基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究*

溫立民，巨永鋒，朱　旭，雷　旭

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）

基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究*

溫立民，巨永鋒，朱旭，雷旭

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）

采用Cortex-M3為內核的微處理器設計了基于三角堰低功耗坡面徑流采集器。采集器通過RS485總線掛接水位傳感器組，根據(jù)需求開啟或關閉外設時鐘電源，設置采集休眠時間間隔以降低系統(tǒng)功耗。采集器采用SPI總線接口的SD卡存儲水位數(shù)據(jù)，最高速度可達2 M帶寬，通過設置菜單界面，可實現(xiàn)采集/休眠間隔、存儲、系統(tǒng)時間、通信設置等數(shù)據(jù)，采用JBOSS搭建了信息顯示和發(fā)布平臺。與現(xiàn)有徑流測定方法相比,采集器具有結構簡單、功耗低、精度高（精度＜0.3 mm，分辨率 0.1 mm）等特點，經(jīng)現(xiàn)場測試系統(tǒng)在10瓦光伏電池供電且在最大負荷下（掛載 4組×8個水位傳感器）最長穩(wěn)定工作62天。

坡面徑流；三角形堰；低功耗；水位采集；STM32

0　引言

地表坡面徑流數(shù)據(jù)采集在高速公路泥石流和農業(yè)灌溉土壤墑情研究及應用中起著重要作用，但目前對地表坡面徑流采集、處理和控制手段存在功能簡單、功耗高等諸多問題[1-2]。通常情況下坡面徑流采集設備是野外無人值守，安裝現(xiàn)場通常情況下需太陽能供電，這對采集系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性、功耗提出了更高要求。由于太陽能供電的設備在連雨天無法滿足要求，能否設計出低功耗的坡面徑流采集裝置保證在連雨天存儲的電量滿足系統(tǒng)運行，成為了坡面徑流采集系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關鍵[3-6]。本文以Cortex-M3為內核的STM32F103系列芯片搭建便攜式坡面徑流采集硬件平臺，經(jīng)安裝測試，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，功耗低，適合于野外無人值守的坡面徑流信息采集。

1　低功耗坡面徑流采集器總體框架

1.1三角堰坡面徑流量采集模型

三角形堰的流體流量公式[7]：

式中，qv是三角形堰的徑流量(m3/s)，h是實測水頭(m)。若三角形開口角度θ一定，水流量由實測水頭h決定，因此測量出水位h即可計算出通過三角堰界面的流量，即坡面水徑流量。

1.2采集器硬件框架設計

坡面徑流采集器以STM32為主控芯片，采用STM32的串口 0（uart0）與上位機通信（通信格式如表 1），串口1-4（uart1-4）由 485總線接若干個傳感器，用于接收傳感器數(shù)據(jù)。這些傳感器分為4個水位傳感器組（組1-組4，如圖1所示），每組中傳感器的最大個數(shù)不超過8個，每個傳感器有自己的節(jié)點號，各節(jié)點通過 Modbus協(xié)議與主芯片通信。485通信線為4芯，其中兩根是電源和地，主芯片通過I/O口控制開關管可以開啟和關閉組內傳感器電源，以節(jié)省功耗開銷。采集器配置有一個RTC時鐘生成電路，一塊 2.8寸TFT LCD彩屏并擴展一個SD卡。RTC時鐘產(chǎn)生當前的時間；LCD顯示與用戶交互；SD用于存儲采集的數(shù)據(jù)和時間，用戶可方便地通過SD卡將數(shù)據(jù)上傳到計算機。

表1　采集器與PC通信協(xié)議

圖1　采集器總體方框圖

水位采集傳感器采用數(shù)字型傳感器，其通信協(xié)議為Modbus_RTU協(xié)議。如表2所示，每個傳感器可作為一個節(jié)點掛接在數(shù)據(jù)RS485總線。

表2　Modbus RTU協(xié)議

2　坡面徑流采集器硬件設計

2.1采集器LCD顯示模塊接口硬件設計

液晶顯示模塊主控制器為 ILI9341，其與 STM32接口如圖2所示，STM32可通過 SPI總線對液晶初始化。STM32芯片集成了FSMC總線接口控制器，本文將 LCD模塊看成SRAM掛接在FSMC總線上。液晶接口模塊用到了FSMC總線的16位數(shù)據(jù)總線(數(shù)據(jù)傳輸格式RBG為 5:6:5)，片選線 FSMC_NE,寫線 FSMC_NE，讀線FSMC_NOE和地址線FSMC_A10，F(xiàn)SMC_A10是 STM32對ILI9341數(shù)據(jù)和命令的區(qū)分引腳，可實現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的分時傳輸。

