一種低功耗水情遙測終端設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱元彩，閆 旭，孫 宇

（1．中國礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221008；2．徐州電子技術(shù)研究所，江蘇徐州 221009）

一種低功耗水情遙測終端設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱元彩1，2，閆 旭2，孫 宇2

（1．中國礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221008；2．徐州電子技術(shù)研究所，江蘇徐州 221009）

水情遙測終端設(shè)備一般工作在不具備線供電源的野外，只能使用太陽能或風(fēng)力等供電方式，因此其實(shí)現(xiàn)最重要的難點(diǎn)就是低功耗。文章提出的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不同于其它同類基于休眠模式的低功耗產(chǎn)品，而是采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，通過一個具備獨(dú)立功能的電源控制板來實(shí)現(xiàn)電源的有效的低成本控制，極大降低了系統(tǒng)綜合功耗，從而在相同電池容量下極大延長了系統(tǒng)惡劣氣象環(huán)境下的工作時間。

低功耗；水情遙測；智能儀器

1 問題提出

水情遙測終端設(shè)備（RTU，以下簡稱終端）是用于測量水位、雨量及其它氣象參數(shù)的設(shè)備，一般工作在荒山野外，不具備線供電源的條件，因此基本采用獨(dú)立供電的工作方式。

當(dāng)前終端電源大多采用蓄電池供電，并輔以太陽能或風(fēng)力等電量來源來進(jìn)行充電管理。而蓄電池的電量是有限的，充電所用的電力來源又受自然條件的約束（如陰雨天，則太陽能無法產(chǎn)生電力），因此對終端進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)就顯得十分重要。

當(dāng)前國內(nèi)外相關(guān)設(shè)備已經(jīng)注意到了這個問題，各類低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)也非常多，但主要集中在主控單元的休眠降耗上，而對無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、各類傳感器等的供電仍是持續(xù)的，這些設(shè)備功耗較大且大多并沒有低功耗狀態(tài)，因此這種低功耗實(shí)現(xiàn)的弊端是顯而易見的。

筆者在對湖南省大洑潭水電站水情遙測系統(tǒng)的終端進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時，采用了另外一種思路，即添加了專用電源管理模塊的雙CPU模式，能夠有效地解決了上述問題，經(jīng)過一年多的應(yīng)用表明：功耗降低明顯、工作可靠。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1 硬件系統(tǒng)框圖

其硬件安裝框圖如圖1：

由框圖可以很清楚地看出，現(xiàn)地設(shè)備分為電源及電源管理部分、現(xiàn)地測量傳感器部分、RTU、通信設(shè)備四大部分。電源及電源管理部分主要完成直流電源的充電及輸出管理，是整個測控系統(tǒng)的供電中心；現(xiàn)地測量傳感器部分則負(fù)責(zé)將現(xiàn)地的水情、雨情及風(fēng)力等參數(shù)采集到RTU中；RTU處理這些參數(shù)，然后再通過通信模塊將各參數(shù)報送到數(shù)據(jù)中心，同時也通過通信模塊接收數(shù)據(jù)中心下達(dá)的各項(xiàng)命令并執(zhí)行之。

圖1 硬件安裝框圖

2．2 低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)說明

相比同行的設(shè)計(jì)，本實(shí)現(xiàn)在硬件部分有個主要特色，即增加了一塊電源控制板，而這塊電源控制板就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行的核心模塊。當(dāng)前RTU的研究與設(shè)計(jì)已非常成熟，本文不再贅述，下面詳細(xì)介紹本實(shí)現(xiàn)中的特色設(shè)計(jì)——電源控制板。

電源控制板具有獨(dú)立的CPU和實(shí)時時鐘RTC，完成的功能主要有：

＊通過控制內(nèi)置的繼電器達(dá)到切斷或接通RTU及相關(guān)測量傳感器、通信設(shè)備的電源；

＊完成太陽能電池電壓的采樣及AD轉(zhuǎn)換；

＊通過檢測水位傳感器的低4位來達(dá)到判定水位變幅是否達(dá)到報送的變化量；

＊通過RTC來產(chǎn)生定時時間間隔報送；

＊通過SPI總線與RTU進(jìn)行實(shí)時通信，處理RTU下達(dá)的各類命令（有些命令是從數(shù)據(jù)中心通過短信發(fā)送來的），并返回時間等數(shù)據(jù)信息給RTU供使用。

電源控制板的電路部分很簡單，主要部分簡介如下：

＊CPU部分：采用宏晶公司的STC12C2052AD單片機(jī)的。該單片機(jī)具有內(nèi)置時鐘晶振、MAX810專用復(fù)位電路，可支持ISP在線編程，完全的低功耗設(shè)計(jì)，且內(nèi)置的2路10位AD轉(zhuǎn)換器可直接用于電池電壓的測量；

＊實(shí)時時鐘RTC部分采用DIP8封裝的CMOS實(shí)時時鐘芯片PCF8563，該芯片可提供編程時鐘輸出及一個中斷輸出，支持使用后備電池方式的雙電源供電方式，具備低功耗的休眠狀態(tài)，通過二線制I2C總線通訊方式，使電路簡單可靠；

＊水位傳感器輸入。為完成水位變幅檢測，測量系統(tǒng)采用接觸式編碼器來檢測水位數(shù)據(jù)，通過將此編碼器的低4位數(shù)據(jù)引到電源板，可使在RTU斷電的情況下，由電源板上的CPU完成水位變幅的檢測工作；

