大賽獲獎作品展示，降雨量檢測及水質(zhì)分析系統的完整設計方案

一、項目概述

1.1 引言

1.1.1編寫(xiě)目的

本文檔用于說(shuō)明項目基本情況及項目開(kāi)發(fā)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(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水面上積聚的水層深度，稱(chēng)為降雨量（以毫米為單位），它可以直觀(guān)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(huán)境中的各項因素的監測有一定的重要意義，環(huán)境中的監測項目有溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速、 雨量、氣壓等等，每一種監測均有一定的作用，溫濕度監測儀對于環(huán)境中的溫濕度能做 到實(shí)時(shí)的監測，溫濕度不僅僅影響著(zhù)植物的有機物質(zhì)合成量，同時(shí)對于人的感官舒適度 有很大的影響作用，而溫濕度與風(fēng)向風(fēng)速兩者相結合則是對于環(huán)境中的風(fēng)林火線(xiàn)的預測 有一定的關(guān)系，風(fēng)向風(fēng)速的預測則是借助風(fēng)向風(fēng)速儀來(lái)進(jìn)行操作，而雨量的監測對于農 業(yè)上的灌溉有一定的指導作用，通過(guò)使用雨量監測以來(lái)進(jìn)行對降雨量的測量，以此來(lái)進(jìn) 行制定合理的灌溉措施。

雨量的檢測不僅僅用于農業(yè)中，降雨量的監測為我們的安全出行有著(zhù)很大的幫助，對于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后，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(dòng)機

目前， 國內許多水文站監測水位和降雨量仍采用人工方法。 該方法不但存在測量的人身安全問(wèn)題， 而且還存在數據測量難以準確、 監測實(shí)時(shí)性不強等問(wèn)題。 為了實(shí)時(shí)準確監測水位及降雨量，我們可采用一種基于GSM的水位與降雨量在線(xiàn)監測系統。 該系統以單片機為控制核心， 利用全球移動(dòng)通信系統GSM公眾無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)的SMS服務(wù)傳輸遠程數據， GSM網(wǎng)覆蓋面廣、 一次投入少、運營(yíng)成本低、 運行可靠、 抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn),實(shí)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(shí)能實(shí)現水文站的無(wú)人值守功能。

目前市場(chǎng)上所見(jiàn)的降水自動(dòng)采樣器主要有以下幾類(lèi)：

（1）單機運行類(lèi)：降水時(shí)自動(dòng)打開(kāi)桶蓋，降水結束時(shí)自動(dòng)關(guān)閉?；緵](méi)有實(shí)現降水信息的采集，如降雨開(kāi)始/結束時(shí)間、降雨量等。

（2）近距離通訊類(lèi)：該類(lèi)采樣器除具備單機運行類(lèi)的功能基礎上，還可以采集一些簡(jiǎn)單的信息，如降雨開(kāi)始/結束時(shí)間、降雨量等，而且具備一定的進(jìn)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(lèi)：與近距離通訊類(lèi)采樣器相比，該類(lèi)采樣器主要采用遠距離無(wú)線(xiàn)通訊方式進(jìn)行數據傳輸。目前最常用的方式就是利用移動(dòng)通訊公司提供的數據傳輸業(yè)務(wù)，如短消息、GPRS、CDMA或3G通訊技術(shù)實(shí)現數據的遠距離傳輸。由于采用了移動(dòng)通訊公司的通訊網(wǎng)絡(luò )，傳輸距離基本不受限制，在全國范圍內均可實(shí)現傳輸。唯一的缺點(diǎn)就是采樣器所在的位置必須是在通訊信號覆蓋范圍內。

（4）多功能型：這類(lèi)采樣器基本上在（3）類(lèi)基礎上，可以采集更多的降水信息，如實(shí)現分段定時(shí)采樣，實(shí)現PH值、電導率等的在線(xiàn)監測，實(shí)現了更高級別的智能化。這種類(lèi)型的降水自動(dòng)采樣器正是今后的發(fā)展方向。

