應(yīng)用于智慧灌溉等信息化系統(tǒng)的遙測終端機(jī)設(shè)計(jì)

張 麗，唐有為

（廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

0 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國的農(nóng)業(yè)模式由傳統(tǒng)型、機(jī)械化向智慧型發(fā)展。智慧農(nóng)業(yè)就是利用電子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行智能監(jiān)測，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制、按需供給實(shí)現(xiàn)智能化管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

我國雖然是水資源大國，但是人均占有量相對較少，屬于缺水國家。而農(nóng)業(yè)用水占據(jù)了用水總量的80%。由于我國農(nóng)業(yè)灌溉長期采用粗放式灌溉，造成了大量的水資源浪費(fèi)，節(jié)水灌溉問題長期限制著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。智慧灌溉將成為解決我國農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)的必經(jīng)之路，具有廣闊的發(fā)展前景和市場需求[1]。

遙測終端機(jī)作為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制端，廣泛運(yùn)用于智慧灌溉、山洪災(zāi)害防治及水資源監(jiān)控系統(tǒng)中，以智慧灌溉為例，遙測終端機(jī)能夠?qū)r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的雨量、流量、土壤墑情等要素進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站。中心站通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域灌溉設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，合理地對水資源灌溉調(diào)度分配，實(shí)現(xiàn)智慧灌溉的目的。

1 智慧灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智慧灌溉系統(tǒng)主要由傳感器（包括雨量、流量、墑情等）、遙測終端機(jī)、通信設(shè)備、中心站組成（見圖1）。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳感器負(fù)責(zé)采集相關(guān)信息數(shù)據(jù)，遙測終端機(jī)通過接口與各傳感器連接，讀取各傳感器采集的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送至中心站，中心站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場需水情況，按照設(shè)定程序向遙測終端機(jī)發(fā)送指令，遙測終端機(jī)根據(jù)所接收的中心站指令，對相關(guān)傳感器進(jìn)行控制操作，達(dá)到智慧灌溉的目的[2]。

圖1 智慧灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)

遙測終端機(jī)作為各種數(shù)據(jù)的連接終端，是智慧灌溉系統(tǒng)的核心組成部分之一。不僅需要將傳感器采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給中心站，還需要接收中心站發(fā)送的控制指令執(zhí)行相關(guān)控制操作，起著上傳下達(dá)的樞紐作用，是連接原始數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的橋梁。

隨著計(jì)算機(jī)、電子信息、通信技術(shù)的發(fā)展，遙測終端機(jī)也不斷朝著智能化、小型化、低功耗及多功能等方向發(fā)展。針對智慧灌溉系統(tǒng)等信息化系統(tǒng)中遙測終端機(jī)工作環(huán)境的特殊性，為解決目前大部分遙測終端機(jī)需要攜帶筆記本電腦進(jìn)行維護(hù)的問題，本遙測終端機(jī)設(shè)計(jì)有藍(lán)牙模組，當(dāng)現(xiàn)場工作人員需要對遙測終端機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作時，可通過觸發(fā)按鈕激活藍(lán)牙功能，然后通過手機(jī)或平板電腦的APP 進(jìn)行訪問操作，方便用戶進(jìn)行現(xiàn)場巡檢運(yùn)維工作。結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 遙測終端機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

其中，微處理器是遙測終端機(jī)的核心處理元件，負(fù)責(zé)遙測終端機(jī)的整體控制、工作流程、數(shù)據(jù)處理等；實(shí)時時鐘模塊負(fù)責(zé)為微處理器提供工作時鐘；電源管理模塊負(fù)責(zé)為遙測終端機(jī)整體提供電源及電壓監(jiān)測等工作；USB 接口模塊能夠提供遙測終端機(jī)與其他設(shè)備通過USB接口通信；鍵盤可以對遙測終端機(jī)進(jìn)行相關(guān)操作；LCD顯示屏負(fù)責(zé)顯示操作界面和數(shù)據(jù)；傳感器接口模塊負(fù)責(zé)提供與各種傳感器的連接接口；藍(lán)牙模塊可以為其他設(shè)備提供藍(lán)牙通信功能；Flash 存儲模塊負(fù)責(zé)存儲相關(guān)數(shù)據(jù)；通信模塊負(fù)責(zé)遙測終端機(jī)與中心站進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信。

3 遙測終端機(jī)硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制器及外圍設(shè)備

本遙測終端機(jī)選用超低功耗32 位高性能處理器，可高速采集攝像頭圖像，通過外置的鈕扣電池，可確保斷電存儲和實(shí)時時鐘的不間斷，內(nèi)置A/D 轉(zhuǎn)換器，滿足采集模擬信號需求。

