基于嵌入式的水利信息監(jiān)測站智能供電系統(tǒng)研究

王銘銘

（安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院 蚌埠 233000）

1 引言

根據(jù)最嚴格水資源管理制度與防汛抗旱應急管理的實際需要，水資源取水監(jiān)測、山洪災害預警監(jiān)測等各類水利信息在線監(jiān)測已逐漸成為水利領域業(yè)務管理的關鍵技術手段。水利信息監(jiān)測站一般地處偏遠且站點分散，常出現(xiàn)無法提供市電供電的現(xiàn)象。太陽能供電技術日益成熟，為解決電源問題提供了解決方案，近年太陽能供電已成為水利信息監(jiān)測站常用的一種供電方式。在實際應用中，出現(xiàn)連續(xù)陰雨等惡劣天氣時，太陽能供電系統(tǒng)卻難以正常工作。對于水利信息監(jiān)測尤其是山洪災害預警信息監(jiān)測而言，設備能否正常工作是山洪預警與防治的關鍵所在，特別是處于山區(qū)中的水文及山洪預警信息監(jiān)測站點，當出現(xiàn)惡劣天氣時預示著爆發(fā)山洪、泥石流等災害的危險等級較高，在此關鍵時期，若無法保障監(jiān)測站點的正常供電，將給人民的生命財產(chǎn)帶來嚴重威脅。

本文在深入分析水利信息監(jiān)測需求的基礎上，研究太陽能供電充放電過程和站點實際供電情況，利用嵌入式技術，設計出交替智能供電控制系統(tǒng)。系統(tǒng)增配蓄電池，實現(xiàn)根據(jù)蓄電狀態(tài)與太陽能供電狀態(tài)選擇供電方式的智能解決方案；根據(jù)監(jiān)測站點分時采集的工作模式，設計智能休眠與喚醒的間歇式工作方案，實現(xiàn)降低監(jiān)測站點功耗的目的，為水利信息監(jiān)測站正常發(fā)揮效益提供保障。

2 水利監(jiān)測站供電方式分析

水利監(jiān)測設備常用供電方式主要包括市電供電、低功耗蓄電池供電、太陽能供電三種供電方式。其中市電供電具有供電穩(wěn)定、不受天氣影響的優(yōu)點，當監(jiān)測點具備供電條件時優(yōu)先選用此方式；低功耗蓄電池供電方式具有安裝方便、穩(wěn)定性好等特點，一般適用于設備耗電量較小、數(shù)據(jù)采頻次要求不高的監(jiān)測點，需要定期更換蓄電池，且不易維護；太陽能供電方式是通過太陽能控制器實現(xiàn)對設備的供電，可以較為方便地解決無市電問題，但對于耗電量稍大的水利監(jiān)測站點或?qū)τ谝壮霈F(xiàn)連續(xù)惡劣天氣的山區(qū)監(jiān)測站點，傳統(tǒng)的太陽能供電方式難以保障站點全天候的連續(xù)供電，影響監(jiān)測站的正常工作。綜上三種常用供電方式各存在優(yōu)缺點，均不能很好地解決連續(xù)陰雨天氣下水利信息監(jiān)測站的供電問題。水利信息監(jiān)測站供電示意如圖1所示。

3 系統(tǒng)設計思路

系統(tǒng)設計抓住降低功耗和增加電量儲備兩個方向，依據(jù)水利信息監(jiān)測站工作特點和需求，采用優(yōu)化充電與供電方式、升級水利信息監(jiān)測站工作模式等技術手段，利用嵌入式技術對太陽能供電模塊進行創(chuàng)新改造，達到有效延長水利信息監(jiān)測站惡劣天氣下正常工作時長的目的。本文一方面研究系統(tǒng)休眠與喚醒控制模塊，減少設備的無效工作時間，降低設備功耗；另一方面研究智能交替充電、供電控制系統(tǒng)，提高太陽能充電的有效利用，增加電量儲備。

4 智能供電系統(tǒng)設計

圖1 水利監(jiān)測站供電方式示意圖

圖2 水利監(jiān)測站智能供電系統(tǒng)框圖

水利信息監(jiān)測站主要包括太陽能供電、交替充電分路、水利信息監(jiān)測設備三部分。基于嵌入式技術，設計出智能控制模塊、分路器、休眠喚醒模塊，三者構(gòu)成智能供電系統(tǒng)的核心控制單元。其中智能控制模塊，選用EFM32TG822P32控制芯片，負責完成蓄電池電壓監(jiān)測、分路控制及系統(tǒng)休眠與喚醒的控制；分路器與休眠喚醒控制模塊均受控與智能控制模塊，分別用于太陽能充放電方式與監(jiān)測系統(tǒng)工作方式的控制。

