低功耗嵌入式水情遥测终端的设计

引言

随着水资源越来越紧缺，生态水文的建设也越来越受到重视。水情测报是水文信息化基础项目之一，也是生态水文建设的一个重要环节。它通过现场传感器采集到的水位、雨量、流速等信息，利用无线或有线通信方式，在监测中心站实现对现场水情状况的实时监测。水情遥测终端(RTU)在水情测报中起着及其重要的作用，性能稳定可靠、低功耗、功能完善、通用性强的水情遥测终端，才能满足水文信息化、生态水文建设对水情信息采集的要求。

在现有的水情测报RTU产品中，比较多的是用单片机系统来实现，也有一些是采用基于ARM和μCOS操作系统来实现的，但存在系统性能不稳定、功耗过高、通用性不强、可靠性不强等缺陷。本文采用AT89S8252芯片设计了一款功耗低、性能稳定可靠、通用性强的水情测报遥测终端，在水情自动测报站点中的使用达到水文信息化的技术要求。

1 系统总体设计

系统在硬件电路设计采用主从结构，即：主模块(RTU)满足水情测报终端的基本功能要求；从模块是基于不同水情测站的技术要求而扩展的一些功能模块，从而提高了RTU扩展灵活性和通用性。

2 硬件设计

低功耗水情遥测终端采用AT89S8252芯片，它带有8K的FLASH和2K的EEPROM。硬件逻辑结构上由水位接口电路、雨量接口电路、电源电路、编程器电路、通信接121电路(RS485、RS232和超短波电台电路)、片选电路、看门狗以及实时时钟电路组成。硬件逻辑结构图如图1所示。

系统采用浮子式WFH-2型全量机械编码水位计和翻斗式JDZ-05型雨量计，水位接口电路和雨量接121电路分别与它们相匹配。


图1 硬件结构图

2．1电源电路设计

为实现系统低功耗功能，在电源电路上分为值守电源电路和受控电源电路进行设计。

值守电源电路向WDT、RTC、雨量接口电路以及CPU供电；受控电源电路向通信接口电路(RS485、RS232和超短波电台电路)、片选电路及水位接口电路供电。

遥测终端在值守状态下，CPU处于掉电工作模式，只有WDT、RTC以及雨量接口电路处于工作状态，其它外围电路部分处于断电状态，此时数传终端的值守电流<lmA。当CPU处于工作状态时，启动受控电源电路，通信接口电路、水位接口电路以及片选电路受电进入工作状态。

2．2通信接口电路设计

根据目前水情测报的技术要求．以及未来发展趋势，在RTU上设计了RS485、RS232、超短波电台=三种通信接口。从模块通过这三种通信接口与RTU进行通信。实现了RTU的灵活扩展和通用性增强。

通过RS485可以挂接一些水情采集类模块等；通过RS232可以和自由串口类模块进行通信(比如GPRS、GSM、无线射频模块等)，使RTU满足不同通信要求的应用；超短波电台通信方式目前还使用比较广泛，所以单独设计超短波电台接口电路，以满足在使用超短波电台发送数据的地区使用。

由于AT89S8252芯片只有一个UART口，所以在三种通信接口前增加了一个片选电路，通过片选电路来实现三种通信方式的不同应用场合，增加了RTU使用的灵活性。

2．3编程器电路设计

键盘以及显示电路都设计在编程器电路中，以从模块的结构方式和RTU进行通信。系统设置的参数存储在AT89S8252芯片的2K的EEPROM中。编程器也通过片选电路和RTU通信，采用串口通信方式。编程器通过握手信号使RTU从掉电模式进入工作模式，从而实现对RTU进行参数设置、数据显示、发送数据等功能。

3 软件设计

RTu低功耗的特性，主要通过软件控制来实现，软件流程图如图2所示。


图2软件流程图

RTU平时工作在掉电模式，通过外部中断方式唤醒进人工作状态。AT89S8252CPU的中断0分配给雨量电路，中断1分配给RTC。

雨量接口电路信号中断唤醒CPU，使R11J进入工作状态，发送完雨量信号后立即又使BTU进人值守状态。

RTC每秒中断一次唤醒CPU，使CPU进入工作模式，判别是否有编程器握手信号，若有则通过串口和编程器通信：1．参数设置模式时，受控电源电路关闭，外围电路不工作，仅仅只有编程器和CPU通信进行参数设置；2发送、显示数据模式时，受控电源电路开启．RTU进入工作状态，采集水情参数并通过串口发送到编程器上显示并发送到上位机。然后判别系统定时工作时间是否到达，若到达则开启受控电源电路，RTU进入工作状态。

4 结束语

本文作者的创新点：设计了受控电源电路，实现了水情遥测终端的低功耗，稳定性可靠；设计了RS485、RS232、超短波电台j=种通信接I=1，实现了RTU的灵活扩展和通用性增强，满足了不同通讯方式的应用场合。

建湖水情自动测报项目采用该RTU，在实际的运用中，取得了良好的效果。该水情自动测报项目中给该RTU配备的蓄电池为100Ah，太阳能为15W，采用超短波通信方式进行数据传输。在值守状态下RTU值守电流<lmA，尤日照工作时间为30-60天，系统性能稳定。自2007年4月建成投入使用以来无故障发生，数据接收正常，取得了良好的应用效果。

低功耗水情遥测终端的研制，完全满足目前水情自动测报的技术要求，该水情遥测终端已经应用于江苏、广东、福建等一些水利部门和水库的综合项目中．系统性能可靠稳定，在这些综合项目中发挥着应有的作用，产生的经济效益已达百万元之多。由于其功耗低和扩展的灵活性，在未来的无线通信技术发展下也有着广阔的应用前景。

作者：江伟国    来源：《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第6-2期