作者：桂林電子科技大學信息與通信學院 謝君 趙利

本文介紹了一種新型自報式低功耗水文遙測系統(tǒng)的設計方法與實現方案，在分析了自報式低功耗水文遙測系統(tǒng)的工作原理、主要特點和基本功能的基礎上，介紹了基于PIC16F877單片機的水文遙測終端機的設計與實現方案，包括工作體制、傳感器選擇和通信協議的設計，以及硬件電路設計與實現和軟件結構與程序流程。
雨情、水情信息是防汛決策及水利調度的基礎信息，及時、準確地采集、傳輸，處理江河、水庫、水電廠及城市的雨情、水情信息，建成防汛指揮及水調自動化系統(tǒng)，可保證預報決策、防汛安全、合理使用水資源，最終達到防汛減災、合理調度、經濟運行、興利增效的目的。
自報式水文遙測系統(tǒng)能在無人值守情況下，自動收集雨量、水位和其他水文參數的實時數據并自動報送所采集的數據，得到廣泛應用。傳統(tǒng)水文遙測終端多采用MC-51單片機做為控制芯片，集成度低，設計較為煩瑣，外圍電路較復雜。PIC單片機是MICROCHIP公司近年來推出的新型單片機系列，本文以PIC16F877單片機作為數據采集終端機核心控制芯片，設計一種新型的水文遙測系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、指令集精簡、抗干擾性好、可靠性高、擴展性強等特性，用PIC單片機設計水文遙測系統(tǒng)終端機較傳統(tǒng)51單片機的設計更加靈活，外圍電路更精簡。

水文自動測報系統(tǒng)的基本組成
系統(tǒng)由終端機（遙測站）、中繼站（信息傳輸通道）以及中心站三部分組成。組成結構如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)組成示意圖


終端機通過傳感器自動實時地進行水位及雨量數據的采集，并通過無線電臺向中心站發(fā)送數據，通常用超短波頻段，功率5～25W，當通信距離超過50km，或有高山阻擋時，可設置中繼站，進行再生轉發(fā)，中心站接收數據后可進行數據分析及處理。


水文自動測報系統(tǒng)的系統(tǒng)總體功能
數據接收、處理：實時接收遙測站的雨情、水情等信息；自動檢查數據幀格式，并進行合理性判斷；加注時標，自動存儲。


應答、查詢：定時或人工查詢下屬站點的雨情、水情等信息及其工作狀態(tài)。


數據庫管理：包含原始數據庫、歷史數據庫、預報或成果數據庫的形成、檢索、查詢等。


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


洪水預報及優(yōu)化調度：包括洪水預報參數初始化、參數 設置/修改、定時預報、脫機估報、水庫優(yōu)化調度，成果存儲、輸出。


連網通信：可接入局域網或廣域網實現數據共享，可實現多計算機串行通信，通過電話線可實現數據傳輸。


狀態(tài)告警：根據設定的告警雨量、水位值，可實現自動聲光告警，并可通過電話線實現電話語言報警。

水文遙測終端機設計
1 工作方式選擇
目前，水文遙測系統(tǒng)有三種工作方式：（1）自報式：每當被測的水文參數發(fā)生一個單位變化時，遙測站自動采集發(fā)送一次數據；（2）應答式：中心站自動定時或隨機呼叫遙測站，查詢其水文數據；（3）兼容式：既具有自報功能，又具有應答功能，在水文數據無變化、中心站未發(fā)送查詢請求時系統(tǒng)返回低功耗狀態(tài)?？紤]到用戶需求、系統(tǒng)工作環(huán)境和特點，以及對低功耗和高可靠性的要求，本系統(tǒng)選擇采用自報式工作方式。


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，微控制器對這些數據進行采集，然后進行相應的處理。雨量傳感器采用翻斗式雨量計，分辨率為1mm；水位傳感器采用浮子式水位計，分辨率為1cm。


3 通信協議設計
通信速率為300b/s。FSK副載波頻率符合CCITTV21或V23標準。異步通信幀格式：1位起始位，8位信息位，1位奇校驗位，1位停止位。


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


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



圖2 RTX與TXD的時序圖


4 硬件電路設計與實現
終端機采用PIC16F877作為核心芯片，具有以下優(yōu)勢：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時典型值小于20μA，典型穩(wěn)態(tài)電流值小于1μA，UART可擴展RS-485、發(fā)送數據以及編程擴展，I2C接口可作編程擴展，EEPROM可作數據資料寄存器，ADC可作欠壓檢測、掉電檢測以及外部模擬量輸入擴展，并有監(jiān)控定時器WDT避免系統(tǒng)死機，芯片集成度高，整個板子只須另加RS-485驅動和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計電壓轉換電路?？紤]到FM發(fā)射機需要+12V供電，且降壓電路易于實現，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來實現+12V～+3.3V的電壓轉換。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗電壓調節(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，非常良好的負載及線路調節(jié)特性，適合做低功率電壓源。


該設計留有壓力式水位計擴展接口，可用于今后有擴展需求時進行使用。通過DIP編程開關可設置該機是否清零,定時發(fā)送水位還是雨量以及終端機站址的設置。為了方便維護,在設計中增加了強發(fā)功能,按動[send]鍵后,則終端機進入發(fā)送狀態(tài)。此時發(fā)送過程與定時發(fā)送一樣。硬件電路圖如圖3所示。



圖3 終端機電路圖


5 軟件設計與實現
整個程序采用模塊化結構，分為主程序和中斷程序，包括基本的CPU時鐘和外圍模塊的初始化，以及各功能模塊的實現，如數據采集、數據處理、通信等。


主程序執(zhí)行對定時器、串行通信等的初始化，系統(tǒng)的升級，收集、整理、發(fā)送數據等進程，最后進入省電模式，以中斷服務喚醒CPU，主程序流程圖如圖4所示。



圖4 主程序流程圖


中斷服務主要有雨量計數、水位數據采集、定時發(fā)送進程。定時從水位計上將水位數據讀入,并加以分析,依分析結果確定是否把所讀入的水位數據寫入帶有保護的數據存儲區(qū)并發(fā)送。同樣，當雨量信號到來時，雨量數據寫入數據存儲區(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

中心站的功能與結構
中心站由實時監(jiān)控服務器、數據庫服務器、通信設備、電源系統(tǒng)、防雷設施、軟件系統(tǒng)等組成，含中心軟件及洪水預報軟件，能夠集中遙測系統(tǒng)內各終端機的水文數據。



圖6 中心站拓撲結構示意圖


中心站主要完成以下功能：
● 實時顯示水文信息。
● 實現各水文站、遙測站的雨量、水位信息的接收和存儲。
● 實現水文水資源信息省中心或防汛部門、自動測報系統(tǒng)中心的自動傳輸。
● 提供實時水情分析及水情預警服務。
● 對站點任意時間的水位、雨量、日雨量和累計雨量信息的查詢。
● 對所形成各種水文要素資料整編成表。

結論
本設計和研究主要目的是為了進一步優(yōu)化水文遙測系統(tǒng)的性能，通過使用這種新型芯片設計，降低遙測終端機功耗，實現終端機外圍電路最簡化，并留出了軟件更新以及附加硬件設備的擴展接口，進一步提高了自報式水文系統(tǒng)的性能。實驗結果表明，設計方案可行，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，達到了預期目標。