基于射頻的低功耗水利水文信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志堅(jiān)，唐躍平，劉 敏，智永明，2，尹新沆

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于射頻的低功耗水利水文信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志堅(jiān)1，唐躍平1，劉 敏3，智永明1，2，尹新沆1

（1.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

本文設(shè)計(jì)了一種基于SI4463射頻芯片的無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集終端選用MSP430F149為核心微處理器芯片，選用SI4463作為射頻通信主芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨量、水位、土壤水分等水文信息的短距離無(wú)線傳送。本設(shè)計(jì)主要有硬件和軟件兩部分，軟件設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)講了低功耗和時(shí)間同步問(wèn)題。該數(shù)據(jù)采集終端具有低功耗、低成本、可靠性高等特點(diǎn)。

射頻；MSP430單片機(jī)；低功耗；SI4463；時(shí)間同步

近些年國(guó)內(nèi)水利水文行業(yè)信息化系統(tǒng)初成規(guī)模，其中包括江河流域水文站點(diǎn)、大型灌區(qū)等。隨著科技的進(jìn)步，無(wú)線傳輸方式已逐步代替有線傳輸方式完成水文、土壤墑情等信息的傳送。長(zhǎng)距離通常使用GPRS、CDMA無(wú)線通信模塊完成上下位機(jī)的通信，這種方式過(guò)分依賴于電信運(yùn)營(yíng)商，電信運(yùn)營(yíng)商收費(fèi)較高，成本是持續(xù)性的，不適合短距離通信。由此短距離通信技術(shù)在灌區(qū)等需要在局部范圍內(nèi)布置多站點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)合倍受親睞，短距離通信技術(shù)例如Zigbee技術(shù)、WiFi技術(shù)、射頻通信技術(shù)等，由于Zigbee和WiFi技術(shù)傳輸距離通常在200～300米左右，而基于SI4463的射頻模塊通信距離為1 000 m以上，在水利水文信息的短距離通信系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。

隨著電子科技的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為相關(guān)電子產(chǎn)品

最重要的指標(biāo)之一。節(jié)能、環(huán)保是國(guó)家和社會(huì)普遍關(guān)注的問(wèn)題，為了提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高電的使用效率，全世界范圍內(nèi)，從芯片制造商到應(yīng)用商，從芯片設(shè)計(jì)到嵌入式外圍電路設(shè)計(jì)都在努力實(shí)現(xiàn)低功耗，低功耗設(shè)計(jì)已然成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)之一。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出整個(gè)系統(tǒng)中PC機(jī)處在最上層，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送終端（RTU）通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與主控機(jī)通信，RTU通過(guò)232串口與上位機(jī)（中心模塊）通信［1］。

中心模塊（上位機(jī)）的作用是通過(guò)射頻通信方式接收終端模塊（下位機(jī)）采集到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)后通過(guò)RTU發(fā)送至主控機(jī)。一個(gè)中心模塊理論上可以同多個(gè)終端模塊通信，將所在網(wǎng)絡(luò)的下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)并最終發(fā)送到主控機(jī)。

圖1 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wireless data acquisition system structure diagram

下位機(jī)電路具有多種接口，可以接收頻率信號(hào)，模擬量信號(hào)，脈沖信號(hào)等，下位機(jī)通過(guò)中斷方式接收上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，接到命令后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SI4463射頻模塊發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)的微處理器均選擇MSP430F149單片機(jī)，該單片機(jī)性能強(qiáng)大且功耗很低。

中心節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在MCU的控制下同步喚醒，完成數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和接收，MCU基于時(shí)鐘芯片完成同步校時(shí)，保證終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的同步喚醒，確保數(shù)據(jù)的正常采集、發(fā)送和接收。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)備包括主控機(jī)、RTU以及RTU后端的上位機(jī)和下位機(jī)，其中主控機(jī)和RTU分別選用PC機(jī)和大品牌的RTU模塊即可。RTU后端的上位機(jī)（中心模塊）和下位機(jī)（終端模塊）在硬件電路設(shè)計(jì)上沒有區(qū)別，使用同樣的電路板，但實(shí)現(xiàn)功能所運(yùn)行程序不同。上下位機(jī)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 上下位機(jī)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Master and slave machine circuit design assumption diagram