圖3 交替供電智能控制系統(tǒng)流程圖

圖4 系統(tǒng)工作模式流程示意圖

如圖2所示，太陽能電池板完成光電轉(zhuǎn)換，并可通過光伏控制器可以為監(jiān)測設備直接供電或者利用分路器控制蓄電池的充電。交替充電分路控制裝置包括兩個蓄電池充放電分路器，分路器1與分路器2互聯(lián)互鎖，用于控制器根據(jù)蓄電池充電情況，系統(tǒng)通過控制器1、2控制兩塊蓄電池的充電或供電。水利信息監(jiān)測設備是系統(tǒng)的控制中心，設計智能控制模塊，并由其完成蓄電池電壓實時監(jiān)測、控制交替供電與充電、控制設備工作狀態(tài)等任務，實現(xiàn)水利信息監(jiān)測站的智能監(jiān)控。

5 控制流程與軟件設計

5.1 交替供電智能控制系統(tǒng)設計

根據(jù)水利信息監(jiān)測站的工作特點，采用增配蓄電池及智能切換供電模式的方案，采用交替充電與供電方式，可以充分利用太陽能發(fā)電能力，最大限度地儲備電能，智能切換供電模式是水利信息監(jiān)測站點在夜間或連續(xù)陰雨天氣間正常工作的又一層保障。系統(tǒng)設計基于嚴格的蓄電池與太陽能供電板的狀態(tài)邏輯關系，依據(jù)蓄電池充電狀態(tài)、蓄電池放電狀態(tài)以及太陽能供電狀態(tài)，實現(xiàn)充電與供電方式的智能選擇。

如圖3所示，監(jiān)測站點正常工作后先進行太陽能供電系統(tǒng)監(jiān)測，直到太陽能供電系統(tǒng)可正常供電。當系統(tǒng)監(jiān)測蓄電池1虧電、蓄電池2不虧電時，控制分路器1與分路器2，使得蓄電池1充電、蓄電池2為供電，待監(jiān)測到蓄電池1充電完成時，系統(tǒng)控制三個分路器，實現(xiàn)兩蓄電池在充放電狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換；當系統(tǒng)監(jiān)測蓄電池1虧電、蓄電池2亦虧電時，控制分路器1、分路器2及分路器3同時動作，使得蓄電池1同為充電與供電狀態(tài)；當系統(tǒng)監(jiān)測蓄電池1不虧電、蓄電池2虧電時，控制分路器1與分路器2，使得蓄電池2充電、蓄電池1為供電，待監(jiān)測到蓄電池2充電完成時，系統(tǒng)控制三路分路器，實現(xiàn)兩蓄電池在充放電狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換；當系統(tǒng)監(jiān)測蓄電池1不虧電、蓄電池2亦不虧電時，控制三個分路器同時動作，切換至太陽能直接供電模式。

5.2 系統(tǒng)間歇式工作模式設計

水利信息監(jiān)測一般為非實時采集，以水資源取水監(jiān)測為例，采集頻次常為2h一次，對于水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻次更低。鑒于此，可根據(jù)實際需要設計定時采集的智能休眠喚醒控制系統(tǒng)，定時喚醒和休眠監(jiān)測設備，有效降低系統(tǒng)功耗。

當系統(tǒng)啟動工作后即進行正常的數(shù)據(jù)采集，結(jié)束后即進入休眠狀態(tài)；當?shù)竭_設定休眠時間時，系統(tǒng)自動喚醒狀態(tài)，重新進行數(shù)據(jù)的采集；此外，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下還具有遠程喚醒功能，即遠程監(jiān)測平臺可通過喚醒信號對監(jiān)測站點設備進行喚醒，以滿足應急信息采集和召測的需求。具體系統(tǒng)工作流程詳見圖4所示。

6 小結(jié)

本文利用嵌入式技術手段，創(chuàng)新設計了交替供電系統(tǒng)，實現(xiàn)了對太陽能供電模塊的智能控制，有效提高了太陽能供電的利用率，對增加電能儲備大有裨益。此外，基于水利信息監(jiān)測站工作特點和需求，設計智能喚醒—休眠的工作模式，有效降低了監(jiān)測站的功耗。從“增能”“降耗”兩方面出發(fā)，完善了水利信息監(jiān)測站的供電系統(tǒng)設計，為水利信息監(jiān)測站在防汛救災的關鍵時刻能夠發(fā)揮效益提供了保障■