基于STM32的低功耗窨井液位采集與傳輸系統(tǒng)

李文雯，時之媛，陳宇燦，王廣文，趙 亮

（大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

0 引 言

智慧城市是利用工程、科技、節(jié)能減排等方式改善城市治理水平的方式，包括道路交通、電網(wǎng)、管網(wǎng)、橋梁等，將城市中普遍存在的資源與信息技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源數(shù)字化，改善資源利用率，提高服務(wù)性能[1-3]。在城市智慧化發(fā)展進(jìn)程中，我國城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展較為緩慢，隨著全球變暖導(dǎo)致的強(qiáng)降雨天氣增多，普遍存在由于暴雨導(dǎo)致的窨井內(nèi)澇問題，對道路正常通行及人民生命安全產(chǎn)生不利影響[4]。因此，對窨井中的液位進(jìn)行監(jiān)測成為改善排水管網(wǎng)、減少城市內(nèi)澇的重要手段之一。

液位監(jiān)測多采用聲波、電容等傳感設(shè)備進(jìn)行測量。李澤[5]等人設(shè)計了一種超聲波液位測量系統(tǒng)，通過對聲波信號進(jìn)行連續(xù)采集，實(shí)現(xiàn)液位的自動在線監(jiān)測；趙明[6]等人提出了一種使用電容式傳感器測量液位的方案，將液位數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送至上位機(jī)；Konstantinos Loizou[7]等人通過研究現(xiàn)有液位測量技術(shù)提出了新型電容式液位測量系統(tǒng)，由于電容的固有非線性影響，測量性能與超聲波性能相當(dāng)。以上研究均是使用傳感設(shè)備對液位進(jìn)行定時采集，缺少針對短時間內(nèi)液位突增的處理，導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)反映不及時。Silviu C.Fole[8]，Shu T[9]，Vana Jelicic[10]等人提出的通過調(diào)整測量間隔，改變采集與傳輸速率并減少系統(tǒng)功耗的思路，與本文提出的液位采集與傳輸系統(tǒng)有相似之處。本文以STM32微控制器為核心，利用雷達(dá)液位計測量液位，加入2個浮球開關(guān)作為液位突增預(yù)警信號，從而動態(tài)改變采集時間。系統(tǒng)通過設(shè)計MOS關(guān)斷電路在低液位時關(guān)閉耗能電路，滿足低功耗需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 液位測量原理

（1）雷達(dá)液位計通過天線系統(tǒng)向液面方向發(fā)射短促的雷達(dá)脈沖，脈沖波遇到液面反射回來后被天線系統(tǒng)重新接收，將雷達(dá)脈沖從發(fā)射到接收所需的運(yùn)行時間、輸入的窨井高度通過STM32微控制器處理、計算后得到液位高度[11]，液位計測量示意如圖1所示。

圖1 液位測量示意圖

設(shè)雷達(dá)與液面間的距離為D，脈沖波的傳播速度為光速c，雷達(dá)脈沖從發(fā)射到接收所需時間為t，得出雷達(dá)到液面的距離D為：

若已知窨井的高度為L，則窨井液位的高度H為：

（2）浮球開關(guān)是一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的液位控制器件，無需提供電源，無復(fù)雜電路連接。當(dāng)浮球開關(guān)被測介質(zhì)浮動浮子時，浮子帶動主體移動，同時浮子另一端的磁體將控制桿上的磁體開關(guān)動作，產(chǎn)生開關(guān)信號。

系統(tǒng)選用2個浮球開關(guān)分別放置于窨井井壁1/2位置、2/3位置，作為液位突增信號開關(guān)，用于判斷液位所處位置是否需要啟動預(yù)警，進(jìn)而改變系統(tǒng)的工作模式，更改采集時間，提高系統(tǒng)的靈活性及數(shù)據(jù)采集的實(shí)時性。