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊電路構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，MCU選用超低功耗單片機(jī)MSP430F149，MCU配有存儲(chǔ)芯片和時(shí)鐘芯片［2］，存儲(chǔ)芯片選用AT24C512C，512K的存儲(chǔ)空間彌補(bǔ)單片機(jī)存儲(chǔ)空間較小的缺陷，其通過(guò)I2C總線連接到單片機(jī)；時(shí)鐘芯片選用常用的DS1393為終端模塊和中心節(jié)點(diǎn)的同步喚醒做時(shí)間基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集模塊集成了雨量計(jì)信號(hào)采集電路、AD信號(hào)接口、水位計(jì)信號(hào)接口（頻率信號(hào)）、土壤墑情傳感器接口、RS232和RS485串口等信號(hào)接口，方便多種水利水文信息的采集。

2.2 電源控制模塊

芯片的工作電壓和工作頻率是實(shí)現(xiàn)低功耗的兩大主要因素。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，電源電路設(shè)計(jì)了3.3 V供電電壓，單片機(jī)及其外圍接口芯片均選用3.3 V的工作電壓標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)電路板采用4節(jié)1.5 V電池供電，電源控制模塊核心芯片選用AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓器。

2.3 無(wú)線通信模塊

以SI4463是一款高性能的射頻芯片（RFIC），輸出功率為20 dBm，靈敏度為-126 dBm，通信距離達(dá)1 000 m以上，超低功耗表現(xiàn)為，在掉電模式30 nA（4.21 ms），待機(jī)模式50 nA；接收電流10/13 mA、最大發(fā)射電流85 mA。以SI4463為核心的射頻模塊已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品可以購(gòu)買使用，需要注意的是在主板繪制PCB時(shí)預(yù)留間距為1.27 mm的12孔插口與單片機(jī)相連接，特別注意的是插孔應(yīng)預(yù)留在主板的邊緣，遠(yuǎn)離單片機(jī)等其他芯片，SI4463與單片機(jī)的通信方式是模擬SPI，模擬SPI即不用在硬件上連接單片機(jī)的SPI口而是通用IO口模擬SPI串口的工作方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這種方式特點(diǎn)是具有很高的可擴(kuò)展性［3］。

2.4 幾種信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

2.4.1 雨量計(jì)信號(hào)采集電路

MCU接收到雨量計(jì)信號(hào)是開關(guān)量信號(hào)，信號(hào)調(diào)理電路選擇74HC123D單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器作為信號(hào)處理芯片，作用是將輸入的開關(guān)量信號(hào)整形為方波信號(hào)以便單片機(jī)讀取。其電路圖如圖3所示。

2.4.2 頻率信號(hào)采集電路

頻率信號(hào)主要是水位計(jì)信號(hào)，頻率信號(hào)從先通過(guò)鎖存芯片 74HC373鎖存，之后通過(guò) 5.0～3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245將信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為與單片機(jī)相匹配的電平，電路圖如圖4所示。

圖3 雨量計(jì)信號(hào)采集電路Fig.3 Gauge signal acquisition circuit

圖4 頻率信號(hào)采集電路Fig.4 Frequency signal acquisition circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 前后端模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件架構(gòu)主要分為兩個(gè)模塊，第一個(gè)是前端通信模塊，第二個(gè)是后端通信模塊，分別對(duì)應(yīng)于硬件電路中的終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)，其硬件設(shè)計(jì)完全相同，軟件功能各異。前端模塊負(fù)責(zé)雨量計(jì)、水位計(jì)、土壤墑情信息的采集和接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送；后端模塊負(fù)責(zé)前端模塊數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)，并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端，同時(shí)發(fā)出校時(shí)命令與對(duì)前端模塊的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)。

