一種低功耗水情遙測終端設備的設計與實現

朱元彩，閆 旭，孫 宇

（1．中國礦業大學計算機科學與技術學院，江蘇徐州 221008；2．徐州電子技術研究所，江蘇徐州 221009）

一種低功耗水情遙測終端設備的設計與實現

朱元彩1，2，閆 旭2，孫 宇2

（1．中國礦業大學計算機科學與技術學院，江蘇徐州 221008；2．徐州電子技術研究所，江蘇徐州 221009）

水情遙測終端設備一般工作在不具備線供電源的野外，只能使用太陽能或風力等供電方式，因此其實現最重要的難點就是低功耗。文章提出的設計與實現不同于其它同類基于休眠模式的低功耗產品，而是采用了雙CPU結構，通過一個具備獨立功能的電源控制板來實現電源的有效的低成本控制，極大降低了系統綜合功耗，從而在相同電池容量下極大延長了系統惡劣氣象環境下的工作時間。

低功耗；水情遙測；智能儀器

1 問題提出

水情遙測終端設備（RTU，以下簡稱終端）是用于測量水位、雨量及其它氣象參數的設備，一般工作在荒山野外，不具備線供電源的條件，因此基本采用獨立供電的工作方式。

當前終端電源大多采用蓄電池供電，并輔以太陽能或風力等電量來源來進行充電管理。而蓄電池的電量是有限的，充電所用的電力來源又受自然條件的約束（如陰雨天，則太陽能無法產生電力），因此對終端進行低功耗設計就顯得十分重要。

當前國內外相關設備已經注意到了這個問題，各類低功耗設計技術也非常多，但主要集中在主控單元的休眠降耗上，而對無線數據傳輸設備、各類傳感器等的供電仍是持續的，這些設備功耗較大且大多并沒有低功耗狀態，因此這種低功耗實現的弊端是顯而易見的。

筆者在對湖南省大洑潭水電站水情遙測系統的終端進行設計實現時，采用了另外一種思路，即添加了專用電源管理模塊的雙CPU模式，能夠有效地解決了上述問題，經過一年多的應用表明：功耗降低明顯、工作可靠。

2 硬件設計與實現

2．1 硬件系統框圖

其硬件安裝框圖如圖1：

由框圖可以很清楚地看出，現地設備分為電源及電源管理部分、現地測量傳感器部分、RTU、通信設備四大部分。電源及電源管理部分主要完成直流電源的充電及輸出管理，是整個測控系統的供電中心；現地測量傳感器部分則負責將現地的水情、雨情及風力等參數采集到RTU中；RTU處理這些參數，然后再通過通信模塊將各參數報送到數據中心，同時也通過通信模塊接收數據中心下達的各項命令并執行之。

圖1 硬件安裝框圖

2．2 低功耗設計與實現說明

相比同行的設計，本實現在硬件部分有個主要特色，即增加了一塊電源控制板，而這塊電源控制板就是實現系統低功耗運行的核心模塊。當前RTU的研究與設計已非常成熟，本文不再贅述，下面詳細介紹本實現中的特色設計——電源控制板。

電源控制板具有獨立的CPU和實時時鐘RTC，完成的功能主要有：

＊通過控制內置的繼電器達到切斷或接通RTU及相關測量傳感器、通信設備的電源；

＊完成太陽能電池電壓的采樣及AD轉換；

＊通過檢測水位傳感器的低4位來達到判定水位變幅是否達到報送的變化量；

＊通過RTC來產生定時時間間隔報送；

＊通過SPI總線與RTU進行實時通信，處理RTU下達的各類命令（有些命令是從數據中心通過短信發送來的），并返回時間等數據信息給RTU供使用。

電源控制板的電路部分很簡單，主要部分簡介如下：

＊CPU部分：采用宏晶公司的STC12C2052AD單片機的。該單片機具有內置時鐘晶振、MAX810專用復位電路，可支持ISP在線編程，完全的低功耗設計，且內置的2路10位AD轉換器可直接用于電池電壓的測量；

＊實時時鐘RTC部分采用DIP8封裝的CMOS實時時鐘芯片PCF8563，該芯片可提供編程時鐘輸出及一個中斷輸出，支持使用后備電池方式的雙電源供電方式，具備低功耗的休眠狀態，通過二線制I2C總線通訊方式，使電路簡單可靠；

＊水位傳感器輸入。為完成水位變幅檢測，測量系統采用接觸式編碼器來檢測水位數據，通過將此編碼器的低4位數據引到電源板，可使在RTU斷電的情況下，由電源板上的CPU完成水位變幅的檢測工作；

