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          自報(bào)式低功耗水文遙測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(圖)

          作者: 時(shí)間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          作者:桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院 謝君 趙利

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347293.htm

          本文介紹了一種新型的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)方案,在分析了的工作原理、主要特點(diǎn)和基本功能的基礎(chǔ)上,介紹了基于的水文遙測(cè)終端機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案,包括工作體制、傳感器選擇和通信協(xié)議的設(shè)計(jì),以及硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)和軟件結(jié)構(gòu)與程序流程。
          雨情、水情信息是防汛決策及水利調(diào)度的基礎(chǔ)信息,及時(shí)、準(zhǔn)確地采集、傳輸,處理江河、水庫(kù)、水電廠及城市的雨情、水情信息,建成防汛指揮及水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng),可保證預(yù)報(bào)決策、防汛安全、合理使用水資源,最終達(dá)到防汛減災(zāi)、合理調(diào)度、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、興利增效的目的。
          能在無人值守情況下,自動(dòng)收集雨量、水位和其他水文參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并自動(dòng)報(bào)送所采集的數(shù)據(jù),得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)水文遙測(cè)終端多采用MC-51做為控制芯片,集成度低,設(shè)計(jì)較為煩瑣,外圍電路較復(fù)雜。PIC是MICROCHIP公司近年來推出的新型單片機(jī)系列,本文以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集終端機(jī)核心控制芯片,設(shè)計(jì)一種新型的水文遙測(cè)系統(tǒng),具有體積小、功耗低、指令集精簡(jiǎn)、抗干擾性好、可靠性高、擴(kuò)展性強(qiáng)等特性,用PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)水文遙測(cè)系統(tǒng)終端機(jī)較傳統(tǒng)51單片機(jī)的設(shè)計(jì)更加靈活,外圍電路更精簡(jiǎn)。

          水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的基本組成
          系統(tǒng)由終端機(jī)(遙測(cè)站)、中繼站(信息傳輸通道)以及中心站三部分組成。組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。



          圖1 系統(tǒng)組成示意圖


          終端機(jī)通過傳感器自動(dòng)實(shí)時(shí)地進(jìn)行水位及雨量數(shù)據(jù)的采集,并通過無線電臺(tái)向中心站發(fā)送數(shù)據(jù),通常用超短波頻段,功率5~25W,當(dāng)通信距離超過50km,或有高山阻擋時(shí),可設(shè)置中繼站,進(jìn)行再生轉(zhuǎn)發(fā),中心站接收數(shù)據(jù)后可進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。


          水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的系統(tǒng)總體功能
          數(shù)據(jù)接收、處理:實(shí)時(shí)接收遙測(cè)站的雨情、水情等信息;自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)幀格式,并進(jìn)行合理性判斷;加注時(shí)標(biāo),自動(dòng)存儲(chǔ)。


          應(yīng)答、查詢:定時(shí)或人工查詢下屬站點(diǎn)的雨情、水情等信息及其工作狀態(tài)。


          數(shù)據(jù)庫(kù)管理:包含原始數(shù)據(jù)庫(kù)、歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、預(yù)報(bào)或成果數(shù)據(jù)庫(kù)的形成、檢索、查詢等。


          數(shù)據(jù)輸出:可通過顯示器(包括大屏幕顯示)、打印機(jī)、繪圖儀等輸出雨量直方圖、水位、流量過程線等、雨量線圖等。


          洪水預(yù)報(bào)及優(yōu)化調(diào)度:包括洪水預(yù)報(bào)參數(shù)初始化、參數(shù) 設(shè)置/修改、定時(shí)預(yù)報(bào)、脫機(jī)估報(bào)、水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度,成果存儲(chǔ)、輸出。


          連網(wǎng)通信:可接入局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,可實(shí)現(xiàn)多計(jì)算機(jī)串行通信,通過電話線可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。


          狀態(tài)告警:根據(jù)設(shè)定的告警雨量、水位值,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聲光告警,并可通過電話線實(shí)現(xiàn)電話語言報(bào)警。

          水文遙測(cè)終端機(jī)設(shè)計(jì)
          1 工作方式選擇

          目前,水文遙測(cè)系統(tǒng)有三種工作方式:(1)自報(bào)式:每當(dāng)被測(cè)的水文參數(shù)發(fā)生一個(gè)單位變化時(shí),遙測(cè)站自動(dòng)采集發(fā)送一次數(shù)據(jù);(2)應(yīng)答式:中心站自動(dòng)定時(shí)或隨機(jī)呼叫遙測(cè)站,查詢其水文數(shù)據(jù);(3)兼容式:既具有自報(bào)功能,又具有應(yīng)答功能,在水文數(shù)據(jù)無變化、中心站未發(fā)送查詢請(qǐng)求時(shí)系統(tǒng)返回狀態(tài)??紤]到用戶需求、系統(tǒng)工作環(huán)境和特點(diǎn),以及對(duì)低功耗和高可靠性的要求,本系統(tǒng)選擇采用自報(bào)式工作方式。


          2 傳感器以及性能要求
          雨量、水位和電壓信息分別通過各自的傳感器接到微控制器的I/O口,微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,然后進(jìn)行相應(yīng)的處理。雨量傳感器采用翻斗式雨量計(jì),分辨率為1mm;水位傳感器采用浮子式水位計(jì),分辨率為1cm。


          3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
          通信速率為300b/s。FSK副載波頻率符合CCITTV21或V23標(biāo)準(zhǔn)。異步通信幀格式:1位起始位,8位信息位,1位奇校驗(yàn)位,1位停止位。