后端模塊和前端模塊以主從關(guān)系進(jìn)行通信，即后段通信模塊為主機(jī)，前端通信模塊為從機(jī)。

3.2 低功耗模式控制

3.2.1 單片機(jī)低功耗模式控制

MSP430F149單片機(jī)是一款低電壓［4］，超低功耗單片機(jī)，在正常工作模式下280μA@1 MHz，待機(jī)模式下1.6 μA，掉電模式下0.1 μA，具有5級(jí)節(jié)電模式［4］。

MSP430單片機(jī)提供了一種活動(dòng)模式和 5種低功耗模式，分別為：活動(dòng)模式AM，低功耗模式0（LPM0）、低功耗模式1（LPM1）、低功耗模式2（LPM2）、低功耗模式3（LPM3）、低功耗模式4（LPM4）。

以上6種工作模式由CPU的狀態(tài)寄存器SR的控制位SCG0、SCG1、OscOff、CPUOff配置決定。通常情況下通過(guò)軟件設(shè)定CPU于某種低功耗狀態(tài)下，當(dāng)需要時(shí)即可使用中斷將CPU喚醒，完成工作后又可以進(jìn)去休眠狀態(tài)［5-6］。

各種工作模式下單片機(jī)的耗電情況如圖5所示。

圖5 單片機(jī)各種工作模式下的耗電情況Fig.5 Power consumption of the microcontroller under various working mode

3.2.2 SI4463射頻模塊低功耗模式控制

射頻模塊主芯片SI4463是一款具有多種工作模式的射頻芯片，包括發(fā)送模式（TX State）、接收模式（RX State）、準(zhǔn)備模式（Ready State）、SPI工作模式（SPI Active State）、睡眠模式（Sleep State）、待機(jī)模式（Standby State）、掉電模式（Shutdown State）。

射頻模塊核心芯片SI4463的各種工作模式下耗電情況如圖6所示。

基于SI4463的射頻模塊軟件上配有封裝好的低功耗模式函數(shù)，方便調(diào)用。當(dāng)主板CPU處于低功耗狀態(tài)時(shí)，射頻模塊也處于低功耗狀態(tài)，主板CPU被喚醒之后，由主板CPU喚醒射頻模塊，使模塊進(jìn)入準(zhǔn)備模式，完成工作后，CPU設(shè)置射頻模塊進(jìn)入睡眠模式，最后主板CPU進(jìn)入相應(yīng)的低功耗模式。

喚醒射頻模塊程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（0）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（0）；

設(shè)置進(jìn)入睡眠模式程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（1）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（1）；

圖6 射頻模塊各種工作模式下的耗電情況Fig.6 Power consumption of RF module under various operating modes

3.2.3 功耗計(jì)算

1）工作模式下：

2）休眠模式（低功耗）下：

單片機(jī)MSP430低功耗模式選擇LPM3，此模式下電流為1.6 μA。

3）更換電池時(shí)間計(jì)算：

一個(gè)小時(shí)內(nèi)整個(gè)模塊每15分鐘啟動(dòng)一次，即一個(gè)小時(shí)啟動(dòng)4次，每次工作時(shí)間10 s，即總工作時(shí)間是40 s，其他時(shí)間模塊均處于低功耗狀態(tài)。

供電電池選用4節(jié)容量為2 050 mAh的5號(hào)電池。設(shè)H為小時(shí)，Y為年，計(jì)算結(jié)果如下：

即4節(jié)容量為2 050 mAh的5號(hào)電池可以供給數(shù)據(jù)采集模塊約1年半的時(shí)間。

3.3 前后端模塊時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)

時(shí)鐘同步是射頻通信實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)時(shí)鐘同步來(lái)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)射頻通信模塊同時(shí)上電工作，工作完成后即進(jìn)入休眠模式，降低設(shè)備功耗。時(shí)鐘同步由后端通信模塊為主，通過(guò)校時(shí)命令對(duì)前端通信模塊進(jìn)行校時(shí)操作，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。其軟件流程如圖7所示。