通過外置石英晶振的方法，確保遙測終端機(jī)實(shí)時時鐘工作的準(zhǔn)確性，減少誤差。

3.2 電源管理模塊

為滿足遙測終端機(jī)的低功耗要求，本設(shè)計(jì)通過電源管理模塊和工作模式設(shè)計(jì)的方法降低整機(jī)功耗。其中非常供電模塊由常供電模塊進(jìn)行管理，只有在需要工作時才給它們加電。常供電模塊包括微控制器、LCD 顯示屏、藍(lán)牙模塊等、通信模塊；非常供電模塊包括傳感器接口模塊、Flash 存儲模塊等。電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 電源管理模塊結(jié)構(gòu)圖

常供電模塊和非常供電模塊的低壓差線性穩(wěn)壓器芯片選用MAX1659 芯片。該芯片在提供穩(wěn)定電壓輸出的同時，功耗較低，控制簡單。通過SHDN端口的高低電平輸入即可控制工作狀態(tài)，在關(guān)斷狀態(tài)下，消耗電流僅為1uA。

同時，為保證遙測終端機(jī)低功耗，常供電模塊在不需要工作的時候?qū)M(jìn)入超低功耗的休眠狀態(tài)，既滿足低功耗的要求，也可以快速被喚醒激活，立即進(jìn)入工作狀態(tài)。如LCD顯示屏，遙測終端機(jī)檢測用戶在30 s 內(nèi)沒有任何操作指令，LCD 顯示屏將熄滅，進(jìn)入休眠狀態(tài)。若檢測到用戶有按鍵操作，LCD顯示屏將被點(diǎn)亮；藍(lán)牙模塊在非維護(hù)狀態(tài)下都處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)LCD 顯示屏點(diǎn)亮?xí)r才被喚醒，此時可以被搜索并保持連接，若LCD 顯示屏熄滅且2 min 內(nèi)無其它藍(lán)牙設(shè)備連接，藍(lán)牙模塊將進(jìn)入休眠狀態(tài)；通信模塊只有在遙測終端機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時候保持在工作狀態(tài)，其他時間將根據(jù)參數(shù)設(shè)置，可處于常工作狀態(tài)或進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊芯片具有高性能、低功耗以及外部元件少的特點(diǎn)，休眠模式下，功耗僅1uA，體現(xiàn)出遙測終端機(jī)低功耗的優(yōu)勢。

4 工作模式設(shè)計(jì)

根據(jù)使用要求，本遙測終端機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)可執(zhí)行水文或水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約，標(biāo)準(zhǔn)可包含有自報模式、查詢應(yīng)答模式。

（1）自報模式不受中心站控制，由遙測終端機(jī)主動上報監(jiān)測要素?cái)?shù)據(jù)，主要包括定時報、加報報和小時報。定時報可按照設(shè)定的時間定時將設(shè)定的監(jiān)測要素上報給中心站；加報報是當(dāng)監(jiān)測要素在一定時間內(nèi)量值變化超過設(shè)定閾值，立即加報設(shè)定的監(jiān)測要素給中心站；小時報是時間到達(dá)整點(diǎn)，即將設(shè)定的監(jiān)測要素上報給中心站。

（2）查詢應(yīng)答模式是遙測終端機(jī)不主動發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，由中心站發(fā)起查詢召測命令，遙測終端機(jī)根據(jù)中心站指令，返回對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息給中心站。

兩者特點(diǎn)是：自報模式由于只有當(dāng)需要上報數(shù)據(jù)給中心站的時候通信模塊才需要工作，其它時間處于休眠狀態(tài)，功耗較低；查詢應(yīng)答模式需要遙測終端機(jī)始終保持在線，才能接收到中心站的指令，功耗較大[3]。

為適應(yīng)多種使用需求，在常規(guī)通信模式基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)增加兼容模式，即遙測終端機(jī)可按照自報模式、定時自報和加報相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息。發(fā)送成功后，遙測終端機(jī)始終與中心站保持連接，中心站此時可下發(fā)操作指令給遙測終端機(jī)修改相關(guān)參數(shù)，達(dá)到切換不同控制模式的目的。且用戶可根據(jù)需要，設(shè)置建立連接后遙測終端機(jī)保持在線的時間長度。待到達(dá)保持在線時間后，遙測終端機(jī)將退出工作模式，進(jìn)入休眠模式。

5 結(jié)語

本文針對智慧灌溉等信息化系統(tǒng)中遙測終端機(jī)工作環(huán)境的特殊性，設(shè)計(jì)的低功耗多功能遙測終端機(jī)，方便用戶進(jìn)行現(xiàn)場巡檢運(yùn)維工作。通過將遙測終端機(jī)各模塊劃分為常供電、非常供電兩類和設(shè)計(jì)兼容工作模式，大大降低了遙測終端機(jī)的功耗，達(dá)到了節(jié)能的目的。