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(shí)時(shí)采集雨量、水位、流量、溫度等多種水情數據，對采集到的數據可以進(jìn)行顯示。同時(shí)能通過(guò)CDMA網(wǎng)絡(luò )或者備用的超短波網(wǎng)絡(luò )及時(shí)將數據上傳給中心站，使得數據通信不中斷。該系統工作穩定可靠，滿(mǎn)足水情遙測的功能和性能等技術(shù)要求，具有良好的應用前景。
關(guān)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代化、信息化要求，往往需要采集多個(gè)水情數據，采集的內容包括水位、雨量等參數，遙測終RTU(Remote Terminal Unit)主要能完成對水情數據的自動(dòng)采集與存儲。在中心站任何時(shí)候需要查看數據時(shí)，遙測終端利用CDMA網(wǎng)絡(luò )或者備用的超短波網(wǎng)絡(luò )雙重通信網(wǎng)絡(luò )都能及時(shí)地上傳數據，避免了數據通信的中斷，準確快速的獲取所需要的數據。中心站接收到各遙測站數據并進(jìn)行分析處理后，為水利部門(mén)提供及時(shí)準確的水情信息，提高防汛和水利調度的效率。RTU通常用于監測控制有限距離或遠方的設備，已經(jīng)成為控制工業(yè)SCADA(Supervisory Control andData Acquisition，數據采集與監視控制)系統中的重要設備。

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(shí)現數據的采集存儲，以及與中心站進(jìn)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(pán)控制，實(shí)時(shí)顯示標準時(shí)間和交替顯示各種參數，以便能夠及時(shí)了解情況。通信模塊包含兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)是選用MC703無(wú)線(xiàn)模塊接入CDMA網(wǎng)絡(luò )，另外一個(gè)是選用調制解調器CMX868和電臺ND886A構建超短波網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現數據的通信。固態(tài)存儲模塊是系統外接的鐵電存儲器FRAM和大容量SD存儲卡，用來(lái)作為片外存儲器保存海量的水情數據信息。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(jìn)一步擴展傳感器，采集更多的水情數據，并傳送給微控制器，以便微控制器對數據做進(jìn)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(shí)現與CMX868A的數據通信。
在CMX868A與電臺ND886A的線(xiàn)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(shí)，使該引腳變?yōu)榈碗娖綘顟B(tài)，即可打開(kāi)發(fā)射機發(fā)送數據；當該引腳為高阻狀態(tài)時(shí)，電臺可接受數據。這樣，微控制器將要發(fā)送的數據傳送給CMX868A，然后由Modem調制以后，再經(jīng)電臺發(fā)送出去。電臺接受中心站發(fā)送過(guò)來(lái)的信號，經(jīng)過(guò)處理以后傳送給Modem，信號解調后再將數據發(fā)送給微控制器，做進(jìn)一步的處理。因此，通過(guò)使用CMX868A的調制解調和電臺ND886A收發(fā)數據的功能，我們就實(shí)現了超短波網(wǎng)絡(luò )的數據通信。微控制器、CMX868A與ND886A連接示意圖如圖3所示。