前端模塊和后端模塊時(shí)間同步需要加時(shí)間補(bǔ)償，設(shè)補(bǔ)償時(shí)間為T，補(bǔ)償時(shí)間由兩部分組成：第一部分是后端模塊發(fā)送時(shí)間參數(shù)時(shí)加的延時(shí)時(shí)間，設(shè)此時(shí)間為Td；第二部分為數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間設(shè)為Tt，包括單片機(jī)與射頻模塊的SPI通信時(shí)間和信號(hào)在空中傳輸?shù)臅r(shí)間，分別設(shè)為Ts和Ta。

圖7 時(shí)鐘同步流程圖Fig.7 Clock synchronization flow chart

即補(bǔ)償時(shí)間為0.2 s。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要講了上位機(jī)和RTU后端部分的設(shè)計(jì)，上位機(jī)和RTU部分搭配現(xiàn)有的平臺(tái)即可。

中心模塊和終端模塊在硬件設(shè)計(jì)上并無(wú)大區(qū)別，區(qū)別在軟件上，中心模塊相當(dāng)于中繼端，一個(gè)中繼端可以帶多個(gè)終端模塊。在硬件設(shè)計(jì)上有幾點(diǎn)要注意。

1）調(diào)試實(shí)驗(yàn)階段，電路板的供電使用變壓器供電，即電路板上預(yù)留5 V的直流電源接口，以節(jié)省試驗(yàn)階段的開支。產(chǎn)品階段則使用電池供電，去掉實(shí)驗(yàn)階段的直流電源接口。

2）SI4463射頻模塊是封裝好的標(biāo)準(zhǔn)模塊，設(shè)計(jì)電路母版時(shí)在距離電源電路、時(shí)鐘電路較遠(yuǎn)的電路板邊緣預(yù)留射頻模塊接口，避免信號(hào)干擾。

3）射頻模塊天線采用外接式天線安裝到設(shè)備箱外部，方便安裝同時(shí)保證信號(hào)強(qiáng)度和抗干擾性。

本設(shè)計(jì)選用超低功耗單片機(jī)MSP430F149和低功耗射頻模塊SI4463模塊，同時(shí)通過(guò)軟件控制單片機(jī)和射頻模塊的工作模式使各個(gè)模塊在工作模式和低功耗模式之間有效切換，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)下位機(jī)部分的低功耗設(shè)計(jì)。

［1］張勝波，馬小軍，詹俊.基于nFR401的無(wú)線多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2007（23）:96-98.

［2］謝興紅，林凡強(qiáng)，吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］王志勇，孫順遠(yuǎn)，徐保國(guó).基于SI4463的低功耗無(wú)線窖池測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014（22）: 519-524.

［4］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］杜娟.基于MSP430F149低功耗模式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.低壓電器，2006（10）:21-24.

［6］潘盛輝，郭毅鋒，黃麗敏，等.基于MSP430F149的手持式RFID讀寫器低功耗設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008（11）: 51-53.

Design of low power consumption of hydrological information collection system based on radio frequency

ZHANG Zhi-jian1，TANG Yue-ping1，LIU Min3，ZHI Yong-ming1，2，YIN Xin-hang1
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210012，China；2.Research Center on Hydrology and water resources monitoring of the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；3.College of Water and Hydropower Engineering of Hohai University Nanjing 210098，China）

This paper describes the design of a wireless data acquisition module based on SI6643 RF-chip.Data acquisition terminal uses MSP430F149 as the main microprocessor chip，SI4463 is chose as the main chip of RF communication，achieve the short distance transmission of the hydrological information which include the rainfall，water level，Soil moisture and so on.This design mainly has two parts:hardware and software，the software design part focus on low power consumption and time synchronization.This data acquisition terminal has some characteristics as follow:low power consumption，low cost，high reliability and so on.-

RF；MSP430；low power consumption；SI4463；time synchronization

TN98

A

1674－6236（2016）04-0175-04

2015-05-19 稿件編號(hào)：201505171

水利部公益性行業(yè)專項(xiàng)（ZA1513001）；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2014B26014）作者簡(jiǎn)介：張志堅(jiān)（1987—），男，甘肅環(huán)縣人，助理工程師，碩士。研究方向：自動(dòng)化、嵌入式研究。