自報(bào)式低功耗水文遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖)

作者：桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 謝君 趙利

本文介紹了一種新型自報(bào)式低功耗水文遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)方案，在分析了自報(bào)式低功耗水文遙測(cè)系統(tǒng)的工作原理、主要特點(diǎn)和基本功能的基礎(chǔ)上，介紹了基于PIC16F877單片機(jī)的水文遙測(cè)終端機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，包括工作體制、傳感器選擇和通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，以及硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和軟件結(jié)構(gòu)與程序流程。
雨情、水情信息是防汛決策及水利調(diào)度的基礎(chǔ)信息，及時(shí)、準(zhǔn)確地采集、傳輸，處理江河、水庫(kù)、水電廠及城市的雨情、水情信息，建成防汛指揮及水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)，可保證預(yù)報(bào)決策、防汛安全、合理使用水資源，最終達(dá)到防汛減災(zāi)、合理調(diào)度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、興利增效的目的。
自報(bào)式水文遙測(cè)系統(tǒng)能在無(wú)人值守情況下，自動(dòng)收集雨量、水位和其他水文參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并自動(dòng)報(bào)送所采集的數(shù)據(jù)，得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)水文遙測(cè)終端多采用MC-51單片機(jī)做為控制芯片，集成度低，設(shè)計(jì)較為煩瑣，外圍電路較復(fù)雜。PIC單片機(jī)是MICROCHIP公司近年來(lái)推出的新型單片機(jī)系列，本文以PIC16F877單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端機(jī)核心控制芯片，設(shè)計(jì)一種新型的水文遙測(cè)系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、指令集精簡(jiǎn)、抗干擾性好、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特性，用PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)水文遙測(cè)系統(tǒng)終端機(jī)較傳統(tǒng)51單片機(jī)的設(shè)計(jì)更加靈活，外圍電路更精簡(jiǎn)。

水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基本組成
系統(tǒng)由終端機(jī)（遙測(cè)站）、中繼站（信息傳輸通道）以及中心站三部分組成。組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)組成示意圖


終端機(jī)通過(guò)傳感器自動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行水位及雨量數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)無(wú)線電臺(tái)向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，通常用超短波頻段，功率5～25W，當(dāng)通信距離超過(guò)50km，或有高山阻擋時(shí)，可設(shè)置中繼站，進(jìn)行再生轉(zhuǎn)發(fā)，中心站接收數(shù)據(jù)后可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。


水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的系統(tǒng)總體功能
數(shù)據(jù)接收、處理：實(shí)時(shí)接收遙測(cè)站的雨情、水情等信息；自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)幀格式，并進(jìn)行合理性判斷；加注時(shí)標(biāo)，自動(dòng)存儲(chǔ)。


應(yīng)答、查詢(xún)：定時(shí)或人工查詢(xún)下屬站點(diǎn)的雨情、水情等信息及其工作狀態(tài)。


數(shù)據(jù)庫(kù)管理：包含原始數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)報(bào)或成果數(shù)據(jù)庫(kù)的形成、檢索、查詢(xún)等。


數(shù)據(jù)輸出：可通過(guò)顯示器（包括大屏幕顯示）、打印機(jī)、繪圖儀等輸出雨量直方圖、水位、流量過(guò)程線等、雨量線圖等。


洪水預(yù)報(bào)及優(yōu)化調(diào)度：包括洪水預(yù)報(bào)參數(shù)初始化、參數(shù) 設(shè)置/修改、定時(shí)預(yù)報(bào)、脫機(jī)估報(bào)、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度，成果存儲(chǔ)、輸出。


連網(wǎng)通信：可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可實(shí)現(xiàn)多計(jì)算機(jī)串行通信，通過(guò)電話線可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。


狀態(tài)告警：根據(jù)設(shè)定的告警雨量、水位值，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聲光告警，并可通過(guò)電話線實(shí)現(xiàn)電話語(yǔ)言報(bào)警。

水文遙測(cè)終端機(jī)設(shè)計(jì)
1 工作方式選擇
目前，水文遙測(cè)系統(tǒng)有三種工作方式：（1）自報(bào)式：每當(dāng)被測(cè)的水文參數(shù)發(fā)生一個(gè)單位變化時(shí)，遙測(cè)站自動(dòng)采集發(fā)送一次數(shù)據(jù)；（2）應(yīng)答式：中心站自動(dòng)定時(shí)或隨機(jī)呼叫遙測(cè)站，查詢(xún)其水文數(shù)據(jù)；（3）兼容式：既具有自報(bào)功能，又具有應(yīng)答功能，在水文數(shù)據(jù)無(wú)變化、中心站未發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求時(shí)系統(tǒng)返回低功耗狀態(tài)。考慮到用戶(hù)需求、系統(tǒng)工作環(huán)境和特點(diǎn)，以及對(duì)低功耗和高可靠性的要求，本系統(tǒng)選擇采用自報(bào)式工作方式。


2 傳感器以及性能要求
雨量、水位和電壓信息分別通過(guò)各自的傳感器接到微控制器的I/O口，微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。雨量傳感器采用翻斗式雨量計(jì)，分辨率為1mm；水位傳感器采用浮子式水位計(jì)，分辨率為1cm。


3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
通信速率為300b/s。FSK副載波頻率符合CCITTV21或V23標(biāo)準(zhǔn)。異步通信幀格式：1位起始位，8位信息位，1位奇校驗(yàn)位，1位停止位。


