一種新型水情遙測終端的設計

摘要：設計了一種新型的水情遙測終端，該終端能夠實時采集雨量、水位、流量、溫度等多種水情數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)可以進行顯示。同時能通過CDMA網絡或者備用的超短波網絡及時將數(shù)據(jù)上傳給中心站，使得數(shù)據(jù)通信不中斷。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足水情遙測的功能和性能等技術要求，具有良好的應用前景。
關鍵詞：遙測終端；ATMEGA1280；MC703；CMX868；雙重通信

為了適應防汛和水利調度的現(xiàn)代化、信息化要求，往往需要采集多個水情數(shù)據(jù)，采集的內容包括水位、雨量等參數(shù)，遙測終RTU(Remote Terminal Unit)主要能完成對水情數(shù)據(jù)的自動采集與存儲。在中心站任何時候需要查看數(shù)據(jù)時，遙測終端利用CDMA網絡或者備用的超短波網絡雙重通信網絡都能及時地上傳數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)通信的中斷，準確快速的獲取所需要的數(shù)據(jù)。中心站接收到各遙測站數(shù)據(jù)并進行分析處理后，為水利部門提供及時準確的水情信息，提高防汛和水利調度的效率。RTU通常用于監(jiān)測控制有限距離或遠方的設備，已經成為控制工業(yè)SCADA(Supervisory Control andData Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)中的重要設備。

1 遙測終端的總體設計
遙測終端總體設計的目標是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲，以及與中心站進行通信。如圖1所示，遙測終端的硬件核心微控制器采用嵌入式微處理器Atmega12800 HMI模塊是人機接口模塊，采用段式微功耗液晶顯示器，帶鍵盤控制，實時顯示標準時間和交替顯示各種參數(shù)，以便能夠及時了解情況。通信模塊包含兩個網絡，一個是選用MC703無線模塊接入CDMA網絡，另外一個是選用調制解調器CMX868和電臺ND886A構建超短波網絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。固態(tài)存儲模塊是系統(tǒng)外接的鐵電存儲器FRAM和大容量SD存儲卡，用來作為片外存儲器保存海量的水情數(shù)據(jù)信息。翻斗雨量計和并口水位計與微控制器直接相連，負責采集雨量和水位信息。RS485接口的主要功能是可以進一步擴展傳感器，采集更多的水情數(shù)據(jù)，并傳送給微控制器，以便微控制器對數(shù)據(jù)做進一步的處理。

相連接，IQRN信號與微控制器外部中斷輸入引腳相連，這里選用了INT2引腳，從而實現(xiàn)與CMX868A的數(shù)據(jù)通信。
在CMX868A與電臺ND886A的線路連接中，我們將CMX868A的輸出腳TXA、輸入腳RXA分別與電臺的輸入腳TFSK、輸出腳RFSK相連接。電臺ND886A的／EXT PTT引腳與微控制器Atmega1280的PA0輸入輸出口相連。當PAO輸出低電平信號到／EXT PTT引腳時，使該引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，即可打開發(fā)射機發(fā)送數(shù)據(jù)；當該引腳為高阻狀態(tài)時，電臺可接受數(shù)據(jù)。這樣，微控制器將要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給CMX868A，然后由Modem調制以后，再經電臺發(fā)送出去。電臺接受中心站發(fā)送過來的信號，經過處理以后傳送給Modem，信號解調后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給微控制器，做進一步的處理。因此，通過使用CMX868A的調制解調和電臺ND886A收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，我們就實現(xiàn)了超短波網絡的數(shù)據(jù)通信。微控制器、CMX868A與ND886A連接示意圖如圖3所示。

