一种低功耗水情遥测终端设备的设计与实现

2011-10-31朱元彩

淮北职业技术学院学报 2011年1期

关键词：水情控制板遥测

朱元彩，闫旭，孙宇

（1．中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏徐州 221008；2．徐州电子技术研究所，江苏徐州 221009）

一种低功耗水情遥测终端设备的设计与实现

朱元彩1，2，闫旭2，孙宇2

（1．中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏徐州 221008；2．徐州电子技术研究所，江苏徐州 221009）

水情遥测终端设备一般工作在不具备线供电源的野外，只能使用太阳能或风力等供电方式，因此其实现最重要的难点就是低功耗。文章提出的设计与实现不同于其它同类基于休眠模式的低功耗产品，而是采用了双CPU结构，通过一个具备独立功能的电源控制板来实现电源的有效的低成本控制，极大降低了系统综合功耗，从而在相同电池容量下极大延长了系统恶劣气象环境下的工作时间。

低功耗；水情遥测；智能仪器

1 问题提出

水情遥测终端设备（RTU，以下简称终端）是用于测量水位、雨量及其它气象参数的设备，一般工作在荒山野外，不具备线供电源的条件，因此基本采用独立供电的工作方式。

当前终端电源大多采用蓄电池供电，并辅以太阳能或风力等电量来源来进行充电管理。而蓄电池的电量是有限的，充电所用的电力来源又受自然条件的约束（如阴雨天，则太阳能无法产生电力），因此对终端进行低功耗设计就显得十分重要。

当前国内外相关设备已经注意到了这个问题，各类低功耗设计技术也非常多，但主要集中在主控单元的休眠降耗上，而对无线数据传输设备、各类传感器等的供电仍是持续的，这些设备功耗较大且大多并没有低功耗状态，因此这种低功耗实现的弊端是显而易见的。

笔者在对湖南省大洑潭水电站水情遥测系统的终端进行设计实现时，采用了另外一种思路，即添加了专用电源管理模块的双CPU模式，能够有效地解决了上述问题，经过一年多的应用表明：功耗降低明显、工作可靠。

2 硬件设计与实现

2．1 硬件系统框图

其硬件安装框图如图1：

由框图可以很清楚地看出，现地设备分为电源及电源管理部分、现地测量传感器部分、RTU、通信设备四大部分。电源及电源管理部分主要完成直流电源的充电及输出管理，是整个测控系统的供电中心；现地测量传感器部分则负责将现地的水情、雨情及风力等参数采集到RTU中；RTU处理这些参数，然后再通过通信模块将各参数报送到数据中心，同时也通过通信模块接收数据中心下达的各项命令并执行之。

图1 硬件安装框图

2．2 低功耗设计与实现说明

相比同行的设计，本实现在硬件部分有个主要特色，即增加了一块电源控制板，而这块电源控制板就是实现系统低功耗运行的核心模块。当前RTU的研究与设计已非常成熟，本文不再赘述，下面详细介绍本实现中的特色设计——电源控制板。

电源控制板具有独立的CPU和实时时钟RTC，完成的功能主要有：

＊通过控制内置的继电器达到切断或接通RTU及相关测量传感器、通信设备的电源；

＊完成太阳能电池电压的采样及AD转换；

＊通过检测水位传感器的低4位来达到判定水位变幅是否达到报送的变化量；

＊通过RTC来产生定时时间间隔报送；

＊通过SPI总线与RTU进行实时通信，处理RTU下达的各类命令（有些命令是从数据中心通过短信发送来的），并返回时间等数据信息给RTU供使用。

电源控制板的电路部分很简单，主要部分简介如下：

＊CPU部分：采用宏晶公司的STC12C2052AD单片机的。该单片机具有内置时钟晶振、MAX810专用复位电路，可支持ISP在线编程，完全的低功耗设计，且内置的2路10位AD转换器可直接用于电池电压的测量；

