水文现代化与水文新技术:遥测站及其功能与技术指标

遥测站由遥测终端机、传感器、通信设备、电源、避雷设施等组成。

1.遥测终端机

（1）概述。水文自动测报系统中，遥测站的遥测终端机承担数据采集、存储和数据传输控制任务。在有遥控功能的站点，终端设备还要有数字量和模拟量输出，经驱动后控制机电设备的运行。遥测站的测量对象经过传感器转换得到的电信号，可分为数字量和模拟量两类。数字量的输出形式可以是逻辑电平高低或开关接点通断的组合，模拟量一般为4～20mA的电流信号，也可能是0～5V（或0～10V，±5V）的电压信号。有一些传感器输出为频率计数信号，它可以归入数字信号的范围之内。遥测终端机通过其核心部件微控制器（MCU，通常选用单片机）本身的I/O或其扩展口，采集传感器输出的测量值。近年来由于多种传感器走向智能化，其内含的微处理器把测量对象的参数处理为数字化数据，并存储于设备内，数据输出方式实现了串行化，使用RS—232或RS—485串行通信口输出。遥测终端可以由串口通信的方式获取传感器采集的数据。实际使用中，为满足较远距离传输使用要求，又以采用平衡双线的RS—485接口的较多。由于RS—485接口可以允许多个并接，所以遥测终端的RS—485接口可以连接多个串行输出的传感器。水文自动测报系统使用的遥测终端结构框图如图3.4所示。

图3.4　遥测终端结构框图

传感器的数字量输出，通过数字接口进行防雷处理和电平转换后，由多路开关进至遥测终端MCU的数字输入口；属于计数频率信号的，经整形为方波脉冲后送到MCU的计数口。

传感器的模拟量输出，除同样要在送入终端机端口处加防雷电路外，一般均需经过放大滤波等电路的调理，使其幅值符合A/D转换部件的模拟电压输入范围。这样做也使传感器和MCU间实现了缓冲隔离，有利于提高系统的可靠性。A/D转换的精度一方面取决于所用A/D部件的精度，更主要的取决于传感器的测量精度，信号调理电路的质量亦有一定影响。根据使用要求，通常要求所测模拟量完成A/D转换时，其分辨力和精度能保证12bit。对一些动态范围甚大之参数的采集，则应有更高的A/D转换分辨力。这里应指出，为满足数据采集的需要，相当多型号的单片机本身已具有多个A/D输入通道，因而可简化终端电路结构。但由于MCU内部时序脉冲的影响，MCU内部的A/D部件转换分辨力和精度一般都不易做得很高，因而在有高分辨力、高精度要求时，多通道A/D需要独立设计。由于水文自动测报系统的参数大部分属于慢变化性质，而A/D部件的转换速度又快，故在信号调理之后可直接由多路开关选通输入A/D部件，不一定要用采样/保持电路。

带有RS—485接口的传感器，采用串行通信方式，把测得的数据传送给遥测终端设备，通信接口部分实际上主要是一个符合RS—485标准的接口芯片。为防止由传感器接口的通信电缆引来浪涌电压，电缆应尽可能带有屏蔽保护，且外屏蔽层要良好接地，同时在接口部分应安有抑制浪涌吸收过压的电子器件。对每一个RS—485口的传感器应设定一个地址编号，以便终端机按地址读取传感器测得的数据。

遥测终端有MCU管理的模拟输出通道和数字输出通道，前者由MCU本身的脉宽调制（PWM）输出或外接的D/A部件，实现由MCU编程设定的数字量到模拟量的变换，再经过放大电路驱动，得到一定功率的模拟电压或电流信号，供外部使用。后者则是几路可控的电压输出或开关继电器的接点动作，用于控制给外接传感器和通信设备供电，以及控制闸门的升降，声光报警信号的发出等使用。在水文自动测报系统中，考虑野外使用环境，遥测站的电源消耗要尽量低，而传感器特别是通信设备往往耗电甚大，可是其工作频度又往往不高，故可以仅当需要这些部分工作时才予以供电，工作结束后即切断电源。可以利用遥测终端的数字输出通道，实现对这些部分的电源管理，达到整体上低功耗的目的。同样道理，对于遥测终端设备由交流供电的场所，如检测到电压过高或过低等异常情况时，可以由数字输出通道控制继电器切断交流供电开关回路，以保证安全工作。