在與CMX868A數(shù)據(jù)通信中，需要訪問和設置CMX868A的一些寄存器。這些寄存器包括了復位命令寄存器、控制寄存器、發(fā)送模式寄存器、接受模式寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、接受數(shù)據(jù)寄存器和狀態(tài)寄存器。
復位命令寄存器的作用是讓CMX868A復位，使其進入省電模式，降低功耗?？刂萍拇嫫鞯淖饔檬鞘笴MX868A進入正常工作模式，打開中斷和選擇外部晶振頻率等。發(fā)送和接受模式寄存器的功能是明確發(fā)送和接受信號的類型，信號的類型有QAM、DPSK、FSK調制信號，還有DTMF雙音多頻信號。發(fā)送和接受數(shù)據(jù)寄存器是數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，主要是存放將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和已經接受的數(shù)據(jù)。另外，通過訪問狀態(tài)寄存器，可以獲知CMX868A當前的工作狀態(tài)。
在CMX868A進行數(shù)據(jù)的調制解調時，采用了頻率鍵控FSK的調制解調方式。產生頻率為980 Hz的信號波形代表數(shù)字信號中的高電平，即數(shù)字“1”；產生頻率為1180 Hz的信號波形代表數(shù)字信號中的低電平，即數(shù)字“0”，這樣就較容易地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的調制解調。
2．3 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊由雨量、水位傳感器組成，將采集的數(shù)據(jù)上傳到微控制器，微控制器對數(shù)據(jù)進行處理、存儲和發(fā)送。
雨量傳感器使用的是翻斗雨量計，采用單路采集方式。當降雨量達到翻斗雨量計觸發(fā)值時，雨量計的兩個輸入信號產生反轉，從而引發(fā)外部中斷，喚醒處于休眠模式的微控制器，微控制器轉入正常工作狀態(tài)，執(zhí)行雨量中斷程序，將對檢測到的雨量信號進行累加和保存。
水位的采集是使用12路并行線直接與微控制器的I／O口相連，水位采用查詢方式，定時讀取數(shù)據(jù)。
2．4 固態(tài)存儲模塊設計
固態(tài)存儲模塊由鐵電存儲器FRAM和大容量存儲SD卡組成。鐵電存儲器FRAM可以作為數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，微控制器將采集的數(shù)據(jù)可以先暫存到鐵電存儲器FRAM中，然后最終將數(shù)據(jù)存放在存儲卡中，實現(xiàn)大容量的存儲。FRAM、SD卡都是用SPI總線與Atmega1280連接的，可以方便快速地進行數(shù)據(jù)通信。

3 遙測終端軟件設計
遙測終端軟件設計的目標是實現(xiàn)在無人值守的情況下，有效地采集水位、雨量等水情信息，并做相應處理和存儲，最后及時上傳到中心站。
3．1 軟件主程序設計
主程序是終端系統(tǒng)軟件的核心部分，對系統(tǒng)進行總體的控制。主程序首先要進行系統(tǒng)參數(shù)的初始化工作，在沒有任務需要執(zhí)行時，系統(tǒng)休眠以降低功耗、節(jié)省電量。當觸發(fā)中斷時，系統(tǒng)被喚醒恢復到正常工作狀態(tài)，進入中斷服務程序，處理完任務后，再次將系統(tǒng)設置成休眠狀態(tài)。
系統(tǒng)的軟件總體結構如圖4所示。

系統(tǒng)被喚醒后，進入中斷服務程序，執(zhí)行的中斷程序包括Modem中斷程序，秒中斷程序，定時中斷程序，按鍵中斷程序和雨量、水位中斷程序等。
3．2 雙重數(shù)據(jù)通信程序設計
在雙重數(shù)據(jù)通信程序設計中，首先要對無線模塊MC703進行復位檢測，初始化參數(shù)，然后檢測網絡信號質量，進行無線連接。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，模塊選擇休眠，降低功耗。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，喚醒MC703模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當檢測到網絡信號質量不好時，或者無線連接不上時，選用調制解調器CMX868A芯片，啟動備用電臺，及時向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信程序設計如圖5所示。

模塊初始化的工作中，通過串口發(fā)送AT命令設置串口的波特率，查看模塊的型號，軟件的版本號，設置功能模式，將調試的錯誤上報，以及查看系統(tǒng)的信息和模式。初始化的主要命令流程如下：


模塊的無線連接使用AT命令進行PPP撥號上網，使用外置的協(xié)議棧，通過TCP／IP方式發(fā)送數(shù)據(jù)，／需要的主要AT命令流程如下：


4 結束語
設計的遙測終端RTU主要能完成對水情數(shù)據(jù)的自動采集與存儲，顯示數(shù)據(jù)和終端的工作狀態(tài)，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。在數(shù)據(jù)傳輸中終端采用了CDMA網絡和超短波網絡雙重通信方式，正常工作情況是使用CDMA網絡進行數(shù)據(jù)傳送。當在CDMA網絡無法覆蓋到的偏遠地區(qū)時，或者CDMA公用網絡需要維護，不能使用時，都可以使用備用的超短波網絡及時將數(shù)據(jù)上傳給中心站，實現(xiàn)不間斷的通信。這樣，水利管理部門能夠及時得到準確的水情信息，有效地采取措施防洪防汛，提高水利調度的效率，滿足了水利信息化的要求。