1.2 整體設(shè)計方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由STM32單片機(jī)、MOS關(guān)斷電路、RS 485收發(fā)電路、中斷觸發(fā)電路等組成。雷達(dá)液位計采集液位值，輸出4～20 mA信號，送入模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換后，通過RS 485收發(fā)電路與STM32單片機(jī)串口通信。使用浮球開關(guān)1、浮球開關(guān)2作為液位突增預(yù)警開關(guān)，動態(tài)改變數(shù)據(jù)采集時間，提高數(shù)據(jù)的實(shí)時性。系統(tǒng)中設(shè)計了MOS關(guān)斷電路，當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作模式時，STM32單片機(jī)能夠通過MOS關(guān)斷電路關(guān)閉其他耗能電路及設(shè)備。GPRS DTU模塊將STM32單片機(jī)處理后的液位數(shù)據(jù)、電池電壓、故障碼數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)顯示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

系統(tǒng)選用的控制器型號為STM32F103C8T6微處理器。STM32F103C8T6是基于ARM 的32位Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)，工作頻率最高達(dá)72 MHz，內(nèi)置64 KB程序存儲器，3個通用16位定時器，具有豐富的I/O接口以及串行通信接口，工作電壓范圍為2.0～3.6 V，具有功耗低、速度快、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足系統(tǒng)低功耗應(yīng)用的要求。STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包括時鐘源電路、復(fù)位電路、供電濾波電路。

2.2 MOS關(guān)斷電路

MOS關(guān)斷電路的主要作用是控制電路的啟停，如在正常工作模式下，即液位低于窨井1/2以下，此時系統(tǒng)的采集傳輸頻率較小，STM32單片機(jī)可輸出控制信號通過MOS關(guān)斷電路使系統(tǒng)中的耗能模塊（如模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊、GPRS DTU模塊等），降低系統(tǒng)能耗。MOS關(guān)斷電路如圖3所示，其控制信號由STM32單片機(jī)的PA7引腳（MOS-GPIO2）輸出。

圖3 MOS關(guān)斷電路

當(dāng)MOS-GPIO2輸出高電平時，AOD4184 MOS管和AOD4185 MOS管均為導(dǎo)通狀態(tài)，IN+引腳的12 V電壓通過V-out引腳輸出，模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊和GPRS DTU開啟；當(dāng)MOS-GPIO2輸出低電平時，AOD4184 MOS管與AOD4185 MOS管均截止，V-out引腳無輸出，模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊和GPRS DTU的供電被切斷，停止工作。

3 軟件設(shè)計

3.1 工作模式設(shè)計

為了應(yīng)對暴雨、排水突增等導(dǎo)致液位上漲過快的情況，使數(shù)據(jù)采集更靈活、數(shù)據(jù)反饋更及時，系統(tǒng)設(shè)置了3種工作模式，分為正常工作模式、黃色預(yù)警模式、紅色預(yù)警模式，這3種工作模式的系統(tǒng)喚醒時間即采集時間分別為6 h、5 min、1 min。由液位值與外部浮球是否動作決定系統(tǒng)是否進(jìn)行模式切換，通過高優(yōu)先級中斷進(jìn)行處理。

3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計

主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化，SysTick系統(tǒng)嘀嗒時鐘、RTC實(shí)時時鐘、GPIO端口配置、串口初始化、MOS控制信號端口輸出高電平，使RS 485收發(fā)電路、GPRS DTU模塊、模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊開啟，默認(rèn)采集周期為6 h，即默認(rèn)開機(jī)為正常工作模式，采集時間未到則系統(tǒng)等待上位機(jī)發(fā)送查詢報文，系統(tǒng)處于待機(jī)模式，待到達(dá)采集時刻后喚醒。6 h內(nèi)若無中斷產(chǎn)生，則系統(tǒng)開啟正常采集模式，上位機(jī)通過串口3發(fā)送查詢報文，系統(tǒng)進(jìn)行液位計電流、電壓信號的采集，通過模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊轉(zhuǎn)換信號后送入STM32單片機(jī)處理并存儲，若電流小于4 mA，說明液位計出現(xiàn)故障，產(chǎn)生報文，對應(yīng)位輸出故障碼00 01；反之，液位計工作正常，此時產(chǎn)生的報文為00 00。由于中斷信號是由外部浮球開關(guān)是否動作產(chǎn)生，無中斷產(chǎn)生說明液位未達(dá)到外部浮球開關(guān)所在預(yù)警位置，系統(tǒng)在2個浮球預(yù)警對應(yīng)位輸出報文00 00。此時，系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)報文中的寄存器數(shù)據(jù)，包括電流值、電壓值、浮球2指示、浮球1指示、液位計指示，通過串口2連接GPRS DTU模塊發(fā)送至上位機(jī)。一個采集周期的數(shù)據(jù)采集發(fā)送完成后，STM32單片機(jī)對應(yīng)MOS控制端口復(fù)位，輸出低電平，MOS關(guān)斷電路控制相應(yīng)RS 485收發(fā)電路、GPRS DTU模塊、模擬量轉(zhuǎn)RS 485采集模塊停止工作，減少能耗。系統(tǒng)進(jìn)入停機(jī)模式，等待下一個采集周期喚醒或外部浮球開關(guān)中斷喚醒。

