史珊海 陶明 李志梅

（广东省智能制造研究所）

基于无线的翻斗式雨量计采集方法开发与应用

史珊海 陶明 李志梅

（广东省智能制造研究所）

提出一种翻斗式雨量计采集方法，通过无线采集器将雨量脉冲计数传输到后台进行数据分析处理，使翻斗式雨量计较准确采集降雨起止时间、小雨降雨量等，并解决数据上传问题，降低成本。最后通过与现有雨量计采集方式对比，证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

翻斗式雨量计的工作原理是承雨器将雨引到翻斗，雨达到一定量时，翻斗反转，致使干簧管通断产生一次脉冲信号。大多数翻斗式雨量计以雨量计数脉冲开始输出时间作为降雨开始时间，采用延时方法，若计数脉冲在设定时间内无增加，则认为降雨停止。目前，降雨等级根据12 h或24 h降雨总量进行划分[1-2]。小雨时，出现断续的雨强柱形图，不能很好地反映降雨情况，还可能出现正在下雨，但雨量计读数为零的情况，如图1所示。统计时间过长和断续情况可能给数据实时分析带来一定缺陷，甚至带来控制扰动。

图1 雨强计算柱形图

此外，目前应用较多的翻斗式雨量计采集方式为PC接变送器，再连接雨量计或通过变送器连接雨量计进行采集分析存储。对于多站点，由于雨量采集点分布范围广，一般采用人工U盘拷贝提取数据或PC端通过有线形式上传，再集中到主PC端处理。这种方式的缺点：变送器端采用的通信协议一般为厂商开发协议，不公开；有线模式成本较高；人工提取模式不适用于实时采集控制。

本文提出一种基于无线的翻斗式雨量计采集方法。无线采集器采集对应端口的雨量计计量脉冲后，将数据无线传输至中心服务器，由服务器统一进行数据处理分析。剔除雨量计变送器表头，雨量计脉冲输出信号输入到无线采集器，全过程自动化，无需人工现场拷贝数据，实现采集数据自动上传。无线采集器传输采集数据到服务器端，采用标准的Modbus TCP协议。系统架构采用一主多从分布式形式。主机为自主开发应用软件，具有OPC功能，部署在中心服务器上；从机为分布式远端无线采集器，实现雨量计计量脉冲的采集，并按照指定协议被动上传至中心服务器进行处理。雨量数据分析处理、存储等功能由部署在服务器上的Modbus主机应用软件完成，实现多雨量采集点统一采集管理[3-5]。

1 采集原理分析

雨强换算公式为

其中，Q为降雨量；ΔT为两次读取计量脉冲的时间差；K为雨量计分辨率；C为当前计量脉冲；C′为上一次计量脉冲。

适应于戴维斯曲线的雨滴下落速度和雨滴直径的经验公式[6-7]其中，A0、a、n均为常数，分别取943、1.77和1.147；雨滴直径d单位为mm；速度V0(d)单位为cm/s。

假设雨滴直径为0.1 mm，且均匀分布。忽略气候条件，并假设雨滴在单位体积空气中的含量由温差造成进行推算。单位时间（每分钟）内，能汇聚到雨量计中的雨水质量mm为

其中，V0(0.1)为直径0.1 mm雨滴下落雨速；D为雨量计承雨器直径；mΔT为因温差造成单位体积所含液体水滴的质量。

当D取0.01 mm时，参考广州近年天气年报[8]的相关温湿度数据，推算雨量计触发一次脉冲约需7.9 min。汇水区域所产生的径流雨量经验计算公式为

其中，φ为修正系数，此处可粗略取1；A为汇水面积，此处为本文研究覆盖区域；i为雨强[9-10]。

经计算雨量为15.624 m3，仅约为该时间内生活污水量的1.9%，因此7.9 min可间接作为限值。

翻斗式雨量计翻斗动作次数最多每分钟40次，因此雨量计极限有效计数值为40。但由于信号传输延时可能会造成计数误差，取1.2的安全系数。

2 计量方法

根据采集原理分析，设计如图2所示计量程序流程图，进行雨量计采集脉冲的分析处理，输出和存储雨强和雨量数据。

图2中，C、C1分别为当前和上一次脉冲计数值，Q为雨量值，Q1为中间变量。采用数字滤波方式，滤除对计量影响可忽略的值。雨强换算根据前8 min的计量值分析小雨或暴雨情况，若为小雨则取此时间的平均雨强。

雨量计计量脉冲由无线采集设备以累加计数形式采集。脉冲计数值乘分辨率即为雨量。雨量数据采集以时间触发机制来实现自动采集，因此采集到的实时单位时间雨量即为当前计数脉冲值减去上一次计数脉冲值，再乘雨量计计量分辨率（0.1 mm/pulse）。

计数脉冲值转换为单位时间雨量后，根据采集原理分析得到的修正后翻斗式雨量计翻转动作频率极限值，进行第1次数字滤波，排除不实际大值干扰。

将连续8 min采集的雨量数据按时间序列排列，建立一个八维矩阵Qn=[Q1,Q2,…,Q8]。雨量值以先进先出的方式进入矩阵Qn，按(5)式进行矩阵运算。

当C值从0跳变为非0时，说明采集到有效雨量数据，且满足不小于最低雨量限值要求，此时矩阵中Q8降雨量对应的采样时间为降雨开始时间。当C值从非0跳变为0时，此时矩阵Q1降雨量对应的采样时间为降雨停止时间。

根据Qn中各元素值特征，进行变权值滑动平均滤波，将小值进行平滑化。

若Qa≠0，Qb≠0， Qa、Qb是矩阵Qn中按时间序列排列的雨量值，且0≤a＜b≤8。

图2 计量程序流程图

其中，Δ≤b-a为变权值；Qa+Δ为数字滤波后雨量平滑化值。

最后进行雨量值更新，将小雨情况下雨量计计量的突变值平滑化，并将单位时间雨量数值转换为12 h制和24 h制的标准制雨强[10]，存储到数据库。

3 应用案例

在某市政大楼顶安装的雨量计如图3所示，目前已正常运行半年。

图3 雨量计安装图

采用本文计量方法，与某市政大楼楼顶之前安装的带变送器的雨量计进行比较。本计量方法能平滑化雨量计量，如图4所示优化柱状图。比较图1，图4可直观反映小雨情况。

图4 雨量计计量优化柱状图

4 结语

采用本文计量方法进行实时雨量采集，可较好、较稳定地进行雨量计量和雨强分析，能滤除人为洒水和微小值（雾水结露等）影响，提高计量准确度。同时采用无线采集传输方式，实现实时传输，节省人力，节约成本。

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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，硕士研究生，主要研究方向：自动化控制和算法。E-mail: sh.shi@giim.ac.cn