大賽獲獎作品展示,降雨量檢測及水質分析系統的完整設計方案

一、項目概述

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/346853.htm

1.1 引言

1.1.1編寫目的

本文檔用於說明項目基本情況及項目開發的計劃安排。

1.1.2 背景

項目背景:

從天空降落到地面上的雨水，未經蒸發、滲透、流失而在水面上積聚的水層深度，稱為降雨量（以毫米為單位），它可以直觀地表示降雨的多少。測定降雨量常用的儀器包括雨量筒和量杯。

環境中的各項因素的監測有一定的重要意義，環境中的監測項目有溫溼度、風向風速、 雨量、氣壓等等，每一種監測均有一定的作用，溫溼度監測儀對於環境中的溫溼度能做 到實時的監測，溫溼度不僅僅影響著植物的有機物質合成量，同時對於人的感官舒適度 有很大的影響作用，而溫溼度與風向風速兩者相結合則是對於環境中的風林火線的預測 有一定的關係，風向風速的預測則是藉助風向風速儀來進行操作，而雨量的監測對於農 業上的灌溉有一定的指導作用，通過使用雨量監測以來進行對降雨量的測量，以此來進 行制定合理的灌溉措施。

雨量的檢測不僅僅用於農業中，降雨量的監測為我們的安全出行有著很大的幫助，對於輪船以及飛機的安全抵達有很大的影響作用，在降雨量到達一定的等級之後，這兩種交通方式很有可能被禁止出行。

1.2 項目背景/選題動機

目前， 國內許多水文站監測水位和降雨量仍採用人工方法。 該方法不但存在測量的人身安全問題， 而且還存在數據測量難以準確、 監測實時性不強等問題。 為了實時準確監測水位及降雨量，我們可採用一種基於GSM的水位與降雨量在線監測系統。 該系統以單片機為控制核心， 利用全球移動通信系統GSM公眾無線通信網的SMS服務傳輸遠程數據， GSM網覆蓋面廣、 一次投入少、運營成本低、 運行可靠、 抗幹擾能力強等優點,實現了江河、 湖泊及水庫等水位和該區域降雨量的遠程監測,同時能實現水文站的無人值守功能。

目前市場上所見的降水自動採樣器主要有以下幾類：

（1）單機運行類：降水時自動打開桶蓋，降水結束時自動關閉。基本沒有實現降水信息的採集，如降雨開始/結束時間、降雨量等。

（2）近距離通訊類：該類採樣器除具備單機運行類的功能基礎上，還可以採集一些簡單的信息，如降雨開始/結束時間、降雨量等，而且具備一定的進距離通訊手段，可以將信息傳輸到計算機中。目前最常用的通訊方式就是RS485通訊方式，通訊距離在1200米之內。

（3）遠距離通訊類：與近距離通訊類採樣器相比，該類採樣器主要採用遠距離無線通訊方式進行數據傳輸。目前最常用的方式就是利用移動通訊公司提供的數據傳輸業務，如短消息、GPRS、CDMA或3G通訊技術實現數據的遠距離傳輸。由於採用了移動通訊公司的通訊網絡，傳輸距離基本不受限制，在全國範圍內均可實現傳輸。唯一的缺點就是採樣器所在的位置必須是在通訊信號覆蓋範圍內。

（4）多功能型：這類採樣器基本上在（3）類基礎上，可以採集更多的降水信息，如實現分段定時採樣，實現PH值、電導率等的在線監測，實現了更高級別的智能化。這種類型的降水自動採樣器正是今後的發展方向。

二、需求分析

2.1 功能要求

目前該類系統都是單機版的簡單的管理軟體，基本具備以下幾個功能：

1. 通訊功能：與降水採樣器實現通訊，將收集到的數據顯示出來；

2. 設置功能：可以設置相關的通訊參數，以及降水採樣器的工作方式等，可以對採樣器進行參數的設置。

3. 數據管理功能：簡單的軟體不具備此項功能。該功能實現了資料庫的管理功能，將採集到的信息寫入資料庫，允許對資料庫內的信息進行簡單的查詢等操作。

4. 報表功能：對資料庫內的降雨記錄以列表的形式列印出來。

5. 降水判斷：檢測到降雨傳感器的信號，實現開蓋/關蓋。

6. 降水量的統計：能正確累計降水量，通過標準雨量計進行累計。

7. Ph值、電導率及溫度的實時檢測。

8. 基於短消息的遠程無線通訊方式。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

目前這些單機類的信息管理系統存在如下缺點：

信息共享困難：信息保存在單機上，軟體也需要安裝在該計算機上。想利用其它計算機來訪問這些數據比較困難。

數據難以實現集中管理：當多個環境監測站都安裝了降水採樣器後，如何將這些採樣器的信息集中起來，進行對比分析等操作就成了難題。

不具備分析功能：由於單機版軟體的數據較少，基本上沒有實現數據的對比分析、曲線顯示、靈活統計等功能。

軟體維護困難：單機版軟體容易受病毒破壞。需要用戶或廠家進行重新安裝，給系統維護帶來額外的費用。

因此，經過分析發現，目前還沒有針對降水採樣器的網絡版信息管理系統。該系統具有較好的應用前景，應該儘快設計。

所以，預想系統應達到一下性能：

1. 信息共享

2. 數據集中管理

3. 分析功能

4. 方便的軟體維護功能

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

系統硬體結構框圖

主控模塊兒及周邊

3.2 硬體平臺選用及資源配置

1. EVK1100開發板

2. Usb轉串口線

3. 串口線

4. 電導率傳感器

5. PH值檢測傳感器

6. GSM模塊（sim300cz）

7. 降水採樣器

3.3系統軟體架構

3.4 系統軟體流程

程序運行流程圖

3.4 系統預計實現結果

本系統主要達到下述目標：

1、系統應能滿足現代降水採樣信息管理的要求，能容納多種信息，主要包括降水信息（降水開始/結束時間）、每N分鐘採集到的降雨量、降水成分的分析信息（Ph值、電導率）。能對這些信息實現採集、處理、存儲、傳輸，按不同時段進行統計，計算，存檔功能。

2、實現降水量、Ph值、電導率的的統計、分析、以及圖形化顯示。

3、系統應有良好的開放性，具有與多種降水採樣器進行通信的能力。系統建成後，不同廠家、不同類型的採樣器，可以很方便地接入系統。主站系統硬體不依賴任何廠家，可以方便地在市場上採購得到，以利系統的維護和擴充。

4、系統應滿足高可靠性的要求。系統重要設備都應能夠按冗餘要求配置，包括主伺服器、前置通訊設備、通訊通道等，或在將來很容易地實現冗餘配置。

5、系統應滿足對數據完整性和保密性的要求。

6、系統應滿足對靈活性和可擴充性的要求。在採樣器增加，或數據存儲間隔時間縮短的情況下，系統能夠很方便地適應擴充的要求。

7、可實現故障顯示、查詢，異常分析等功能