圖4 主程序流程

3.3 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計

系統(tǒng)默認(rèn)為正常采集模式，即每6小時采集、發(fā)送數(shù)據(jù)一次，此時液位應(yīng)處于窨井1/2以下。當(dāng)液位繼續(xù)上漲超過1/2黃色預(yù)警位置或2/3紅色預(yù)警位置時，浮球開關(guān)動作，產(chǎn)生開關(guān)信號，上升沿觸發(fā)，使系統(tǒng)進(jìn)入中斷。系統(tǒng)中斷程序如圖5所示。系統(tǒng)進(jìn)入中斷響應(yīng)后，清除此中斷的標(biāo)志位，執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位操作，重新初始化各配置，并保存系統(tǒng)參數(shù)。判斷中斷來源，若中斷由外部中斷線EXTI_Line6產(chǎn)生，則為PA6引腳所連的浮球開關(guān)動作，說明液位超過1/2位置，進(jìn)入黃色預(yù)警模式，對應(yīng)位輸出浮球信號報文，設(shè)置RTC鬧鐘喚醒時間（采集時間為5 min），保存參數(shù)，轉(zhuǎn)入初始化后的主程序，以間隔5 min進(jìn)行周期性采集；若由外部中斷線EXTI_Line7產(chǎn)生，則為PA7引腳所連的浮球開關(guān)動作，說明液位超過2/3位置，進(jìn)入紅色預(yù)警模式，對應(yīng)位輸出浮球信號報文，設(shè)置RTC鬧鐘喚醒時間（采集時間為1 min），保存參數(shù)，轉(zhuǎn)入初始化后的主程序，以間隔1 min進(jìn)行周期性采集。

圖5 中斷程序流程

4 系統(tǒng)測試及分析

系統(tǒng)的測試分為2類，即有液位計接入和無液位計接入，其中每類測試包含5組隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)包含1個完整的喚醒周期，即系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集階段、數(shù)據(jù)傳輸階段和休眠階段，通過分析系統(tǒng)在每個階段的工作時間和電流消耗，進(jìn)而分析系統(tǒng)的整體功耗。

4.1 實(shí)驗(yàn)測試

（1）有液位計接入

將液位計接入系統(tǒng)，測得系統(tǒng)在正常工作模式下電流消耗情況如圖6所示。

圖6 有液位計接入時的電流消耗波形

系統(tǒng)初始化，執(zhí)行STM32處理器的初始化以及GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)功能，如圖6位置1所示，聯(lián)網(wǎng)脈沖導(dǎo)致電流尖峰出現(xiàn)，此階段平均時間為26 s，電流平均值為64.1 mA。

數(shù)據(jù)采集階段，執(zhí)行液位計數(shù)據(jù)采集功能，包括液位值、浮球信號和電池電壓值，如圖6位置2所示，此階段平均時間為27 s，電流平均值為44.4 mA。

