史珊海 陶明 李志梅

（廣東省智能制造研究所）

基于無線的翻斗式雨量計(jì)采集方法開發(fā)與應(yīng)用

史珊海 陶明 李志梅

（廣東省智能制造研究所）

提出一種翻斗式雨量計(jì)采集方法，通過無線采集器將雨量脈沖計(jì)數(shù)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，使翻斗式雨量計(jì)較準(zhǔn)確采集降雨起止時(shí)間、小雨降雨量等，并解決數(shù)據(jù)上傳問題，降低成本。最后通過與現(xiàn)有雨量計(jì)采集方式對(duì)比，證明本文采集方法具有一定的可靠性。

翻斗式；雨量；采集方法

0 引言

翻斗式雨量計(jì)的工作原理是承雨器將雨引到翻斗，雨達(dá)到一定量時(shí)，翻斗反轉(zhuǎn)，致使干簧管通斷產(chǎn)生一次脈沖信號(hào)。大多數(shù)翻斗式雨量計(jì)以雨量計(jì)數(shù)脈沖開始輸出時(shí)間作為降雨開始時(shí)間，采用延時(shí)方法，若計(jì)數(shù)脈沖在設(shè)定時(shí)間內(nèi)無增加，則認(rèn)為降雨停止。目前，降雨等級(jí)根據(jù)12 h或24 h降雨總量進(jìn)行劃分[1-2]。小雨時(shí)，出現(xiàn)斷續(xù)的雨強(qiáng)柱形圖，不能很好地反映降雨情況，還可能出現(xiàn)正在下雨，但雨量計(jì)讀數(shù)為零的情況，如圖1所示。統(tǒng)計(jì)時(shí)間過長和斷續(xù)情況可能給數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析帶來一定缺陷，甚至帶來控制擾動(dòng)。

圖1 雨強(qiáng)計(jì)算柱形圖

此外，目前應(yīng)用較多的翻斗式雨量計(jì)采集方式為PC接變送器，再連接雨量計(jì)或通過變送器連接雨量計(jì)進(jìn)行采集分析存儲(chǔ)。對(duì)于多站點(diǎn)，由于雨量采集點(diǎn)分布范圍廣，一般采用人工U盤拷貝提取數(shù)據(jù)或PC端通過有線形式上傳，再集中到主PC端處理。這種方式的缺點(diǎn)：變送器端采用的通信協(xié)議一般為廠商開發(fā)協(xié)議，不公開；有線模式成本較高；人工提取模式不適用于實(shí)時(shí)采集控制。

本文提出一種基于無線的翻斗式雨量計(jì)采集方法。無線采集器采集對(duì)應(yīng)端口的雨量計(jì)計(jì)量脈沖后，將數(shù)據(jù)無線傳輸至中心服務(wù)器，由服務(wù)器統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。剔除雨量計(jì)變送器表頭，雨量計(jì)脈沖輸出信號(hào)輸入到無線采集器，全過程自動(dòng)化，無需人工現(xiàn)場拷貝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳。無線采集器傳輸采集數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP協(xié)議。系統(tǒng)架構(gòu)采用一主多從分布式形式。主機(jī)為自主開發(fā)應(yīng)用軟件，具有OPC功能，部署在中心服務(wù)器上；從機(jī)為分布式遠(yuǎn)端無線采集器，實(shí)現(xiàn)雨量計(jì)計(jì)量脈沖的采集，并按照指定協(xié)議被動(dòng)上傳至中心服務(wù)器進(jìn)行處理。雨量數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)等功能由部署在服務(wù)器上的Modbus主機(jī)應(yīng)用軟件完成，實(shí)現(xiàn)多雨量采集點(diǎn)統(tǒng)一采集管理[3-5]。

1 采集原理分析

雨強(qiáng)換算公式為

其中，Q為降雨量；ΔT為兩次讀取計(jì)量脈沖的時(shí)間差；K為雨量計(jì)分辨率；C為當(dāng)前計(jì)量脈沖；C′為上一次計(jì)量脈沖。

適應(yīng)于戴維斯曲線的雨滴下落速度和雨滴直徑的經(jīng)驗(yàn)公式[6-7]其中，A0、a、n均為常數(shù)，分別取943、1.77和1.147；雨滴直徑d單位為mm；速度V0(d)單位為cm/s。

假設(shè)雨滴直徑為0.1 mm，且均勻分布。忽略氣候條件，并假設(shè)雨滴在單位體積空氣中的含量由溫差造成進(jìn)行推算。單位時(shí)間（每分鐘）內(nèi)，能匯聚到雨量計(jì)中的雨水質(zhì)量mm為

其中，V0(0.1)為直徑0.1 mm雨滴下落雨速；D為雨量計(jì)承雨器直徑；mΔT為因溫差造成單位體積所含液體水滴的質(zhì)量。

當(dāng)D取0.01 mm時(shí)，參考廣州近年天氣年報(bào)[8]的相關(guān)溫濕度數(shù)據(jù)，推算雨量計(jì)觸發(fā)一次脈沖約需7.9 min。匯水區(qū)域所產(chǎn)生的徑流雨量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

