自報式低功耗水文遙測系統的設計與實(shí)現(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式低功耗水文遙測系統的設計方法與實(shí)現方案，在分析了自報式低功耗水文遙測系統的工作原理、主要特點(diǎn)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(shí)現方案，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(shí)現和軟件結構與程序流程。
雨情、水情信息是防汛決策及水利調度的基礎信息，及時(shí)、準確地采集、傳輸，處理江河、水庫、水電廠(chǎng)及城市的雨情、水情信息，建成防汛指揮及水調自動(dòng)化系統，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、合理調度、經(jīng)濟運行、興利增效的目的。
自報式水文遙測系統能在無(wú)人值守情況下，自動(dòng)收集雨量、水位和其他水文參數的實(shí)時(shí)數據并自動(dòng)報送所采集的數據，得到廣泛應用。傳統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(lái)推出的新型單片機系列，本文以PIC16F877單片機作為數據采集終端機核心控制芯片，設計一種新型的水文遙測系統，具有體積小、功耗低、指令集精簡(jiǎn)、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終端機較傳統51單片機的設計更加靈活，外圍電路更精簡(jiǎn)。

水文自動(dòng)測報系統的基本組成
系統由終端機（遙測站）、中繼站（信息傳輸通道）以及中心站三部分組成。組成結構如圖1所示。



圖1 系統組成示意圖


終端機通過(guò)傳感器自動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行水位及雨量數據的采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)電臺向中心站發(fā)送數據，通常用超短波頻段，功率5～25W，當通信距離超過(guò)50km，或有高山阻擋時(shí)，可設置中繼站，進(jìn)行再生轉發(fā)，中心站接收數據后可進(jìn)行數據分析及處理。


水文自動(dòng)測報系統的系統總體功能
數據接收、處理：實(shí)時(shí)接收遙測站的雨情、水情等信息；自動(dòng)檢查數據幀格式，并進(jìn)行合理性判斷；加注時(shí)標，自動(dòng)存儲。


應答、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)。


數據庫管理：包含原始數據庫、歷史數據庫、預報或成果數據庫的形成、檢索、查詢(xún)等。


數據輸出：可通過(guò)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(guò)程線(xiàn)等、雨量線(xiàn)圖等。


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


連網(wǎng)通信：可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現數據共享，可實(shí)現多計算機串行通信，通過(guò)電話(huà)線(xiàn)可實(shí)現數據傳輸。


狀態(tài)告警：根據設定的告警雨量、水位值，可實(shí)現自動(dòng)聲光告警，并可通過(guò)電話(huà)線(xiàn)實(shí)現電話(huà)語(yǔ)言報警。

水文遙測終端機設計
1 工作方式選擇
目前，水文遙測系統有三種工作方式：（1）自報式：每當被測的水文參數發(fā)生一個(gè)單位變化時(shí)，遙測站自動(dòng)采集發(fā)送一次數據；（2）應答式：中心站自動(dòng)定時(shí)或隨機呼叫遙測站，查詢(xún)其水文數據；（3）兼容式：既具有自報功能，又具有應答功能，在水文數據無(wú)變化、中心站未發(fā)送查詢(xún)請求時(shí)系統返回低功耗狀態(tài)?？紤]到用戶(hù)需求、系統工作環(huán)境和特點(diǎn)，以及對低功耗和高可靠性的要求，本系統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(guò)各自的傳感器接到微控制器的I/O口，微控制器對這些數據進(jìn)行采集，然后進(jìn)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。


數據幀格式如表1所示。其中，幀同步（起始）字節為02H，幀結束字節為03H；校驗字節（8比特）是站址字節、幀特征字節、數據高位字節、數據低位字節的模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。數據字段采用兩字節長(cháng)度，分為數據低位和高位。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。


編碼規則采用重復編碼，方法是每次重發(fā)三幀，接受端大數判決。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 硬件電路設計與實(shí)現
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(shí)典型值小于20μA，典型穩態(tài)電流值小于1μA，UART可擴展RS-485、發(fā)送數據以及編程擴展，I2C接口可作編程擴展，EEPROM可作數據資料寄存器，ADC可作欠壓檢測、掉電檢測以及外部模擬量輸入擴展，并有監控定時(shí)器WDT避免系統死機，芯片集成度高，整個(gè)板子只須另加RS-485驅動(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計電壓轉換電路?？紤]到FM發(fā)射機需要+12V供電，且降壓電路易于實(shí)現，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+12V～+3.3V的電壓轉換。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗電壓調節器，非常適用于一些電池供電系統，其具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性，非常良好的負載及線(xiàn)路調節特性，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(shí)進(jìn)行使用。通過(guò)DIP編程開(kāi)關(guān)可設置該機是否清零,定時(shí)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(dòng)[send]鍵后,則終端機進(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 終端機電路圖


5 軟件設計與實(shí)現
整個(gè)程序采用模塊化結構，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，如數據采集、數據處理、通信等。


主程序執行對定時(shí)器、串行通信等的初始化，系統的升級，收集、整理、發(fā)送數據等進(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)主要有雨量計數、水位數據采集、定時(shí)發(fā)送進(jìn)程。定時(shí)從水位計上將水位數據讀入,并加以分析,依分析結果確定是否把所讀入的水位數據寫(xiě)入帶有保護的數據存儲區并發(fā)送。同樣，當雨量信號到來(lái)時(shí)，雨量數據寫(xiě)入數據存儲區中并發(fā)送。中斷程序流程圖如圖5所示。



圖5 中斷程序流程圖

中心站的功能與結構
中心站由實(shí)時(shí)監控服務(wù)器、數據庫服務(wù)器、通信設備、電源系統、防雷設施、軟件系統等組成，含中心軟件及洪水預報軟件，能夠集中遙測系統內各終端機的水文數據。



圖6 中心站拓撲結構示意圖


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

結論
本設計和研究主要目的是為了進(jìn)一步優(yōu)化水文遙測系統的性能，通過(guò)使用這種新型芯片設計，降低遙測終端機功耗，實(shí)現終端機外圍電路最簡(jiǎn)化，并留出了軟件更新以及附加硬件設備的擴展接口，進(jìn)一步提高了自報式水文系統的性能。實(shí)驗結果表明，設計方案可行，系統工作穩定可靠，達到了預期目標。