圖2　2.8吋液晶接口

2.2坡面徑流采集器存儲電路的硬件設計

本文擴展了SD存儲卡作為數(shù)據(jù)存儲介質，SD存儲卡與STM32的接口如圖3所示。STM32采用SPI總線方式與 SD卡通信，SPI采用三線制，SPI2_CLK、SPI2_MISO和 SPI2_MOSI，加上一根片選和讀寫允許線，就可方便地實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，且讀寫時鐘可達2 MHz。

圖3　SD卡與STM32接口互聯(lián)

3　坡面徑流采集器軟件功能設計

（1）水位采集和存儲

采集器按采集間隔設置輪詢4個傳感器組，采集到的節(jié)點數(shù)據(jù)經(jīng)打包存儲在SD卡存儲器中。數(shù)據(jù)包由16 B組成（如表3所示）。數(shù)據(jù)包分為 3個部分：采集包頭、采集時間和數(shù)據(jù)。包頭分采集序號、組號等，采集時間為7 B的 BCD碼，記錄了當前采集時間，節(jié)點數(shù)據(jù)為2 B(低字節(jié)在前)。

表3　SD卡存儲數(shù)據(jù)包格式

（2）坡面徑流采集器菜單功能

為降低功耗，坡面徑流采集器設置了5個主要菜單功能，如圖4所示。包括休眠時間間隔設置、存儲時間間隔設置、刪除數(shù)據(jù)、下位機校時、時間設置。休眠時間是根據(jù)用戶需要設置休眠時間(設置范圍為6 min～2 h)；數(shù)據(jù)存儲時間是根據(jù)用戶需要設置存儲時間間隔（設置范圍為30 s～1 h）。

（3）休眠選擇功能

休眠流程圖如圖5所示，如果選擇休眠功能，則采集器將按設定時間間隔自動進行休眠與喚醒。如果不選擇休眠功能，采集器不進入休眠。此功能是休眠時間設置的前提，只有選擇了此功能，休眠時間設置功能才能生效。

圖4　采集器菜單功能軟件流程圖

圖5　采集器休眠功能軟件流程圖

4　坡面徑流采集器功能測試

采集器整體實物圖如圖6所示，由前面板、底板和液晶模塊組成。前面板上設置有5個按鍵，用于功能選擇；液晶模塊設置兩個界面，一個是采集界面，一個是菜單界面。采集界面用于顯示當前水位實時值、采集間隔、系統(tǒng)時鐘等；菜單界面設置了采集間隔時鐘、休眠時間間隔設置等功能，通過按鍵選擇可在菜單項間切換。

圖6　采集器實物圖

4.1采集功能測試

采集器可按菜單設置的采集間隔對底層量水堰傳感器進行輪詢發(fā)請求，各節(jié)點傳感器接到請求后將數(shù)據(jù)包上傳給采集器，表4為粘土條件下4路RS485采集的坡面徑流數(shù)據(jù)（記為組1，組 2，組3，組4）。每路RS485總線上掛接了6個傳感器，分別編號1-6，從1到6號三角堰的水槽水位逐漸增高，采集到的水位及計算得到的坡面徑流量如表4所示。

表4　4組RS485徑流采集數(shù)據(jù)

4.2坡面徑流采集器功耗測試

項目以采集器掛接32路傳感器進行功耗測試。采集系統(tǒng)在不休眠且外圍設備時鐘電源全部打開的情況下功率耗散約為900 mW，而現(xiàn)場太陽能供電為10 W，在此條件下僅能持續(xù)工作 11 h；若在關閉不需要的外設時鐘的情況下，能持續(xù)工作 16 h，這遠遠達不到用戶要求。因此需要為采集器設置休眠功能和傳感器電源配置功能。經(jīng)測試每個外部傳感器功率約為240 mW，對于整個系統(tǒng)功耗而言所占比例較高，所以需要在采集器休眠的情況下將傳感器電源一并關閉。

經(jīng)過外場對系統(tǒng)測試，光伏充電關閉后系統(tǒng)工作時間如表5所示。從表5可知休眠時間越長，系統(tǒng)待機時間越長，當設置休眠時間為 60 min，傳感器電源關閉的情況下系統(tǒng)可連續(xù)工作62天，這可以滿足系統(tǒng)在國內大部分地區(qū)最長連陰雨天下正常工作。

