2.2 模塊設計
　　(1)主控制器：ATmega88V單片機作為采集器的微控制單元，內置1 KB SRAM以及512 B的EEPROM存儲器，免去了外部存儲器，1.8 V～5.5 V寬泛的工作電壓。為了節(jié)省功耗，單片機工作在32.768 kHz 的系統(tǒng)時鐘頻率下。
　　(2)時鐘日歷模塊：MAX690芯片作為時鐘日歷模塊，由獨立的3 V電壓的紐扣電池供電，與CPU進行實時通信，CPU查詢時間確定采集器的工作狀態(tài)。
　　(3)壓力傳感器：采用國產的KY型壓力傳感器，集成電壓變送器，工作電壓為10.5 V～15 V，輸出信號為1 V～5V，量程為0 m～100m
　　(4)A/D轉換器: 使用的是AD7921，12位A/D轉換器，SPI串行接口，它由電壓基準芯片AD780提供2.5 V的供電電壓和參考電壓。
　　(5)信號調理：采用通用雙運放LM2904調理傳感器輸出信號和電池電壓信號送給A/D轉換器。LM2904的供電電壓由LT1613提供(12 V)，對壓力變送器的1 V～5 V信號進行調理，首先前級為跟隨器，運放的輸出用一個電位器分壓得到0.5 V～2.5 V信號，第二路信號為電池電壓信號，同樣的將池組電壓VCC的可能的最大值(7 V)調整為小于A/D轉換的滿度值電壓(2.5 V)。兩路信號送給A/D轉換器進行數字量化。
　　(6)電源管理：4節(jié)5號電池串聯(lián)，取其中2節(jié)電池為單片機供電，用IRFU220與IRFU9530構成2個推挽輸出由單片機的GPIO選擇性地為測量部分(包括壓力傳感器、A/D轉換器、信號調理電路)和GSM模塊供電。在推挽輸出后用一個LT1086穩(wěn)壓后為GSM模塊提供3.6 V電源，由LT1613升壓型電路芯片為傳感器/變送器和模擬信號調理電路提供12 V電源。
　　(7)GSM模塊：采用Wavecom公司的GR64模塊，與單片機的接口為異步串行接口，編程時采用AT指令對模塊進行設置、會話以及打包數據和發(fā)送信息。
2.3 測量誤差分析

3  軟件設計
3.1  工作過程簡述
　　在設備開啟后，單片機會執(zhí)行各功能模塊的初始化程序，之后從時鐘日歷芯片中讀取當前的日期和時間，之后判斷此時刻是否超過設定的測量時刻，如果超過測量時刻則進入測量狀態(tài)，此時單片機會開啟對測量電路的供電，延時等待傳感器穩(wěn)定后，會連續(xù)采集100次數據存入RAM中。采集后測量電路供電將關閉，經過中值濾波法求得最終保留的數據，再將數據保存到單片機片上的EEPROM中。當程序判斷當前時間超過了上傳的時刻，則會開啟GSM模塊，等待GSM模塊入網后先接收供電然后將要發(fā)送的數據按照AT指令打包，并以短信的形式發(fā)給目的設備。如果數據發(fā)送超時，單片機將會把滯留的數據包存放在單片機內部的EEPROM中等待下一次上傳。最后關閉GSM模塊又回到循環(huán)時間的查詢狀態(tài)。
　　數據采集頻率為1日2次，在測量時刻到來時，CPU啟用升壓電路為壓力傳感器和信號調理電路供電，啟動A/D轉換器供電，采集壓力傳感器數據和電池電壓數據后，關閉供電電路，進行數據處理，測量結果保存在單片機內部的EEPROM中?？赏ㄟ^命令修改數據上傳時間。為了節(jié)省數據總線上的功耗，時間讀取不是實時的，用定時器中斷服務程序進行讀取，每分鐘讀取1次。上傳的數據總是前一天測得的數據。
　　在程序運行的整個過程單片機內部的看門狗計數器被一直啟用，用于監(jiān)視采集器的正常工作，如果死機或程序執(zhí)行混亂，看門狗定時器會使單片機復位。
3.2 程序流程圖
　　程序流程圖如圖2所示