＊繼電器輸出。通過一個三極管驅動電路來控制繼電器動作，同時將繼電器的常開觸點作為RTU的供電開關，以完成RTU電源的通斷；

＊其它輔助電路。如電源電路（主要由7805構成，完成將電池電壓24V降壓至5V的作用）、CPU編程引腳等。

限于篇幅，這里不再給出電源控制板的電路圖，需要者請與筆者聯系（zxcvpoiu＠126．com）。

3 軟件編程

3．1 軟件總流程圖

系統軟件實現主要有二個部分：RTU主工作軟件和電源控制板軟件。這兩個軟件有需要密切配合的部分。即在電源控制板檢測到需要RTU工作并給RTU上電后，需要等待RTU工作完畢的命令，以再次關閉RTU電源。而且這個等待過程中RTU有可能收到并處理數據中心下發的設置命令，并在需要時下發給電源控制板進行相應的設置。

這兩個部分的軟件及功能可由圖2所示流程圖來說明。

3．2 軟件實現要點

基于可靠性和低功耗的考慮，軟件實現中有三個細節問題：

（1）低功耗設計：非報送工作時間內，RTU及外圍傳感器等電路被切斷，此時功率消耗主要在電源控制板。因此系統中設置了非工作狀態下的休眠狀態，由電源控制板中的CPU設置自己和RTC進入休眠工作狀態，以極大節約功耗。為防止數據報送時間間隔太長，休眠時間控制在1分鐘左右，然后由RTC的時鐘報警功能喚醒CPU退出休眠。

（2）RTU自診斷：由于遙測終端是工作在無人的野外，出現故障后，去人維護的時間也有可能以天計，因此需要在終端出現故障后，數據中心也能夠知道大致的故障類別。這個需求是通過RTU的自診斷來完成的。軟件中通過采集傳感器數據、電池電壓、通信裝置返回值及RTU內部各狀態字來斷定系統各部分的工作情況，以在出現異常時能夠及時通知數據中心的維護人員，做好維護準備。

（3）自動報送模式：系統的定時測報與變幅檢測測報的工作基礎均基于電源控制板。在電源控制板異常或者電源控制板與RTU間通信異常時，也會導致即使RTU正常也無法進行測報的情況。為了防止出現這種情況，RTU端軟件中加入了判斷與電源控制板間通信是否異常以及在RTU發送工作完畢信息一段時間后是否確實已斷電的檢測，如果出現異常，RTU則會自動進入定時發送工作模式，一般按照預先設定的時間間隔來定時測量并報送，如2小時測量并報送一次。

4 結論

本遙測終端由于一方面采用了低功耗設計，另外加裝電源控制板，使得整體運行功耗非常低。經測試，在同等電池容量及無日照的情況下，要比其它廠家的遙測終端工作時間延長1倍以上。目前，本現地裝置經過1年來的運行，尤其是經歷過今年6年懷化地區的特大暴雨的考驗證明系統是安全可靠的。因此，在水情遙測方面值得推廣。

但本終端系統也有不足之處：因工作電源為電源控制板所控制，因此短信收發設備并非常備工作，從而使系統與數據中心的通訊無法滿足一定條件下的實時要求。同時，也由于短信收發設備只在需要發送數據時才能上電，導致水情遙測系統中的招測功能（即在數據中心認為需要時，由數據中心發送測量命令，并由現地設備在一定時間內接收并完成測量數據報送的功能）無法實現。只是在儀表本身能完成定時測量時間隔設置及水位變幅檢測的幅值設置等功能的支持下，系統完全可以在汛期時以較小時間間隔和較小的變幅檢測來完成水情的快速檢測，或在非汛期將相應控制量設置為較大值，從而節省運行費用。這在一定程度上，降低了招測功能的需求。

圖2 軟件流程圖

［1］ 辛艷輝，袁合才．水情數據遠程采集系統設計［J］．人民黃河，2010（3）．

［2］ 百度文庫．STC12C2052AD、PCF8563等芯片的數據手冊［EB／OL］．［2010－09－22］．wenku．baidu．com／view／e7825off04a1b0717，fd5．

責任編輯：訾興建

TP29

A

1671－8275（2011）01－0001－03

2010－10－11

朱元彩（1972－），男，江蘇徐州人，徐州電子技術研究所總工程師，中國礦業大學計算機科學與技術學院計算機應用專業2007級工程碩士研究生。研究方向：自動化控制。