自報式低功耗水文遙測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)(圖)

作者：桂林電子科技大學信息與通信學院 謝君 趙利

本文介紹了一種新型自報式低功耗水文遙測系統(tǒng)的設計方法與實現(xiàn)方案，在分析了自報式低功耗水文遙測系統(tǒng)的工作原理、主要特點和基本功能的基礎上，介紹了基于PIC16F877單片機的水文遙測終端機的設計與實現(xiàn)方案，包括工作體制、傳感器選擇和通信協(xié)議的設計，以及硬件電路設計與實現(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)度的基礎信息，及時、準確地采集、傳輸，處理江河、水庫、水電廠及城市的雨情、水情信息，建成防汛指揮及水調(diào)自動化系統(tǒng)，可保證預報決策、防汛安全、合理使用水資源，最終達到防汛減災、合理調(diào)度、經(jīng)濟運行、興利增效的目的。
自報式水文遙測系統(tǒng)能在無人值守情況下，自動收集雨量、水位和其他水文參數(shù)的實時數(shù)據(jù)并自動報送所采集的數(shù)據(jù)，得到廣泛應用。傳統(tǒng)水文遙測終端多采用MC-51單片機做為控制芯片，集成度低，設計較為煩瑣，外圍電路較復雜。PIC單片機是MICROCHIP公司近年來推出的新型單片機系列，本文以PIC16F877單片機作為數(shù)據(jù)采集終端機核心控制芯片，設計一種新型的水文遙測系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、指令集精簡、抗干擾性好、可靠性高、擴展性強等特性，用PIC單片機設計水文遙測系統(tǒng)終端機較傳統(tǒng)51單片機的設計更加靈活，外圍電路更精簡。

水文自動測報系統(tǒng)的基本組成
系統(tǒng)由終端機（遙測站）、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


終端機通過傳感器自動實時地進行水位及雨量數(shù)據(jù)的采集，并通過無線電臺向中心站發(fā)送數(shù)據(jù)，通常用超短波頻段，功率5～25W，當通信距離超過50km，或有高山阻擋時，可設置中繼站，進行再生轉(zhuǎn)發(fā)，中心站接收數(shù)據(jù)后可進行數(shù)據(jù)分析及處理。


水文自動測報系統(tǒng)的系統(tǒng)總體功能
數(shù)據(jù)接收、處理：實時接收遙測站的雨情、水情等信息；自動檢查數(shù)據(jù)幀格式，并進行合理性判斷；加注時標，自動存儲。


應答、查詢：定時或人工查詢下屬站點的雨情、水情等信息及其工作狀態(tài)。


數(shù)據(jù)庫管理：包含原始數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、預報或成果數(shù)據(jù)庫的形成、檢索、查詢等。


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


洪水預報及優(yōu)化調(diào)度：包括洪水預報參數(shù)初始化、參數(shù) 設置/修改、定時預報、脫機估報、水庫優(yōu)化調(diào)度，成果存儲、輸出。


連網(wǎng)通信：可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可實現(xiàn)多計算機串行通信，通過電話線可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。


狀態(tài)告警：根據(jù)設定的告警雨量、水位值，可實現(xiàn)自動聲光告警，并可通過電話線實現(xiàn)電話語言報警。

水文遙測終端機設計
1 工作方式選擇
目前，水文遙測系統(tǒng)有三種工作方式：（1）自報式：每當被測的水文參數(shù)發(fā)生一個單位變化時，遙測站自動采集發(fā)送一次數(shù)據(jù)；（2）應答式：中心站自動定時或隨機呼叫遙測站，查詢其水文數(shù)據(jù)；（3）兼容式：既具有自報功能，又具有應答功能，在水文數(shù)據(jù)無變化、中心站未發(fā)送查詢請求時系統(tǒng)返回低功耗狀態(tài)?？紤]到用戶需求、系統(tǒng)工作環(huán)境和特點，以及對低功耗和高可靠性的要求，本系統(tǒng)選擇采用自報式工作方式。


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


3 通信協(xié)議設計
通信速率為300b/s。FSK副載波頻率符合CCITTV21或V23標準。異步通信幀格式：1位起始位，8位信息位，1位奇校驗位，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，其中水位可為十進制或二進制，而雨量為二進制表示。


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



圖2 RTX與TXD的時序圖


4 硬件電路設計與實現(xiàn)
終端機采用PIC16F877作為核心芯片，具有以下優(yōu)勢：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時典型值小于20μA，典型穩(wěn)態(tài)電流值小于1μA，UART可擴展RS-485、發(fā)送數(shù)據(jù)以及編程擴展，I2C接口可作編程擴展，EEPROM可作數(shù)據(jù)資料寄存器，ADC可作欠壓檢測、掉電檢測以及外部模擬量輸入擴展，并有監(jiān)控定時器WDT避免系統(tǒng)死機，芯片集成度高，整個板子只須另加RS-485驅(qū)動和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計電壓轉(zhuǎn)換電路?？紤]到FM發(fā)射機需要+12V供電，且降壓電路易于實現(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來實現(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，非常良好的負載及線路調(diào)節(jié)特性，適合做低功率電壓源。


該設計留有壓力式水位計擴展接口，可用于今后有擴展需求時進行使用。通過DIP編程開關可設置該機是否清零,定時發(fā)送水位還是雨量以及終端機站址的設置。為了方便維護,在設計中增加了強發(fā)功能,按動[send]鍵后,則終端機進入發(fā)送狀態(tài)。此時發(fā)送過程與定時發(fā)送一樣。硬件電路圖如圖3所示。



圖3 終端機電路圖


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


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



圖4 主程序流程圖


中斷服務主要有雨量計數(shù)、水位數(shù)據(jù)采集、定時發(fā)送進程。定時從水位計上將水位數(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)寫入帶有保護的數(shù)據(jù)存儲區(qū)并發(fā)送。同樣，當雨量信號到來時，雨量數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)存儲區(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)
中心站由實時監(jiān)控服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、通信設備、電源系統(tǒng)、防雷設施、軟件系統(tǒng)等組成，含中心軟件及洪水預報軟件，能夠集中遙測系統(tǒng)內(nèi)各終端機的水文數(shù)據(jù)。



圖6 中心站拓撲結(jié)構(gòu)示意圖


中心站主要完成以下功能：
● 實時顯示水文信息。
● 實現(xiàn)各水文站、遙測站的雨量、水位信息的接收和存儲。
● 實現(xiàn)水文水資源信息省中心或防汛部門、自動測報系統(tǒng)中心的自動傳輸。
● 提供實時水情分析及水情預警服務。
● 對站點任意時間的水位、雨量、日雨量和累計雨量信息的查詢。
● 對所形成各種水文要素資料整編成表。

結(jié)論
本設計和研究主要目的是為了進一步優(yōu)化水文遙測系統(tǒng)的性能，通過使用這種新型芯片設計，降低遙測終端機功耗，實現(xiàn)終端機外圍電路最簡化，并留出了軟件更新以及附加硬件設備的擴展接口，進一步提高了自報式水文系統(tǒng)的性能。實驗結(jié)果表明，設計方案可行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達到了預期目標。