遥测终端的数据存储部件，用于按时间顺序存储采集之数据，其容量大小应能满足几个月乃至整年数据存储的要求。可以选用不同类型的半导体存储器作此部件，诸如非易失性RAM，EEPROM，IC卡等。键盘/显示部件是为读取终端采集的数据用的，亦可藉此对终端的工作方式、测量项目和范围等进行配置，还可键入人工测量数量并传送出去。通信接口和通信设备使用于遥测站的数据传输，在水文自动测报系统中，为了保证数据传输的高可靠性，一个遥测站可能需要连接2个通信设备，一主一备或互为备份（个别情况下有可能使用更多通道通信设备）。当主信道出现问题时，立即使用备用信道传输数据。超短波、有线电话、移动通信、卫星通信、各种电信数字通道，微波、光纤等均可适用于传输水文数据，视系统所处不同条件加以选择。

有一些遥测终端机的功能比较简单，可能只能用于雨量、水位遥测，只能用于某一种通信方式，没有数据存储，只工作于自报方式。大部分遥测终端机属于这一类型，其结构简单、可靠、便于使用、价格不高，完全能满足特定系统的需要。

（2）遥测终端机的功能及主要技术指标。水文自动测报系统中遥测终端机大都要用于恶劣的野外环境，其本身功能是读取各种传感器测得的数据，经过必要的处理后经过通信网络，把数据传送到中心站。有在站数据存储要求的遥测站，应按时间顺序将数据存入大容量数据存储器，遥测终端应提供键盘/显示功能，以便于测站人员查询数据和管理设备。遥测终端的主要技术指标可分为以下几个方面。

1）I/O接口能力。

a.数字量输入通道：用于逻辑电平的高低和开关接点的通断两种类型的信号输入，作为水文遥测系统的遥测终端，这一类输入通道数可达12～16个。为满足测站功能扩展的需要，应具备数字量输入通道扩展能力。

b.频率计数通道：计数通道适用于事件触发式传感器信号，如翻斗式雨量计的干簧管接点。频率计数通道还适用于连接输出信号为频率信号的传感器，如风速仪。此类通道数一般应考虑安排2～4路，视具体使用场合而定。

c.模拟量输入通道：可接传感器的电压、电流输出信号。标准化的输入电压范围为0～5V，也有输入电压为0～10V或±5V、±10V的；输入电流变化范围通常为4～20m A，也有0～1m A，或0～10m A的。在某些情况下传感器感测到参数是电阻值的变化，此时可通过遥测终端输出的恒流源输出，流经此电阻而变为电压信号，再接入模拟通道。遥测终端可能有多达8个的模拟输入通道。模拟信号有差分输入和单端输入两类，视传感器模拟信号输出情况之不同，以及抑制干扰的考虑予以选择。模拟信号在完成A/D转换后变成数字量，由此即可获得实际所测数据。水文自动测报系统中对A/D转换器的分辨率一般要求不低于12bit。

d.数字量输出通道：终端数字量输出有锁存器输出和开路集电极输出两类，经过驱动电路提供有一定输出电流能力的电压输出或开关接点输出。前者大都使用于给传感器或通信设备供电，后者用于驱动继电器、交流接触器等，也有用于某些设备的上下电控制。仅使用于遥测和通信场合的终端设备输出通道数要有2～4路，方可满足基本使用要求。

e.模拟量输出通道：提供可编程的电压或电流信号输出，通常用于模拟调节的控制系统中，在水文自动测报系统中较少使用。

2）通信接口。遥测终端的通信接口，基本按RS—232、RS—485设计。RS—232口多使用于和调制解调器及各种数字通信终端相连，以完成测报系统内数据传输工作。RS—485口大多使用于和智能传感器相连。I2C、SPI、SDI—12等串行接口也见使用于遥测终端的系统扩展设计中。

