无人值守水文站通讯及控制系统研究

摘要

水文信息监测是一项非常重要和有意义的工作，及时、准确的水文数据是有效实施预测预报、防汛减灾等工作的关键。随着科技进步和经济的发展，人力成本越来越高，水文信息监测向着无人值守的智能化发展。针对目前的一些无人值守水文站无法直接测量流速和流量信息，本文提出了一种新型无人值守水文站。它除了能像现有的无人值守水文站直接测量水位外，还能直接测量流速，并通过积宽法来实现流量的测量。
　　根据无人值守水文站的功能需求和工作环境特点，本文重点研究无人值守水文站的水位、流速及流量测量、通信方式和无人值守水文站的控制系统，并开发了用于无人值守水文站的监测终端控制器及其专用电源系统。
　　综合比较现有的各种通信技术的特点，并结合无人值守水文站的需求，最终选择GPRS通信网络来实现远程通信，而无人值守水文站的局部通信则由ZigBee无线网络来完成，并选用相应的工业通信模块来具体实现通信任务。综合对比了各种单片机的性能特点并结合无人值守水文站的要求，开发了以STM32F103ZET6为主控芯片的监测终端控制器，并为其设计了丰富的输入/输出接口、通讯接口等资源。开发了以太阳能电池加蓄电池为主的适用于野外工作的无人值守水文站的电源系统。
　　水文信息的测量:选用雷达水位计来测量水位数据;选用雷达流速仪测量流速;选用积宽法来完成流量的测量。具体的方法是使用一台移动式雷达流速仪沿着横跨河流的缆索测量各垂线处的水流速度，并结合水深信息与河流截面形状计算出流量。根据水文监测系统的功能和工作机制，规划了水文监测系统的通信协议和数据格式，并给出了一些关键的水文信息采集和处理的软件程序流程图及部分程序源代码。
　　本文提出的无人值守水文站采用ZigBee网络和GPRS网络来分别完成水文信息短距离和远程传输，选用性价比很高的主控芯片来管理监测站的各设备，满足水文信息监测要求的同时投入成本较低。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景

1．2 国内外的水文监测系统概况

1．2．1 国外水文监测系统概况

1．2．2 国内水文监测系统概况

1．3 现有的无人值守水文站概况

1．4 论文的主要研究内容及意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

第二章 无人值守水文站总体设计

2．1 无人值守水文站的概述

2．2 无人值守水文站的功能和特点

2．2．1 无人值守水文站的功能

2．2．2 无人值守水文站的特点

2．3 无人值守水文站的通信方式

2．3．1 远程通信组网方式

2．3．2 水文监测站点现场的通信方式

2．4 无人值守水文站的报汛方式

2．5 水文传感器的选择

2．5．1 水位传感器的选择

2．5．2 流速测量设备

2．6 无人值守水文站的水文信息测量方式

2．6．1 水位测量

2．6．2 流速和流量测量

2．7 无人值守水文站的供电方式

2．8 无人值守水文站的方案设计

2．9 本章小结

第三章 无人值守水文站硬件实现

3．1 无人值守水文站的硬件构成

3．2 监测终端控制器的微处理器芯片选取

3．3 监测终端控制器的硬件电路

3．3．1 电源电路

3．3．2 时钟电路

3．3．3 启动模式设置接口电路

3．3．4 I／O接口电路

3．3．5 A／D接口电路

3．3．6 键盘输入电路与LED指示电路

3．3．7 在线编程调试接口电路

3．3．8 LCD显示接口电路

3．3．9 存储电路

3．3．10 通信接口电路

3．4 通信模块

3．4．1 GPRS通信模块

3．4．2 ZigBee通信模块

3．5 电源系统

3．5．1 太阳能电池板及蓄电池的选型

3．5．2 电源管理

3．5．3 电压监测电路

3．6 硬件电路板制作及发现的问题

3．7 本章小结

第四章 无人值守水文站的软件设计

4．1 总体设计

4．2 数据处理模块的软件设计

4．2．1 传感器输入通道设置

4．2．2 水文数据采集

4．2．3 数据存储管理

4．3 按键中断与显示

4．3．1 按键中断

4．3．2 LCD显示

4．4 通讯功能及协议

4．5 部分程序源代码

4．5．1 IO输出

4．5．2 串口中断通讯

4．5．3 定时中断

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文