二、需求分析

2.1 功能要求

目前該類(lèi)系統都是單機版的簡(jiǎn)單的管理軟件，基本具備以下幾個(gè)功能：

1. 通訊功能：與降水采樣器實(shí)現通訊，將收集到的數據顯示出來(lái)；

2. 設置功能：可以設置相關(guān)的通訊參數，以及降水采樣器的工作方式等，可以對采樣器進(jìn)行參數的設置。

3. 數據管理功能：簡(jiǎn)單的軟件不具備此項功能。該功能實(shí)現了數據庫的管理功能，將采集到的信息寫(xiě)入數據庫，允許對數據庫內的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的查詢(xún)等操作。

4. 報表功能：對數據庫內的降雨記錄以列表的形式打印出來(lái)。

5. 降水判斷：檢測到降雨傳感器的信號，實(shí)現開(kāi)蓋/關(guān)蓋。

6. 降水量的統計：能正確累計降水量，通過(guò)標準雨量計進(jìn)行累計。

7. Ph值、電導率及溫度的實(shí)時(shí)檢測。

8. 基于短消息的遠程無(wú)線(xiàn)通訊方式。

圖1 系統架構

2.2 性能要求

目前這些單機類(lèi)的信息管理系統存在如下缺點(diǎn)：

信息共享困難：信息保存在單機上，軟件也需要安裝在該計算機上。想利用其它計算機來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些數據比較困難。

數據難以實(shí)現集中管理：當多個(gè)環(huán)境監測站都安裝了降水采樣器后，如何將這些采樣器的信息集中起來(lái)，進(jìn)行對比分析等操作就成了難題。

不具備分析功能：由于單機版軟件的數據較少，基本上沒(méi)有實(shí)現數據的對比分析、曲線(xiàn)顯示、靈活統計等功能。

軟件維護困難：?jiǎn)螜C版軟件容易受病毒破壞。需要用戶(hù)或廠(chǎng)家進(jìn)行重新安裝，給系統維護帶來(lái)額外的費用。

因此，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現，目前還沒(méi)有針對降水采樣器的網(wǎng)絡(luò )版信息管理系統。該系統具有較好的應用前景，應該盡快設計。

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. 方便的軟件維護功能

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統硬件結構框圖

主控模塊兒及周邊

3.2 硬件平臺選用及資源配置

1. EVK1100開(kāi)發(fā)板

2. Usb轉串口線(xiàn)

3. 串口線(xiàn)

4. 電導率傳感器

5. PH值檢測傳感器

6. GSM模塊（sim300cz）

7. 降水采樣器

3.3系統軟件架構

3.4 系統軟件流程

程序運行流程圖

3.4 系統預計實(shí)現結果

本系統主要達到下述目標：

1、系統應能滿(mǎn)足現代降水采樣信息管理的要求，能容納多種信息，主要包括降水信息（降水開(kāi)始/結束時(shí)間）、每N分鐘采集到的降雨量、降水成分的分析信息（Ph值、電導率）。能對這些信息實(shí)現采集、處理、存儲、傳輸，按不同時(shí)段進(jìn)行統計，計算，存檔功能。

2、實(shí)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(kāi)放性，具有與多種降水采樣器進(jìn)行通信的能力。系統建成后，不同廠(chǎng)家、不同類(lèi)型的采樣器，可以很方便地接入系統。主站系統硬件不依賴(lài)任何廠(chǎng)家，可以方便地在市場(chǎng)上采購得到，以利系統的維護和擴充。

4、系統應滿(mǎn)足高可靠性的要求。系統重要設備都應能夠按冗余要求配置，包括主服務(wù)器、前置通訊設備、通訊通道等，或在將來(lái)很容易地實(shí)現冗余配置。

5、系統應滿(mǎn)足對數據完整性和保密性的要求。

6、系統應滿(mǎn)足對靈活性和可擴充性的要求。在采樣器增加，或數據存儲間隔時(shí)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(shí)現故障顯示、查詢(xún)，異常分析等功能