随水文自动测报系统中通信工作的日益增多，要求遥测终端最好具备3个以上通信口，且能对每一个口灵活编程配置。各种通信介质的通信协议应按模块化的方法装入终端设备中，使用时只要进行简单的配置即可。

3）实时钟（RTC）部件。其运行精度应达到月漂移不超过2min的要求，且可通过通信网络或GPS等手段实现与中心站时钟的同步，保证年漂移也不超过2 min。RTC是测站进行定时采集数据和传送以及存储的时间基准，必须保证其精度和极高的可靠性。

4）键盘/显示。终端的显示有两种类型。一种用于显示设备工作状态的发光二极管（LED）；另一种是可显示字符数据的屏幕显示器，一般都为液晶显示器（LCD）。为省电起见，LED显示可采用闪烁方式，或需显示时才点亮的间歇工作方式。在有显示屏时，配合键盘按钮操作，管理人员可以查询采集到的各种数据，检查设备的工作状态，可以对终端的工作方式和参数进行设置，还可置入由人工方式测得的参数值进行发送，良好的键盘/显示以及友善的人机界面，十分有利于管理和维护。

5）数据存储器。用于在站存储自动采集的降水量、水位等数据。可以按事件触发方式形成每条记录，如记录翻斗雨量计动作一斗的时间，也可按规定时间间隔形成一条记录，如系统按RTC的定时间间隔测量水位值，并形成每条记录。在水文自动测报系统中，对此数据存储器习惯上成为固态存储器。最低限度应满足3个月以上长期存储的需要，故固态存储器的容量必须足够大，按实用需要分析，128K字节是其下限。目前固态存储器是为不同类型的半导体数据存储器，如非易失性RAM，EEPROM等。

6）扩展能力。主要指传感器接口扩展能力和通信口扩展能力。值得注意的是，由于传感器智能化水平的提高，许多参数都可通过RS—485、RS—232、I2C、SPI、SDI—12等串行接口送入遥测终端机。

7）电源管理。遥测终端大都使用于野外，故应用12V直流供电者居多，且多数靠太阳能电池充电补充能量。只在交流供电十分可靠的场合和有周密的防雷消浪涌设计时才使用交流充电。遥测终端机必须采用低功耗设计，并有完善的电源管理系统。终端设备一般都有休眠功能，不在采集数据和通信时，除RTC和低功耗值班电路工作外，其他部分电路可以下电。所有耗电较多的通信设备和传感器的供电也由终端管理，不工作时也下电。

由于水文自动测报系统所采集的参数绝大部分属于慢变化类型，而通信时传输的数据量又很少，故遥测设备大部分时间可处于休眠方式。只要值守电流小，遥测站的总体功耗必然不会太大。但在电源管理系统中必须考虑对“事件触发”的响应速度，值守电路的设计应该完善。遥测终端机的电源消耗应分值守电流和工作电流两个指标，前者通常希望控制在m A量级，工作电流视接口配置不同而异，一般来说终端设备本身工作电流消耗不超过100m A。

8）数据采集和传输工作方式。遥测终端机的工作方式，应能符合水文数据采集和传输的要求进行设置。经由传感器采集到的数据必需满足精度和实时性两方面的要求。数据传送工作方式和时间间隔的设置，应符合系统收集数据的响应速度指表要求。此外，作为水文遥测终端，其数据采集和传输应有一定智能化特点，即当采集得的水文数据超限或涨率超限时，能自动增加向中心站的数据传送频度，以及增加数据采集密度等，保证这些“警戒”数据能更快速传送到中心。在通信控制方面，对重要的测站，遇到正在工作的信道不能正确传送数据时，应能随即转换到备用信道传输数据，保证数传的可靠性。