其中，φ為修正系數(shù)，此處可粗略取1；A為匯水面積，此處為本文研究覆蓋區(qū)域；i為雨強(qiáng)[9-10]。

經(jīng)計(jì)算雨量為15.624 m3，僅約為該時(shí)間內(nèi)生活污水量的1.9%，因此7.9 min可間接作為限值。

翻斗式雨量計(jì)翻斗動(dòng)作次數(shù)最多每分鐘40次，因此雨量計(jì)極限有效計(jì)數(shù)值為40。但由于信號(hào)傳輸延時(shí)可能會(huì)造成計(jì)數(shù)誤差，取1.2的安全系數(shù)。

2 計(jì)量方法

根據(jù)采集原理分析，設(shè)計(jì)如圖2所示計(jì)量程序流程圖，進(jìn)行雨量計(jì)采集脈沖的分析處理，輸出和存儲(chǔ)雨強(qiáng)和雨量數(shù)據(jù)。

圖2中，C、C1分別為當(dāng)前和上一次脈沖計(jì)數(shù)值，Q為雨量值，Q1為中間變量。采用數(shù)字濾波方式，濾除對(duì)計(jì)量影響可忽略的值。雨強(qiáng)換算根據(jù)前8 min的計(jì)量值分析小雨或暴雨情況，若為小雨則取此時(shí)間的平均雨強(qiáng)。

雨量計(jì)計(jì)量脈沖由無線采集設(shè)備以累加計(jì)數(shù)形式采集。脈沖計(jì)數(shù)值乘分辨率即為雨量。雨量數(shù)據(jù)采集以時(shí)間觸發(fā)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，因此采集到的實(shí)時(shí)單位時(shí)間雨量即為當(dāng)前計(jì)數(shù)脈沖值減去上一次計(jì)數(shù)脈沖值，再乘雨量計(jì)計(jì)量分辨率（0.1 mm/pulse）。

計(jì)數(shù)脈沖值轉(zhuǎn)換為單位時(shí)間雨量后，根據(jù)采集原理分析得到的修正后翻斗式雨量計(jì)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作頻率極限值，進(jìn)行第1次數(shù)字濾波，排除不實(shí)際大值干擾。

將連續(xù)8 min采集的雨量數(shù)據(jù)按時(shí)間序列排列，建立一個(gè)八維矩陣Qn=[Q1,Q2,…,Q8]。雨量值以先進(jìn)先出的方式進(jìn)入矩陣Qn，按(5)式進(jìn)行矩陣運(yùn)算。

當(dāng)C值從0跳變?yōu)榉?時(shí)，說明采集到有效雨量數(shù)據(jù)，且滿足不小于最低雨量限值要求，此時(shí)矩陣中Q8降雨量對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間為降雨開始時(shí)間。當(dāng)C值從非0跳變?yōu)?時(shí)，此時(shí)矩陣Q1降雨量對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間為降雨停止時(shí)間。

根據(jù)Qn中各元素值特征，進(jìn)行變權(quán)值滑動(dòng)平均濾波，將小值進(jìn)行平滑化。

若Qa≠0，Qb≠0， Qa、Qb是矩陣Qn中按時(shí)間序列排列的雨量值，且0≤a＜b≤8。

圖2 計(jì)量程序流程圖

其中，Δ≤b-a為變權(quán)值；Qa+Δ為數(shù)字濾波后雨量平滑化值。

最后進(jìn)行雨量值更新，將小雨情況下雨量計(jì)計(jì)量的突變值平滑化，并將單位時(shí)間雨量數(shù)值轉(zhuǎn)換為12 h制和24 h制的標(biāo)準(zhǔn)制雨強(qiáng)[10]，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。

3 應(yīng)用案例

在某市政大樓頂安裝的雨量計(jì)如圖3所示，目前已正常運(yùn)行半年。

圖3 雨量計(jì)安裝圖

采用本文計(jì)量方法，與某市政大樓樓頂之前安裝的帶變送器的雨量計(jì)進(jìn)行比較。本計(jì)量方法能平滑化雨量計(jì)量，如圖4所示優(yōu)化柱狀圖。比較圖1，圖4可直觀反映小雨情況。

圖4 雨量計(jì)計(jì)量優(yōu)化柱狀圖

4 結(jié)語

采用本文計(jì)量方法進(jìn)行實(shí)時(shí)雨量采集，可較好、較穩(wěn)定地進(jìn)行雨量計(jì)量和雨強(qiáng)分析，能濾除人為灑水和微小值（霧水結(jié)露等）影響，提高計(jì)量準(zhǔn)確度。同時(shí)采用無線采集傳輸方式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，節(jié)省人力，節(jié)約成本。

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The Study and Application of Wireless-Based Tipping Bucket Rain Gauge Acquisition Method

Shi Shanhai Tao Ming Li Zhimei
(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing)

A method of collecting bucket rain gauge data is proposed, which is used to transmit the rainfall pulse count to the background through the wireless collector, and the data is analyzed and processed by the background software. The tipping bucket rain gauge acquisition method is accurate and the rainfall start and end time, rain and rainfall are collected relatively accurately and the data uploading problem is solved. The achievement of the method cost lowly. Finally, by comparing with the existing rain gauge collection method, it proves that the developed acquisition method has certain reliability.

Tipping Bucket; Rainfall; Acquisition Method

史珊海，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向：自動(dòng)化控制和算法。E-mail: sh.shi@giim.ac.cn