          數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。其中,幀同步(起始)字節(jié)為02H,幀結(jié)束字節(jié)為03H;校驗(yàn)字節(jié)(8比特)是站址字節(jié)、幀特征字節(jié)、數(shù)據(jù)高位字節(jié)、數(shù)據(jù)低位字節(jié)的模2加;站址字采用十進(jìn)制壓縮BCD編碼方式;幀特征字定義如表2所示。數(shù)據(jù)字段采用兩字節(jié)長(zhǎng)度,分為數(shù)據(jù)低位和高位。編碼方式由特征位定義,其中水位可為十進(jìn)制或二進(jìn)制,而雨量為二進(jìn)制表示。


          編碼規(guī)則采用重復(fù)編碼,方法是每次重發(fā)三幀,接受端大數(shù)判決。發(fā)送控制及時(shí)序如圖2所示。



          圖2 RTX與TXD的時(shí)序圖


          4 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
          終端機(jī)采用PIC16F877作為核心芯片,具有以下優(yōu)勢(shì):芯片集成了大量的外圍部件,是低工作電壓、超低功耗、高性能的微控制器,在@32kHz">3V@32kHz時(shí)典型值小于20μA,典型穩(wěn)態(tài)電流值小于1μA,UART可擴(kuò)展RS-485、發(fā)送數(shù)據(jù)以及編程擴(kuò)展,I2C接口可作編程擴(kuò)展,EEPROM可作數(shù)據(jù)資料寄存器,ADC可作欠壓檢測(cè)、掉電檢測(cè)以及外部模擬量輸入擴(kuò)展,并有監(jiān)控定時(shí)器WDT避免系統(tǒng)死機(jī),芯片集成度高,整個(gè)板子只須另加RS-485驅(qū)動(dòng)和DC/DC變換器芯片即可。


          由于模塊中既有+12V供電的模塊又有+3.3V供電的模塊,因此必須在電路中設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路。考慮到FM發(fā)射機(jī)需要+12V供電,且降壓電路易于實(shí)現(xiàn),所以+12V部分采用直接供電,而+3.3V部分采用降壓后的電源供電的供電方案。在DC/DC變換芯片的選擇上,選用比較常用的LP2950來實(shí)現(xiàn)+12V~+3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗電壓調(diào)節(jié)器,非常適用于一些電池供電系統(tǒng),其具有低靜態(tài)電流、低壓差等特性,非常良好的負(fù)載及線路調(diào)節(jié)特性,適合做低功率電壓源。


          該設(shè)計(jì)留有壓力式水位計(jì)擴(kuò)展接口,可用于今后有擴(kuò)展需求時(shí)進(jìn)行使用。通過DIP編程開關(guān)可設(shè)置該機(jī)是否清零,定時(shí)發(fā)送水位還是雨量以及終端機(jī)站址的設(shè)置。為了方便維護(hù),在設(shè)計(jì)中增加了強(qiáng)發(fā)功能,按動(dòng)[send]鍵后,則終端機(jī)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。此時(shí)發(fā)送過程與定時(shí)發(fā)送一樣。硬件電路圖如圖3所示。



          圖3 終端機(jī)電路圖


          5 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
          整個(gè)程序采用模塊化結(jié)構(gòu),分為主程序和中斷程序,包括基本的CPU時(shí)鐘和外圍模塊的初始化,以及各功能模塊的實(shí)現(xiàn),如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信等。


          主程序執(zhí)行對(duì)定時(shí)器、串行通信等的初始化,系統(tǒng)的升級(jí),收集、整理、發(fā)送數(shù)據(jù)等進(jìn)程,最后進(jìn)入省電模式,以中斷服務(wù)喚醒CPU,主程序流程圖如圖4所示。



          圖4 主程序流程圖


          中斷服務(wù)主要有雨量計(jì)數(shù)、水位數(shù)據(jù)采集、定時(shí)發(fā)送進(jìn)程。定時(shí)從水位計(jì)上將水位數(shù)據(jù)讀入,并加以分析,依分析結(jié)果確定是否把所讀入的水位數(shù)據(jù)寫入帶有保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)并發(fā)送。同樣,當(dāng)雨量信號(hào)到來時(shí),雨量數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中并發(fā)送。中斷程序流程圖如圖5所示。



          圖5 中斷程序流程圖

          中心站的功能與結(jié)構(gòu)
          中心站由實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、通信設(shè)備、電源系統(tǒng)、防雷設(shè)施、軟件系統(tǒng)等組成,含中心軟件及洪水預(yù)報(bào)軟件,能夠集中遙測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各終端機(jī)的水文數(shù)據(jù)。



          圖6 中心站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖


          中心站主要完成以下功能:
          ● 實(shí)時(shí)顯示水文信息。
          ● 實(shí)現(xiàn)各水文站、遙測(cè)站的雨量、水位信息的接收和存儲(chǔ)。
          ● 實(shí)現(xiàn)水文水資源信息省中心或防汛部門、自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)中心的自動(dòng)傳輸。
          ● 提供實(shí)時(shí)水情分析及水情預(yù)警服務(wù)。
          ● 對(duì)站點(diǎn)任意時(shí)間的水位、雨量、日雨量和累計(jì)雨量信息的查詢。
          ● 對(duì)所形成各種水文要素資料整編成表。

          結(jié)論
          本設(shè)計(jì)和研究主要目的是為了進(jìn)一步優(yōu)化水文遙測(cè)系統(tǒng)的性能,通過使用這種新型芯片設(shè)計(jì),降低遙測(cè)終端機(jī)功耗,實(shí)現(xiàn)終端機(jī)外圍電路最簡(jiǎn)化,并留出了軟件更新以及附加硬件設(shè)備的擴(kuò)展接口,進(jìn)一步提高了自報(bào)式水文系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)方案可行,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。



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