表5　休眠時間對功耗影響測試

4.3坡面徑流采集器數(shù)據(jù)下載/上傳測試

采集器數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，用戶可直接將SD卡取出讀取存儲的水位數(shù)據(jù)，也可通過GPRS/RS485/RS232上傳到上位機中進行處理。本文采用JBOSS搭建了上位機數(shù)據(jù)顯示及處理軟件，該軟件為用戶提供可選擇的通信方式（GPRS/RS485/RS232/TCP）與采集器通信，將 SD卡中的數(shù)據(jù)遠程存儲、顯示，最多可實時接收/顯示60路水位數(shù)據(jù)。圖7為采集器數(shù)據(jù)經(jīng)RS232方式通信后的顯示界面，本次測試采集了32路水位數(shù)據(jù)，采集時間間隔30 s，休眠5 min，數(shù)據(jù)顯示單位為ms。

圖7　坡面徑流遠程監(jiān)控界面

5　結束語

本文基于STM32設計三角堰坡面徑流采集器，采集器通過RS485總線擴展4路傳感器，最大可采集32路傳感器數(shù)據(jù)，采集精度＜0.3 mm，分辨率為0.1 mm。設計了LCD人工交互界面，可完成休眠、采集間隔設置等功能。采用多種途徑減少功耗，在10 W光伏電池供電下最長穩(wěn)定工作62天。經(jīng)測試可滿足高速公路泥石流及坡面徑流小區(qū)水土流失過程監(jiān)測。

[1]曹建生，張萬軍，劉昌明．一種坡面徑流水樣采集及流量測定裝置[J]．儀器儀表學報，2007，28（4）：28-30．

[2]李東發(fā)，宋獻方，劉昌明，等．坡面徑流過程自動觀測方法[J]．地理研究，2006，25（4）：666-672．

[3]Huang Jinliang，Tu Zhenshun，Du Pengfei.Uncertainties in stormwater runoff data collection from a small urban catchment，Southeast China[J].Journal of Environmental Sciences，2011，23（5）：553-560.

[4]張甫寬，劉純天．人工降雨徑流模型水位采集系統(tǒng)設計[J]．武漢水利大學學報，1997，19（3）：16-19．

[5]Siaka Ballo.Pollutants in stormwater runoff in Shanghai(China)：Implications for management of urban runoff pollution[U]. Progress in Natural Science.2009(7)：873-880.

[6]趙軍，屈麗琴，趙曉芬．稱重式坡面徑流小區(qū)水流流量自動測量系統(tǒng)[J]．農業(yè)工程學報，2007，23（3）：37-40．

[7]范長玉，徐寶林．星星哨徑流實驗站三角堰測流精度的率定[J]．吉林水利，2011，9（9）：27-29．

Research on low-power consumption collector for triangular-notch weir stormwater runoff on the basic of Cortex-M3

Wen Limin，Ju Yongfeng，Zhu Xu，Lei Xu
(School of Electronic and Control Engineering,Chang′an University，Xi′an 710064，China)

This paper adopts Cortex-M3 to design collection for stormwater runoff.The collection can connect with sensors through RS485 bus,and start or stop clock power for peripheral according to demand,and freely setup sleep interval to decrease consumption,and save the data by SD card with the speed of 2 M bandwidth.Collection designs a menu to setup sleep,store,system time,connection ways.Moreover,JBOSS is used to build the platform for information display and deployment.The collection have higher accuracy(＜0.3 mm)and resolution(0.1 mm)than previous,and continually work twenty-nine days with 10 watt battery and maximum sixty-two sensors without charging.

stormwater runoff；triangular-notch weir；low power consumption；water level collection；STM32

TP216

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.012

西安市科技基金（CXY1512（9））；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（009-2014G1321037）

2015-10-22)

溫立民（1976-），男，博士研究生，講師，主要研究方向：檢測技術及儀器儀表、測試計量技術及儀器。

巨永鋒（1963-），男，博士，教授，博導，主要研究方向：智能測控技術及應用、智能化工程機械。

朱旭（1982-），男，博士，講師，主要研究方向：控制理論及控制工程。

中文引用格式：溫立民，巨永鋒，朱旭，等.基于 Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究[J].電子技術應用，2016，42 (2)：46-49.

英文引用格式：Wen Limin，Ju Yongfeng，Zhu Xu，et al.Research on low-power consumption collector for triangular-notch weir stormwater runoff on the basic of Cortex-M3[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：46-49.