數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。其中，幀同步（起始）字節(jié)為02H，幀結(jié)束字節(jié)為03H；校驗(yàn)字節(jié)（8比特）是站址字節(jié)、幀特征字節(jié)、數(shù)據(jù)高位字節(jié)、數(shù)據(jù)低位字節(jié)的模2加；站址字采用十進(jìn)制壓縮BCD編碼方式；幀特征字定義如表2所示。數(shù)據(jù)字段采用兩字節(jié)長(zhǎng)度，分為數(shù)據(jù)低位和高位。編碼方式由特征位定義，其中水位可為十進(jìn)制或二進(jìn)制，而雨量為二進(jìn)制表示。


編碼規(guī)則采用重復(fù)編碼，方法是每次重發(fā)三幀，接受端大數(shù)判決。發(fā)送控制及時(shí)序如圖2所示。



圖2 RTX與TXD的時(shí)序圖


4 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
終端機(jī)采用PIC16F877作為核心芯片，具有以下優(yōu)勢(shì)：芯片集成了大量的外圍部件,是低工作電壓、超低功耗、高性能的微控制器，在@32kHz">3V@32kHz時(shí)典型值小于20μA，典型穩(wěn)態(tài)電流值小于1μA，UART可擴(kuò)展RS-485、發(fā)送數(shù)據(jù)以及編程擴(kuò)展，I2C接口可作編程擴(kuò)展，EEPROM可作數(shù)據(jù)資料寄存器，ADC可作欠壓檢測(cè)、掉電檢測(cè)以及外部模擬量輸入擴(kuò)展，并有監(jiān)控定時(shí)器WDT避免系統(tǒng)死機(jī)，芯片集成度高，整個(gè)板子只須另加RS-485驅(qū)動(dòng)和DC/DC變換器芯片即可。


由于模塊中既有+12V供電的模塊又有+3.3V供電的模塊，因此必須在電路中設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路。考慮到FM發(fā)射機(jī)需要+12V供電，且降壓電路易于實(shí)現(xiàn)，所以+12V部分采用直接供電，而+3.3V部分采用降壓后的電源供電的供電方案。在DC/DC變換芯片的選擇上，選用比較常用的LP2950來(lái)實(shí)現(xiàn)+12V～+3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗電壓調(diào)節(jié)器，非常適用于一些電池供電系統(tǒng)，其具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性，非常良好的負(fù)載及線路調(diào)節(jié)特性，適合做低功率電壓源。


該設(shè)計(jì)留有壓力式水位計(jì)擴(kuò)展接口，可用于今后有擴(kuò)展需求時(shí)進(jìn)行使用。通過(guò)DIP編程開(kāi)關(guān)可設(shè)置該機(jī)是否清零,定時(shí)發(fā)送水位還是雨量以及終端機(jī)站址的設(shè)置。為了方便維護(hù),在設(shè)計(jì)中增加了強(qiáng)發(fā)功能,按動(dòng)[send]鍵后,則終端機(jī)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。此時(shí)發(fā)送過(guò)程與定時(shí)發(fā)送一樣。硬件電路圖如圖3所示。



圖3 終端機(jī)電路圖


5 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
整個(gè)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷程序，包括基本的CPU時(shí)鐘和外圍模塊的初始化，以及各功能模塊的實(shí)現(xiàn)，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等。


主程序執(zhí)行對(duì)定時(shí)器、串行通信等的初始化，系統(tǒng)的升級(jí)，收集、整理、發(fā)送數(shù)據(jù)等進(jìn)程，最后進(jìn)入省電模式，以中斷服務(wù)喚醒CPU，主程序流程圖如圖4所示。



圖4 主程序流程圖


中斷服務(wù)主要有雨量計(jì)數(shù)、水位數(shù)據(jù)采集、定時(shí)發(fā)送進(jìn)程。定時(shí)從水位計(jì)上將水位數(shù)據(jù)讀入,并加以分析,依分析結(jié)果確定是否把所讀入的水位數(shù)據(jù)寫(xiě)入帶有保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)并發(fā)送。同樣，當(dāng)雨量信號(hào)到來(lái)時(shí)，雨量數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中并發(fā)送。中斷程序流程圖如圖5所示。



圖5 中斷程序流程圖

中心站的功能與結(jié)構(gòu)
中心站由實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、防雷設(shè)施、軟件系統(tǒng)等組成，含中心軟件及洪水預(yù)報(bào)軟件，能夠集中遙測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各終端機(jī)的水文數(shù)據(jù)。



圖6 中心站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖


中心站主要完成以下功能：
● 實(shí)時(shí)顯示水文信息。
● 實(shí)現(xiàn)各水文站、遙測(cè)站的雨量、水位信息的接收和存儲(chǔ)。
● 實(shí)現(xiàn)水文水資源信息省中心或防汛部門(mén)、自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心的自動(dòng)傳輸。
● 提供實(shí)時(shí)水情分析及水情預(yù)警服務(wù)。
● 對(duì)站點(diǎn)任意時(shí)間的水位、雨量、日雨量和累計(jì)雨量信息的查詢(xún)。
● 對(duì)所形成各種水文要素資料整編成表。

結(jié)論
本設(shè)計(jì)和研究主要目的是為了進(jìn)一步優(yōu)化水文遙測(cè)系統(tǒng)的性能，通過(guò)使用這種新型芯片設(shè)計(jì)，降低遙測(cè)終端機(jī)功耗，實(shí)現(xiàn)終端機(jī)外圍電路最簡(jiǎn)化，并留出了軟件更新以及附加硬件設(shè)備的擴(kuò)展接口，進(jìn)一步提高了自報(bào)式水文系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方案可行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。