斗式雨量傳感器均使用常開式干簧管作為開關(guān)元件來采集雨量信息［5，6］，當干簧管及相關(guān)測量電路出現(xiàn)斷路故障時，無法及時發(fā)現(xiàn)，影響雨量測量。原有的常開式雨量傳感器由于一直處于斷路狀態(tài)，即使傳感器或數(shù)據(jù)線損壞，采集器也無法檢測到，不利于對雨量傳感器的遠程監(jiān)控。特別是對于遠離臺站的區(qū)域氣象站，當出現(xiàn)局部地區(qū)有降水時，由于干簧管損壞，此時，值班人員則會認為該區(qū)域無降水，傳感器損壞將長時間無法發(fā)現(xiàn)、也不容易發(fā)現(xiàn)。

通過開發(fā)一套可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計，利用故障狀態(tài)檢測模塊可以及時監(jiān)測到翻斗式雨量傳感器工作狀態(tài)的好壞，從而實現(xiàn)雨量傳感器在線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計是為了及時獲取雨量傳感器的故障信息，從而達到盡快維修的目的，該設(shè)計針對原來的翻斗式雨量傳感器進行改進，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要涉及干簧管電路的改造以及故障在線監(jiān)測模塊的開發(fā)，既能利用原有的采集模塊進行雨量采集，同時可以對干簧管狀態(tài)進行實時監(jiān)測。

圖1 可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 干簧管電路改造方案

中國氣象站所使用的翻斗式雨量計的干簧管幾乎都是常開式，未損壞的常開式干簧管在無降水時處于斷開狀態(tài)，當有雨量時，干簧管就會吸合一次，雨量計計數(shù)一次［7，8］，然而干簧管作為核心部位，如果損壞，則有可能一直處于斷開狀態(tài)，此時，即使有降水，采集器采集到的信號仍為0，影響數(shù)據(jù)的準確性，對于野外及無人值守的氣象站，也不容易被發(fā)現(xiàn)［9］。

通過對翻斗式雨量傳感器的核心部件干簧管及供電線路進行改造，將原先常開式干簧管改為常閉式干簧管，并增加輔助電路部件，從而在輸出信號不變的情況下，測量回路始終處于通路，可以對傳感器部件持續(xù)檢測。改造后效果等同于原來的常開式雨量傳感器，因此可直接兼容原有的采集器采集雨量數(shù)據(jù)。

1.2 故障在線監(jiān)測模塊的設(shè)計方案

由于中國目前區(qū)域站的數(shù)量較多，需要對翻斗式雨量傳感器進行遠程在線故障監(jiān)測，才更具有研究意義。故障在線監(jiān)測模塊主要包含故障判識模塊、電源模塊、繼電器控制模塊、LCD 液晶顯示模塊、自動站門開關(guān)模塊等。利用氣象站固有的條件，當出現(xiàn)故障后，利用采集器門狀態(tài)表示干簧管的狀態(tài)，當門開關(guān)信號為1 時，表示干簧管正常，當門開關(guān)輸出信號為0 時，說明干簧管或信號線路出現(xiàn)了故障。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)原理分析

可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計將干簧管電路進行改造，輸出端在對雨量計數(shù)的同時又實現(xiàn)了故障監(jiān)測，采用常閉式干簧管，同時利用STM32最小系統(tǒng)模塊模擬采集器門開關(guān)，并將結(jié)果輸入到采集器門開關(guān)狀態(tài)，從采集器中的門開關(guān)狀態(tài)就可看出干簧管或信號線的故障狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測的功能。

2.2 干簧管電路改造模塊

干簧管改造模塊中采用了單刀雙擲干簧管，即常閉式干簧管和常開式干簧管并聯(lián)狀態(tài)。利用其中的常閉式干簧管電路進行計數(shù)，采用1 MΩ 和1 kΩ電阻進行分壓，在正常狀態(tài)時，常閉式干簧管S1 處于閉合狀態(tài)，輸出端輸出為高電平，當有計數(shù)翻斗翻轉(zhuǎn)計數(shù)時，此時干簧管會由S1 撥到S 狀態(tài)，會有一個瞬間低電平供外部計數(shù)器計數(shù)。當常閉式干簧管損壞時，則會一直處于常開狀態(tài)，即S 閉合，則輸出信號會一直處于低電平狀態(tài)，即可被外部電路檢測到，從而實現(xiàn)對干簧管自檢測。利用單刀雙擲干簧管中的常開式干簧管S 作為檢測模塊，用來檢測降水計數(shù)干簧管的好壞，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。當2 個干簧管的輸出信號不同時，說明干簧管正常，當2 個干簧管的輸出信號相同時，表明翻斗式雨量傳感器的干簧管損壞，如表1 所示。

圖2 可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計干簧管改造電路結(jié)構(gòu)

表1 翻斗式雨量傳感器干簧管工作狀態(tài)

2.3 故障在線監(jiān)測模塊

本設(shè)計采用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，主要用于采集翻斗式雨量傳感器的信號及工作狀態(tài)，因此只需要最小系統(tǒng)便可完成本設(shè)計。最小系統(tǒng)主要包括電源電路、控制芯片、時鐘控制電路、復位電路、JTAG控制口以及與外圍電路相連的接口［10］。利用STM32最小系統(tǒng)判斷兩條干簧管的狀態(tài)，繼而驅(qū)動繼電器模塊完成故障判斷，同時利用液晶顯示模塊顯示出傳感器的狀態(tài)，其實物如圖3所示。