9）环境适应能力。习惯上分工业级标准和军用级标准两类。遥测终端大体上按工业级标准要求，具体指标规定略有差异。

对遥测设备的基本要求是：①工作温度为－10～＋45℃；②相对湿度小于95%（40℃）不凝露；③在沿海地区使用的遥测设备，特别要注意有防潮，防盐雾锈蚀的措施，在高寒地区使用的，视需要应按军级标准，下限到－30℃。

10）可靠性指标。包括电路工作稳定性，接口安全可靠性，程序运行可靠性，数据传输可靠性，抗电磁干扰和雷电能力多方面内容。主要以平均无故障工作时间来衡量，要求MTBF不小于25000h。

（3）遥测终端机介绍。现通过YDH—1型系列遥测终端机来了解我国目前水文自动测报系统中应用的遥测终端机的技术性能。YDH—1型系列遥测终端机是一种成熟、可靠的产品，已经有超过2000台以上产品在全国各地使用。其技术性能完善，符合“水文自动测报系统技术规范”要求，目前的产品能满足国家防汛指挥系统对水文遥测和报汛设备的有关技术要求。能实现多信息源的水文数据采集和多信道的水文数据传输；也能实现按水情信息编码标准（SL330—2005）的要求，人工键入水文信息的发送任务。

YDH—1遥测数传终端（RTU）是由微处理器控制的通用遥测终端设备。采用拔插式模板结构，可以根据应用的需要组成不同的类型。其中由南京水利水文自动化研究所研制的YDH—1M型遥测终端机外形见图3.5。

图3.5　YDH—1M型遥测终端机

1）YDH—1M型遥测终端机简介。YDH—1M型遥测终端机是多串口、多信道、多工作制式、带固态存储器的遥测终端机。多串口即有3个串口；多信道即可与超短波信道、有线信道、卫星信道、GSM等信道相连；多工作制式即可工作在自报式、答应式、混合式的工作制式下，也可传输人工置数，带固态存储器的容量为8M位。

该终端机采用单板结构，功能键和显示屏都直接焊在线路板上，结构紧凑，可靠性高，操作、使用方便，维护、管理简单，能适应各种工作环境和不同层次人员的使用要求。其参数设置、内存检查、功能检查都是用终端机面板上的4个按键来实现的。内容和结果每次都能在液晶显示屏上显示出来。显示屏采用流行的全汉化中文界面，非常直观、实用。

该终端机具有人工置数功能，利用终端机自身带有的4个按键和它的显示屏，可以很方便地置入各类水文数据，并发送出去。

该终端机具有8M位FLASH固态存储器，可以存储6个传感器一年以上的数据。固态存储器的数据可以在现场用笔记本电脑下载，也可以通过有线信道异地远程下载。而且具有实时时钟功能，时钟年误差小于2min，可以人工现场校时或远程校时。其机内设置的各类参数，固态存储器内存储的水文数据，断电后不会丢失，可长时间保存。

该遥测终端机具有标准的RS—485接口，可以根据用户的需要连接具有RS—485接口的各类传感器，并能完成对这些传感器数据的自动采集，固态存储，显示和传输控制任务。通过A/D接口可以接入模拟量输出的多种传感器。

2）技术性能。包括工作方式、具有人工数据传输和现场直观显示、接口等技术性能：

工作方式。可设置随机变（增）量自报、定时自报、自适应报、平安报、应答式、自报应答兼容等工作方式：①随机变（增）量自报：当被测参数产生变化时，遥测终端机立即向中心站发送数据。此参数变化可以事先设置，如水位变化1cm、雨量增加1mm等；②定时自报：在每天的预定时间，如8∶00，向中心站发送当前数据；③自适应报：当被测参数的量值、变化量或变化速度超过预定值时（预定值可以事先设置），遥测终端机将自动按预定的工作方式工作，一般是加密数据的测报频次。例如：当雨量数据的变化达到时段雨量预定值时（大、暴雨），当水位数据达到警戒水位时，当水位变化速率超过预定值时，遥测终端机将自动增加测报次数。当低于预定值时，遥测终端机将自动恢复为原来的测报方式，可设定多个水位、雨量等参数的报警值，多种自动报汛策略；④平安报：当遥测站长时间（时间间隔可设置）没有参数变化时，遥测站将自动启动报数一次（参数可设置），以示遥测终端机工作正常；⑤应答式：遥测站处于值收状态，接到中心站召测信号后向中心站发送数据；⑥自报应答兼容工作方式：遥测站同时具有应答式、自报式的功能。(www.xing528.com)