＊繼電器輸出。通過一個三極管驅(qū)動電路來控制繼電器動作，同時將繼電器的常開觸點(diǎn)作為RTU的供電開關(guān)，以完成RTU電源的通斷；

＊其它輔助電路。如電源電路（主要由7805構(gòu)成，完成將電池電壓24V降壓至5V的作用）、CPU編程引腳等。

限于篇幅，這里不再給出電源控制板的電路圖，需要者請與筆者聯(lián)系（zxcvpoiu＠126．com）。

3 軟件編程

3．1 軟件總流程圖

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要有二個部分：RTU主工作軟件和電源控制板軟件。這兩個軟件有需要密切配合的部分。即在電源控制板檢測到需要RTU工作并給RTU上電后，需要等待RTU工作完畢的命令，以再次關(guān)閉RTU電源。而且這個等待過程中RTU有可能收到并處理數(shù)據(jù)中心下發(fā)的設(shè)置命令，并在需要時下發(fā)給電源控制板進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

這兩個部分的軟件及功能可由圖2所示流程圖來說明。

3．2 軟件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

基于可靠性和低功耗的考慮，軟件實(shí)現(xiàn)中有三個細(xì)節(jié)問題：

（1）低功耗設(shè)計(jì)：非報送工作時間內(nèi)，RTU及外圍傳感器等電路被切斷，此時功率消耗主要在電源控制板。因此系統(tǒng)中設(shè)置了非工作狀態(tài)下的休眠狀態(tài)，由電源控制板中的CPU設(shè)置自己和RTC進(jìn)入休眠工作狀態(tài)，以極大節(jié)約功耗。為防止數(shù)據(jù)報送時間間隔太長，休眠時間控制在1分鐘左右，然后由RTC的時鐘報警功能喚醒CPU退出休眠。

（2）RTU自診斷：由于遙測終端是工作在無人的野外，出現(xiàn)故障后，去人維護(hù)的時間也有可能以天計(jì)，因此需要在終端出現(xiàn)故障后，數(shù)據(jù)中心也能夠知道大致的故障類別。這個需求是通過RTU的自診斷來完成的。軟件中通過采集傳感器數(shù)據(jù)、電池電壓、通信裝置返回值及RTU內(nèi)部各狀態(tài)字來斷定系統(tǒng)各部分的工作情況，以在出現(xiàn)異常時能夠及時通知數(shù)據(jù)中心的維護(hù)人員，做好維護(hù)準(zhǔn)備。

（3）自動報送模式：系統(tǒng)的定時測報與變幅檢測測報的工作基礎(chǔ)均基于電源控制板。在電源控制板異?；蛘唠娫纯刂瓢迮cRTU間通信異常時，也會導(dǎo)致即使RTU正常也無法進(jìn)行測報的情況。為了防止出現(xiàn)這種情況，RTU端軟件中加入了判斷與電源控制板間通信是否異常以及在RTU發(fā)送工作完畢信息一段時間后是否確實(shí)已斷電的檢測，如果出現(xiàn)異常，RTU則會自動進(jìn)入定時發(fā)送工作模式，一般按照預(yù)先設(shè)定的時間間隔來定時測量并報送，如2小時測量并報送一次。

4 結(jié)論

本遙測終端由于一方面采用了低功耗設(shè)計(jì)，另外加裝電源控制板，使得整體運(yùn)行功耗非常低。經(jīng)測試，在同等電池容量及無日照的情況下，要比其它廠家的遙測終端工作時間延長1倍以上。目前，本現(xiàn)地裝置經(jīng)過1年來的運(yùn)行，尤其是經(jīng)歷過今年6年懷化地區(qū)的特大暴雨的考驗(yàn)證明系統(tǒng)是安全可靠的。因此，在水情遙測方面值得推廣。

但本終端系統(tǒng)也有不足之處：因工作電源為電源控制板所控制，因此短信收發(fā)設(shè)備并非常備工作，從而使系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心的通訊無法滿足一定條件下的實(shí)時要求。同時，也由于短信收發(fā)設(shè)備只在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時才能上電，導(dǎo)致水情遙測系統(tǒng)中的招測功能（即在數(shù)據(jù)中心認(rèn)為需要時，由數(shù)據(jù)中心發(fā)送測量命令，并由現(xiàn)地設(shè)備在一定時間內(nèi)接收并完成測量數(shù)據(jù)報送的功能）無法實(shí)現(xiàn)。只是在儀表本身能完成定時測量時間隔設(shè)置及水位變幅檢測的幅值設(shè)置等功能的支持下，系統(tǒng)完全可以在汛期時以較小時間間隔和較小的變幅檢測來完成水情的快速檢測，或在非汛期將相應(yīng)控制量設(shè)置為較大值，從而節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。這在一定程度上，降低了招測功能的需求。

圖2 軟件流程圖

［1］ 辛艷輝，袁合才．水情數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．人民黃河，2010（3）．

［2］ 百度文庫．STC12C2052AD、PCF8563等芯片的數(shù)據(jù)手冊［EB／OL］．［2010－09－22］．wenku．baidu．com／view／e7825off04a1b0717，fd5．

責(zé)任編輯：訾興建

TP29

A

1671－8275（2011）01－0001－03

2010－10－11

朱元彩（1972－），男，江蘇徐州人，徐州電子技術(shù)研究所總工程師，中國礦業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)2007級工程碩士研究生。研究方向：自動化控制。