數(shù)據(jù)傳輸階段，執(zhí)行GPRS模塊數(shù)據(jù)傳輸以及參數(shù)配置更新操作，如圖6位置3所示。GPRS模塊向云端發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生電流值尖峰，峰值平均值為106.3 mA，平均時間為2 s，之后電流下降，系統(tǒng)進(jìn)入等待云端指令狀態(tài)，進(jìn)行參數(shù)配置更新，此狀態(tài)只在正常工作模式下出現(xiàn)。正常工作模式下傳輸階段平均時間為38 s，電流平均值為49.8 mA。

休眠階段，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)后，通過MOS電路關(guān)斷耗能模塊，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，如圖6位置4所示，電流平均值為 180.0 μA。

每組實(shí)驗(yàn)中各工作階段的平均時間、電流峰值和電流平均值數(shù)據(jù)見表1、表2所列。

表1 不同階段平均工作時間 s

表2 不同階段電流值

（2）無液位計接入

斷開液位計與系統(tǒng)的連接，測得系統(tǒng)在正常工作模式下電流消耗情況如圖7所示。從圖中可看出，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集階段時間變長，平均采集時間為90 s，約為有液位計接入時的3倍，這是因?yàn)橄到y(tǒng)采用的液位計初始化時間約為30 s，若系統(tǒng)在連續(xù)3個周期都未收到液位計的響應(yīng)，則系統(tǒng)輸出故障碼。此測試驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠正確處理液位計發(fā)生故障并上報的情況。

圖7 無液位計接入時的電流消耗波形

4.2 功耗分析

記一次喚醒周期內(nèi)每個工作階段的平均時間分別為t1，t2，t3，t4，電流平均值分別為I1，I2，I3，I4。

正常工作模式下，系統(tǒng)喚醒間隔為6 h，其中系統(tǒng)初始化階段t1為26 s，I1為64.1 mA；數(shù)據(jù)采集階段t2為27 s，I2為44.4 mA；數(shù)據(jù)傳輸階段t3為38 s，I3為49.8 mA；其余時間為休眠狀態(tài)，t4為6 h，I4為180.0 μA。

正常工作模式下喚醒一次消耗的電能qn：

黃色預(yù)警模式下，系統(tǒng)喚醒間隔為5 min，前2個階段與正常工作模式一致，數(shù)據(jù)傳輸階段t3為2 s，I3為106.3 mA，此模式下休眠階段t4為[5×60-(t1+t2+t3)] s，接近4 min，I4為180.0 μA。計算得到黃色預(yù)警工作模式下喚醒一次消耗的電能qy：

紅色預(yù)警模式下，系統(tǒng)喚醒間隔為1 min，前3個階段與黃色預(yù)警模式一致，此模式下系統(tǒng)休眠時間接近0。計算得到紅色預(yù)警模式下喚醒一次消耗的電能qr：

假設(shè)一年中累計正常工作模式下的工作時間為350天，黃色預(yù)警模式下為10天，紅色預(yù)警模式下為5天，則系統(tǒng)在一年內(nèi)消耗的電能Q為：

代入數(shù)據(jù)計算：

5 結(jié) 語

本文以窨井液位為研究對象，設(shè)計了一種基于STM32的低功耗窨井液位采集與傳輸系統(tǒng)，通過使用雷達(dá)液位計采集液位值，并通過GPRS模塊將液位值、電池電壓、故障碼上傳到接收端或云端，使用MOS電路控制其他耗能電路的啟停，同時為了能夠靈活應(yīng)對液位突增情況，選擇使用浮球開關(guān)作為預(yù)警信號，改變采樣周期，使系統(tǒng)能夠在正常工作模式、黃色預(yù)警、紅色預(yù)警模式下切換。通過兩類隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，證明了系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并對電流的消耗情況進(jìn)行分析，得到不同工作階段消耗的電能，估算出在假設(shè)情況下，一年的耗能為12.01 A·h，滿足系統(tǒng)低功耗的要求。后續(xù)準(zhǔn)備在系統(tǒng)中加入趨勢預(yù)測算法，使系統(tǒng)能夠提前預(yù)測液位的增長趨勢，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。