具有人工置入数据传输和现场直观显示功能。按人工置数的操作要求，可按键置入相应的采集时间和水文数据，按固定的数据格式发送出去。置入的人工置数具有掉电保护功能，以便校验和修改。

接口。①数据采集接口：水位并行输入口：1个（采用RS—485串行口可任意扩展），采集编码器类型：格雷码或BCD码；开关量接口：1个（翻斗雨量计）；A/D接口：7个12位A/D输入；②标准通信接口：RS—485接口：1个；RS—232接口：2个；可扩充SDI—12口：支持符合SDI—12规范V1.2的传感器。可接入具有对应通信接口的传感器，也作为标准通信接口使用。

遥测参数。可接一个翻斗式雨量计、一个并行口水位计及多达32个RS—485接口类型的传感器。

信道。可连接超短波信道、有线信道、卫星信道、GSM信道。

可选用一个信道或主备2个信道，能实现主信道和备用信道的自动切换。

编码。信源编码：BCD码；信道编码：BCH码。

数据传输方式。异步传输，采用固定帧长的结构，按先发高位字节，后发低位字节的次序进行。

电源。直流12V供电，电流为：静态值守电流：自报式不大于2.5m A，应答式（混合式）不大于8.5m A。

具有电池电压值检测和发送功能。终端机发送数据时，自动检测并发送测站的电池电压值。

具有参数显示和设置功能。按相应的显示功能键，可汉字显示出该站设置的所有参数及固态存储器内的数据。如进入设置菜单，可重新设置和修改相关的数据。

具有超时发送强迫掉电功能。

具有死机自动复位功能。

具有低电压告警及掉电数据保护功能。

具有测站类型设置功能。可设置为单雨量站、单水位站、双水位站、雨量水位站、水文气象站、水位流量站等。

时钟。精度为年误差小于2min。具有时钟设置、人工校时和远程校时功能。

工作环境。－20～55℃。

平均无故障工作时间（MTBF）：50000h。

固态存储器。存储时间间隔一般为6min。固态存储器的存储量为8Mb，可存储6个传感器一年以上的数据。

可外接便携式电脑现场下载固态存储器内任何时段的数据，亦可通过拨号modem异地下载历史数据。

防雷。所有外部接口都有光电隔离能力，包括雨量、水位等多种传感器输入接口。具有无线、有线传输防雷和雨量、水位信号线接口防雷等防雷设计和措施。

2.传感器

水文自动测报系统需要自动采集多方面的数据。在发展初期，主要采集雨量、水位这两个基本参数。使用的传感器也比较单一，只限于翻斗雨量计和浮子式水位编码器。目前，已可以采集水文、气象、水质、旱情、工情等多方面参数。涉及到的传感器有降水量计、水位计、流速流量计、含沙量计、墒情传感器，还有各种水质自动监测仪、自动气象仪器、闸位计等各类仪器。每一类型仪器又都可以根据不同的原理进行分类。

根据应用和工作情况，所有数据采集传感器可以分为能自动工作和不能自动工作的两大类。能自动工作的传感器中，能将测得值自动以模拟量或数字量状态输出的仪器才可以用于自动测报系统。有些传感器虽能自动工作，但只能将测得值供人工读数，或自动画线打印记录。如画线记录的浮子式水位计、虹吸式雨量计等，不能用于自动测报系统。

在水文自动测报系统中，对数据采集传感器有如下基本要求。

（1）输出的测得参数信号可以接入自动测报系统，起着信源编码作用。这些传感器可以将需要测量的水文、气象、水质、旱情、工情等方面的物理量，如水位、雨量等转化为符合一定要求的数字量、模拟量、脉冲、状态等电信号输出。这些输出应该能对应于需测得的物理量，并能接入符合要求的数据传输设备。