3.3 協(xié)議設計
　　AT指令集是 ETSI (歐洲通信技術委員會 ) 發(fā)布的一種移動平臺與設備終端的通用接口指令 , 其中包含對SMS的控制[7]。采集器向上位機系統(tǒng)傳輸數據的內容包括功能碼、日期時間和采集到的數據。每一字節(jié)數據為ASCII碼形式。協(xié)議包括2個部分：
　　(1)采集器上傳報文的格式(除去AT指令):DT(數據說明)_上傳時間_測量日期_時間1_水深(單位:m)_時間2_水深(單位:m)#(結束)，以一個數據示例的文本形式為：DT_2008/11/09/16:00_2008/11/08_02:00_23.40_14:00_23.10_16:00#。此數據的內容是上傳時間為2008年11月9日16:00，2008年11月8日，2:00時水深23.40m14:00時，水深23.10m。
　　(2)上位機系統(tǒng)對采集器發(fā)送命令的報文的格式(除去AT指令) ：ST(設置說明)_設置日期及時間_時間1_水深(單位:m)_時間2_水深(單位:m)_上傳時間#(結束)，以文本的形式表示則為：ST_2008/11/08/09:00_05:00_20:00_14:00#。此數據的內容是時間設置為2008年11月8日9點，2次采集時間設置為5:00和20:00,上傳時間設為14:00。
　　在發(fā)送這條短信后采集器下一次發(fā)送短信的目的地址自動調整為該地址。
4 實際測試
4.1 數據傳輸
　　在數據傳輸的測試中調整程序，使每隔半小時就上傳一次數據，中途隨機發(fā)送對采集器設置的信息，設置的上傳時間忽略不計，表1所列是接收450個短信息中的一部分。

　　表中，346和347號數據表明在2008/11/09/14:00時GSM模塊發(fā)生了入網超時，信息發(fā)送不成功，在14：30時原先發(fā)送失敗的數據被重新成功發(fā)送。
　　在450個數據傳輸測試的過程中出現(xiàn)入網超時率為0.67%，數據丟失率為0。進行過50次設置，設置失敗率為8%，但是后期延長超時時間后，測試100次，設置失敗率降為2%。
4.2 能耗測試
　　(1)靜態(tài)等候：單片機工作在32.768 kHz時鐘下電流消耗小于20μA，測量電路和GPRS模塊處于斷電狀態(tài)，供電推挽輸出為低電平時MOS管的漏電流小于10μA，時鐘日歷芯片獨立供電基本可以連續(xù)工作8年以上，將不計入功耗分析。每天24h運行，一天的能耗共計720 μAh。
　　(2)測量： LT1613消耗1 mA的自身工作電流，傳感器工作時消耗的電流為10 mA(12V)，實測5 V供電時從電池組吸取25 mA的電流，電壓基準源消耗1 mA，A/D轉換器工作時消耗3 mA。測量的整個過程小于300 ms，每次測量共計消耗2.4 μAh的電能。
　　(3)數據上傳：GSM模塊在發(fā)送數據時電流為500 mA，接收數據時為20 mA,靜態(tài)時為2.5 mA， GSM模塊獨立測試過程中，一次數據上傳過程小于20 s，大約需要消耗200 μAh的電能。
　　綜上所述，一天測量2次上傳1次的工作過程共消耗0.925 mAh的電能。如果用電量為800 mAh的堿性電池可連續(xù)工作800天以上。但是由于電池保質期和電池本身的自放電，再加上電量低水平時的內阻，可以保證至少一年正常工作。
　　此采集終端靜全天正常工作的耗電量為0.925 μAh，采用4節(jié)AA型堿性電池可維持一年以上連續(xù)正常工作，測量誤差小于0.16%，與上位機系統(tǒng)通信協(xié)議接口簡單、可靠性高。能夠較好地滿足地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)的需要。