在與CMX868A數據通信中，需要訪(fǎng)問(wèn)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)送數據寄存器、接受數據寄存器和狀態(tài)寄存器。
復位命令寄存器的作用是讓CMX868A復位，使其進(jìn)入省電模式，降低功耗?？刂萍拇嫫鞯淖饔檬鞘笴MX868A進(jìn)入正常工作模式，打開(kāi)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(lèi)型，信號的類(lèi)型有QAM、DPSK、FSK調制信號，還有DTMF雙音多頻信號。發(fā)送和接受數據寄存器是數據的緩沖區，主要是存放將要發(fā)送的數據和已經(jīng)接受的數據。另外，通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)狀態(tài)寄存器，可以獲知CMX868A當前的工作狀態(tài)。
在CMX868A進(jìn)行數據的調制解調時(shí)，采用了頻率鍵控FSK的調制解調方式。產(chǎn)生頻率為980 Hz的信號波形代表數字信號中的高電平，即數字“1”；產(chǎn)生頻率為1180 Hz的信號波形代表數字信號中的低電平，即數字“0”，這樣就較容易地實(shí)現了數據的調制解調。
2．3 數據采集模塊
數據采集模塊由雨量、水位傳感器組成，將采集的數據上傳到微控制器，微控制器對數據進(jìn)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(shí)，雨量計的兩個(gè)輸入信號產(chǎn)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)，執行雨量中斷程序，將對檢測到的雨量信號進(jìn)行累加和保存。
水位的采集是使用12路并行線(xiàn)直接與微控制器的I／O口相連，水位采用查詢(xún)方式，定時(shí)讀取數據。
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可以作為數據的緩沖區，微控制器將采集的數據可以先暫存到鐵電存儲器FRAM中，然后最終將數據存放在存儲卡中，實(shí)現大容量的存儲。FRAM、SD卡都是用SPI總線(xiàn)與Atmega1280連接的，可以方便快速地進(jìn)行數據通信。

3 遙測終端軟件設計
遙測終端軟件設計的目標是實(shí)現在無(wú)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(shí)上傳到中心站。
3．1 軟件主程序設計
主程序是終端系統軟件的核心部分，對系統進(jìn)行總體的控制。主程序首先要進(jìn)行系統參數的初始化工作，在沒(méi)有任務(wù)需要執行時(shí)，系統休眠以降低功耗、節省電量。當觸發(fā)中斷時(shí)，系統被喚醒恢復到正常工作狀態(tài)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，處理完任務(wù)后，再次將系統設置成休眠狀態(tài)。
系統的軟件總體結構如圖4所示。

系統被喚醒后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，執行的中斷程序包括Modem中斷程序，秒中斷程序，定時(shí)中斷程序，按鍵中斷程序和雨量、水位中斷程序等。
3．2 雙重數據通信程序設計
在雙重數據通信程序設計中，首先要對無(wú)線(xiàn)模塊MC703進(jìn)行復位檢測，初始化參數，然后檢測網(wǎng)絡(luò )信號質(zhì)量，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接。在沒(méi)有數據發(fā)送時(shí)，模塊選擇休眠，降低功耗。當需要發(fā)送數據時(shí)，喚醒MC703模塊，將數據發(fā)送出去。當檢測到網(wǎng)絡(luò )信號質(zhì)量不好時(shí)，或者無(wú)線(xiàn)連接不上時(shí)，選用調制解調器CMX868A芯片，啟動(dòng)備用電臺，及時(shí)向中心站發(fā)送數據。數據通信程序設計如圖5所示。

模塊初始化的工作中，通過(guò)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，以及查看系統的信息和模式。初始化的主要命令流程如下：


模塊的無(wú)線(xiàn)連接使用AT命令進(jìn)行PPP撥號上網(wǎng)，使用外置的協(xié)議棧，通過(guò)TCP／IP方式發(fā)送數據，／需要的主要AT命令流程如下：


4 結束語(yǔ)
設計的遙測終端RTU主要能完成對水情數據的自動(dòng)采集與存儲，顯示數據和終端的工作狀態(tài)，并且將數據發(fā)送給中心站。在數據傳輸中終端采用了CDMA網(wǎng)絡(luò )和超短波網(wǎng)絡(luò )雙重通信方式，正常工作情況是使用CDMA網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳送。當在CDMA網(wǎng)絡(luò )無(wú)法覆蓋到的偏遠地區時(shí)，或者CDMA公用網(wǎng)絡(luò )需要維護，不能使用時(shí)，都可以使用備用的超短波網(wǎng)絡(luò )及時(shí)將數據上傳給中心站，實(shí)現不間斷的通信。這樣，水利管理部門(mén)能夠及時(shí)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(mǎn)足了水利信息化的要求。