（2）具有长期自动工作的技术特性。水文自动测报系统应该能在无人值守的环境下长期自动工作。因此，所用的传感器也应该具有这样的特点。需要维护时，也应该有较长的工作周期。此外，记录存储数据的能力要求大于3个月。要达到这样的目的，功耗和电源也是必须同时考虑的。

（3）高可靠性要求。要求长期自动工作，又无人值守，必须是高可靠性仪器。其平均无故障工作时间（MTBF）应该符合要求，一般讲，传感器的MTBF都应大于2年。

（4）有很好的环境适应性。传感器都安装、工作在各测站上，测站的环境比较差。一般情况下，传感器又都直接暴露于水中或大气中。因此，传感器对应用环境要有较强的适应性。全国范围内的水文测站环境变化很大，还有气象、地质、环境污染等因素，均会影响各种传感器的工作和性能。要使某一种传感器能适应所有的环境几乎是不可能的，只能在设计选用时加以考虑。但对某一种传感器，应该有相应的环境适应性要求。

（5）较方便的可维护性。水文自动测报系统遍布全国，所用的传感器安装在更分散的各测站上，交通一般都不方便。另外，所有传感器都是行业专用的，不会像民用或工业通用产品那样在全国各地都有较多的维修点。传感器有了故障，平常维护，主要靠使用人员判断，维护甚至修理。这就要求所用的传感器易于维护，在可能的情况下，便于故障判别。

3.通信设备

（1）超短波通信。对自报式遥测站可以配置超短波无线发射板，只发射不接收。发射板的功率较小，频率也是固定的，也不能通话。

对一般站需要配置超短波小型数传电台，主要功能及技术参数如下：①发射功率1～25W可调，所有技术指标达到标准；②数传专用频段223～235MHz，半双工频道可编程设置；③工作温度范围－40～＋70℃，适应严酷的工作环境；④数话兼容（数传可设置为优先）⑤功耗：超低，守候电流小，具有节电模式；⑥发射机起动时间小，收发转换速度快；⑦可与FSK、FFSK、MSK、GMSK等不同类型的MODEM相匹配。

超短波通信需要配置超短波通信天线，对常用天线基本要求如下：①定向天线一般采用八木天线，垂直极化；②鞭状天线增益2.15dB；③全向天线增益6dB；④天线的中心频率230MHZ遥测频段；⑤天线输入阻抗50Ω；⑥天线驻波比小于1.5；⑦天线带宽为Δf/fo≥2.0%；⑧常用馈线SYV-50-7-1 0.127dB/M（230MHz）；SYV-50-28-2 0.045d B/M（230MHz）。

（2）PSTN有线电话通信。这是常用的电话通信方式，需要使用专用直流MODEM与公用电话网相连，以实现数据传输。

（3）卫星通信。卫星通信设备包括卫星终端和卫星天线。因所用的卫星不同，其设备也不同。遥测站用的卫星终端比较简单，天线也比较小。

（4）GSM通信设备。在遥测终端机内接入GSM通信模块。GSM通信模块是专门为需要无线数据传输设备开发的无线数据传输协议转换器，实现无线GSM协议转换。数据传输时，与之相连的终端设备通过串口向GSM通信模块发送串口格式数据，GSM通信模块会自动加上GSM无线通信的协议，把串口数据包转换成GSM无线通信的协议数据包，把数据传输到目的主机。水文上的使用主要是传输短消息。

（5）其他通信设备。应用GPRS通信时，要使用GPRS通信模块。应用光纤通信时，要使用光端机和光纤。应用短波通信时，要使用短波电台和天线。

4.遥测站电源

遥测站的电源基本上都使用可充电蓄电池供电，用太阳能电池充电。

5.遥测站的避雷设施

遥测站的避雷问题是一个需要非常重视的问题，必须要有完善准确的避雷措施才能保证遥测站的安全运行。