基于嵌入式的水利信息监测站智能供电系统研究

王铭铭

（安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 蚌埠 233000）

1 引言

根据最严格水资源管理制度与防汛抗旱应急管理的实际需要，水资源取水监测、山洪灾害预警监测等各类水利信息在线监测已逐渐成为水利领域业务管理的关键技术手段。水利信息监测站一般地处偏远且站点分散，常出现无法提供市电供电的现象。太阳能供电技术日益成熟，为解决电源问题提供了解决方案，近年太阳能供电已成为水利信息监测站常用的一种供电方式。在实际应用中，出现连续阴雨等恶劣天气时，太阳能供电系统却难以正常工作。对于水利信息监测尤其是山洪灾害预警信息监测而言，设备能否正常工作是山洪预警与防治的关键所在，特别是处于山区中的水文及山洪预警信息监测站点，当出现恶劣天气时预示着爆发山洪、泥石流等灾害的危险等级较高，在此关键时期，若无法保障监测站点的正常供电，将给人民的生命财产带来严重威胁。

本文在深入分析水利信息监测需求的基础上，研究太阳能供电充放电过程和站点实际供电情况，利用嵌入式技术，设计出交替智能供电控制系统。系统增配蓄电池，实现根据蓄电状态与太阳能供电状态选择供电方式的智能解决方案；根据监测站点分时采集的工作模式，设计智能休眠与唤醒的间歇式工作方案，实现降低监测站点功耗的目的，为水利信息监测站正常发挥效益提供保障。

2 水利监测站供电方式分析

水利监测设备常用供电方式主要包括市电供电、低功耗蓄电池供电、太阳能供电三种供电方式。其中市电供电具有供电稳定、不受天气影响的优点，当监测点具备供电条件时优先选用此方式；低功耗蓄电池供电方式具有安装方便、稳定性好等特点，一般适用于设备耗电量较小、数据采频次要求不高的监测点，需要定期更换蓄电池，且不易维护；太阳能供电方式是通过太阳能控制器实现对设备的供电，可以较为方便地解决无市电问题，但对于耗电量稍大的水利监测站点或对于易出现连续恶劣天气的山区监测站点，传统的太阳能供电方式难以保障站点全天候的连续供电，影响监测站的正常工作。综上三种常用供电方式各存在优缺点，均不能很好地解决连续阴雨天气下水利信息监测站的供电问题。水利信息监测站供电示意如图1所示。

3 系统设计思路

系统设计抓住降低功耗和增加电量储备两个方向，依据水利信息监测站工作特点和需求，采用优化充电与供电方式、升级水利信息监测站工作模式等技术手段，利用嵌入式技术对太阳能供电模块进行创新改造，达到有效延长水利信息监测站恶劣天气下正常工作时长的目的。本文一方面研究系统休眠与唤醒控制模块，减少设备的无效工作时间，降低设备功耗；另一方面研究智能交替充电、供电控制系统，提高太阳能充电的有效利用，增加电量储备。

4 智能供电系统设计

图1 水利监测站供电方式示意图

图2 水利监测站智能供电系统框图

水利信息监测站主要包括太阳能供电、交替充电分路、水利信息监测设备三部分。基于嵌入式技术，设计出智能控制模块、分路器、休眠唤醒模块，三者构成智能供电系统的核心控制单元。其中智能控制模块，选用EFM32TG822P32控制芯片，负责完成蓄电池电压监测、分路控制及系统休眠与唤醒的控制；分路器与休眠唤醒控制模块均受控与智能控制模块，分别用于太阳能充放电方式与监测系统工作方式的控制。

图3 交替供电智能控制系统流程图

图4 系统工作模式流程示意图

如图2所示，太阳能电池板完成光电转换，并可通过光伏控制器可以为监测设备直接供电或者利用分路器控制蓄电池的充电。交替充电分路控制装置包括两个蓄电池充放电分路器，分路器1与分路器2互联互锁，用于控制器根据蓄电池充电情况，系统通过控制器1、2控制两块蓄电池的充电或供电。水利信息监测设备是系统的控制中心，设计智能控制模块，并由其完成蓄电池电压实时监测、控制交替供电与充电、控制设备工作状态等任务，实现水利信息监测站的智能监控。

5 控制流程与软件设计

5.1 交替供电智能控制系统设计

根据水利信息监测站的工作特点，采用增配蓄电池及智能切换供电模式的方案，采用交替充电与供电方式，可以充分利用太阳能发电能力，最大限度地储备电能，智能切换供电模式是水利信息监测站点在夜间或连续阴雨天气间正常工作的又一层保障。系统设计基于严格的蓄电池与太阳能供电板的状态逻辑关系，依据蓄电池充电状态、蓄电池放电状态以及太阳能供电状态，实现充电与供电方式的智能选择。

如图3所示，监测站点正常工作后先进行太阳能供电系统监测，直到太阳能供电系统可正常供电。当系统监测蓄电池1亏电、蓄电池2不亏电时，控制分路器1与分路器2，使得蓄电池1充电、蓄电池2为供电，待监测到蓄电池1充电完成时，系统控制三个分路器，实现两蓄电池在充放电状态下的转换；当系统监测蓄电池1亏电、蓄电池2亦亏电时，控制分路器1、分路器2及分路器3同时动作，使得蓄电池1同为充电与供电状态；当系统监测蓄电池1不亏电、蓄电池2亏电时，控制分路器1与分路器2，使得蓄电池2充电、蓄电池1为供电，待监测到蓄电池2充电完成时，系统控制三路分路器，实现两蓄电池在充放电状态下的转换；当系统监测蓄电池1不亏电、蓄电池2亦不亏电时，控制三个分路器同时动作，切换至太阳能直接供电模式。

5.2 系统间歇式工作模式设计

水利信息监测一般为非实时采集，以水资源取水监测为例，采集频次常为2h一次，对于水质监测数据采集频次更低。鉴于此，可根据实际需要设计定时采集的智能休眠唤醒控制系统，定时唤醒和休眠监测设备，有效降低系统功耗。

当系统启动工作后即进行正常的数据采集，结束后即进入休眠状态；当到达设定休眠时间时，系统自动唤醒状态，重新进行数据的采集；此外，系统在休眠状态下还具有远程唤醒功能，即远程监测平台可通过唤醒信号对监测站点设备进行唤醒，以满足应急信息采集和召测的需求。具体系统工作流程详见图4所示。

6 小结

本文利用嵌入式技术手段，创新设计了交替供电系统，实现了对太阳能供电模块的智能控制，有效提高了太阳能供电的利用率，对增加电能储备大有裨益。此外，基于水利信息监测站工作特点和需求，设计智能唤醒—休眠的工作模式，有效降低了监测站的功耗。从“增能”“降耗”两方面出发，完善了水利信息监测站的供电系统设计，为水利信息监测站在防汛救灾的关键时刻能够发挥效益提供了保障■