圖3 故障在線監(jiān)測模塊實物

2.3.1 報警信號電路 為了實現(xiàn)翻斗式雨量傳感器的在線監(jiān)控，以自動氣象站中BH6 采集器為例，采集器中的門信號機制：門打開時，門開關(guān)處于斷路，接到采集器中的2 根線不導通；門關(guān)上時，門開關(guān)處于短路，接到采集器中的2 根線導通［11，12］。

報警信號電路采用單片機控制5 V 繼電器（型號HSR1H-S-5V）通斷來模擬自動站門的開關(guān)狀態(tài)，即門開關(guān)是否被按壓。繼電器1 腳和3 腳為常開引腳，4 腳和6 腳為常閉引腳，2 腳接單片機控制口，5腳接5 V 電源。干簧管損壞的信號是通過觀測站中采集器的門信號狀態(tài)進行報警，通過單片機的一個端口控制繼電器，進而控制采集器的門信號［13，14］。

門正常是關(guān)閉的，因此，繼電器1、3 和4、6 輸出引腳中，只需用到4 和6 腳。由于單片機I/O 口輸出電流太小，不能直接驅(qū)動繼電器，需要在兩者之間加上驅(qū)動電路，為了方便直接選用集成驅(qū)動芯片ULN2003（圖4）。

2.3.2 液晶顯示模塊 液晶顯示模塊是以LCD 液晶屏為核心，然后配合相應的控制電路，從而達到輸出的目的，其硬件連接如圖5 所示。其供電采用5 V電壓供電，引腳3 用來控制液晶顯示的對比度，其中電阻R5 也可用電位器。

圖4 繼電器驅(qū)動模塊

圖5 LCD1602 液晶顯示模塊硬件連接

3 程序設(shè)計

單片機選用STM32F103RBT6 芯片作為中央處理器，程序采用C 語言，開發(fā)環(huán)境為Keil MDK5。首先初始化I/O 口以及LCD1602 液晶顯示部分，然后把PB14、PB15 2 個I/O 口設(shè)置為內(nèi)部上拉輸入，在While 中判斷兩個I/O 的高低電平，如圖6 所示。在翻斗翻轉(zhuǎn)狀態(tài)時，PB14 為高電平，PB15 為低電平，未翻轉(zhuǎn)時，PB14 為低電平，PB15 為高電平。程序中用2 個I/O 口輸出電平是否相反來判斷常閉干簧管電路正常與否。

4 系統(tǒng)測試

在徐州國家基本氣象站觀測場外西側(cè)安裝已經(jīng)改造后的翻斗式雨量傳感器，采用光伏電池板進行采集器的供電，檢查設(shè)備的可靠性及穩(wěn)定性，利用CF 存儲卡進行數(shù)據(jù)存儲，然后統(tǒng)計幾個月的數(shù)據(jù)情況，與觀測場內(nèi)翻斗式雨量傳感器觀測數(shù)據(jù)進行對比觀測，同時設(shè)置故障，觀察監(jiān)測模塊的故障檢測能力。經(jīng)過多場降水檢驗后，對儀器運行結(jié)果進行評估，確保設(shè)計出的設(shè)備可靠穩(wěn)定［15］。

改造的雨量計跟觀測場內(nèi)雨量計南北成行，在試驗前期，經(jīng)一段時間數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的差異有時偏差不大，有時偏差較大，經(jīng)測試，發(fā)現(xiàn)此翻斗式雨量傳感器超過誤差范圍，導致計數(shù)不精確，用最新的雨量校準儀對改造的雨量計重新進行校準，然后重新投入使用。

圖6 程序流程

統(tǒng)計了2019 年4、5、6 月的在線監(jiān)測雨量計、原有的翻斗式雨量計和稱重式雨量計3 個裝置的降水對比數(shù)據(jù)，如表2 所示，其差異較小，均在0.4 mm 以內(nèi)，滿足業(yè)務需求。

5 小結(jié)

翻斗式雨量傳感器狀態(tài)的可在線監(jiān)測裝置將原先的常開式干簧管換為常閉式干簧管，同時再增加一條電路，該電路用來檢測干簧管或信號線的狀態(tài)，分析2 條電路輸出信號的高低電平，然后利用故障檢測模塊進行故障判斷。當檢測裝置檢測到干簧管或信號線處于損壞狀態(tài)時，檢測裝置會觸發(fā)繼電器，此時，單片機就會控制一端口輸出一個低電平，從采集器中的門開關(guān)狀態(tài)就可看出干簧管或信號線的故障狀態(tài)信息，國家站可利用值班業(yè)務軟件獲取門開關(guān)狀態(tài)信息、區(qū)域站利用后臺監(jiān)控平臺的門開關(guān)狀態(tài)信息就能及時發(fā)現(xiàn)報警信號，及時獲取雨量計的故障狀態(tài)，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測的功能。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可實現(xiàn)翻斗式雨量傳感器的在線實時監(jiān)測，解決了目前翻斗式雨量傳感器干簧管損壞無法及時發(fā)現(xiàn)的缺點。經(jīng)過與國家站的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，該裝置可及時監(jiān)測到故障狀態(tài)信息，且降水的捕獲率與目前國家站數(shù)據(jù)高度一致。

表2 可在線監(jiān)測傳感器狀態(tài)的翻斗雨量計與國家站雨量傳感器對比試驗結(jié)果 （單位：mm）