＊实时时钟RTC部分采用DIP8封装的CMOS实时时钟芯片PCF8563，该芯片可提供编程时钟输出及一个中断输出，支持使用后备电池方式的双电源供电方式，具备低功耗的休眠状态，通过二线制I2C总线通讯方式，使电路简单可靠；

＊水位传感器输入。为完成水位变幅检测，测量系统采用接触式编码器来检测水位数据，通过将此编码器的低4位数据引到电源板，可使在RTU断电的情况下，由电源板上的CPU完成水位变幅的检测工作；

＊继电器输出。通过一个三极管驱动电路来控制继电器动作，同时将继电器的常开触点作为RTU的供电开关，以完成RTU电源的通断；

＊其它辅助电路。如电源电路（主要由7805构成，完成将电池电压24V降压至5V的作用）、CPU编程引脚等。

限于篇幅，这里不再给出电源控制板的电路图，需要者请与笔者联系（zxcvpoiu＠126．com）。

3 软件编程

3．1 软件总流程图

系统软件实现主要有二个部分：RTU主工作软件和电源控制板软件。这两个软件有需要密切配合的部分。即在电源控制板检测到需要RTU工作并给RTU上电后，需要等待RTU工作完毕的命令，以再次关闭RTU电源。而且这个等待过程中RTU有可能收到并处理数据中心下发的设置命令，并在需要时下发给电源控制板进行相应的设置。

这两个部分的软件及功能可由图2所示流程图来说明。

3．2 软件实现要点

基于可靠性和低功耗的考虑，软件实现中有三个细节问题：

（1）低功耗设计：非报送工作时间内，RTU及外围传感器等电路被切断，此时功率消耗主要在电源控制板。因此系统中设置了非工作状态下的休眠状态，由电源控制板中的CPU设置自己和RTC进入休眠工作状态，以极大节约功耗。为防止数据报送时间间隔太长，休眠时间控制在1分钟左右，然后由RTC的时钟报警功能唤醒CPU退出休眠。

（2）RTU自诊断：由于遥测终端是工作在无人的野外，出现故障后，去人维护的时间也有可能以天计，因此需要在终端出现故障后，数据中心也能够知道大致的故障类别。这个需求是通过RTU的自诊断来完成的。软件中通过采集传感器数据、电池电压、通信装置返回值及RTU内部各状态字来断定系统各部分的工作情况，以在出现异常时能够及时通知数据中心的维护人员，做好维护准备。

（3）自动报送模式：系统的定时测报与变幅检测测报的工作基础均基于电源控制板。在电源控制板异常或者电源控制板与RTU间通信异常时，也会导致即使RTU正常也无法进行测报的情况。为了防止出现这种情况，RTU端软件中加入了判断与电源控制板间通信是否异常以及在RTU发送工作完毕信息一段时间后是否确实已断电的检测，如果出现异常，RTU则会自动进入定时发送工作模式，一般按照预先设定的时间间隔来定时测量并报送，如2小时测量并报送一次。

4 结论

本遥测终端由于一方面采用了低功耗设计，另外加装电源控制板，使得整体运行功耗非常低。经测试，在同等电池容量及无日照的情况下，要比其它厂家的遥测终端工作时间延长1倍以上。目前，本现地装置经过1年来的运行，尤其是经历过今年6年怀化地区的特大暴雨的考验证明系统是安全可靠的。因此，在水情遥测方面值得推广。

但本终端系统也有不足之处：因工作电源为电源控制板所控制，因此短信收发设备并非常备工作，从而使系统与数据中心的通讯无法满足一定条件下的实时要求。同时，也由于短信收发设备只在需要发送数据时才能上电，导致水情遥测系统中的招测功能（即在数据中心认为需要时，由数据中心发送测量命令，并由现地设备在一定时间内接收并完成测量数据报送的功能）无法实现。只是在仪表本身能完成定时测量时间隔设置及水位变幅检测的幅值设置等功能的支持下，系统完全可以在汛期时以较小时间间隔和较小的变幅检测来完成水情的快速检测，或在非汛期将相应控制量设置为较大值，从而节省运行费用。这在一定程度上，降低了招测功能的需求。