袁 霄 ，潘玉良 ，凌在盈 ，李 凡

(1.杭州師范大學(xué) 遙感與地球科學(xué)研究院，浙江 杭州311121；2.浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311121)

環(huán)境問題是當(dāng)今社會日趨重視的問題之一，通過長期的在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析來反映環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，是為環(huán)境管理、污染源控制以及環(huán)境規(guī)劃等提供準(zhǔn)確、及時(shí)、全面的科學(xué)依據(jù)的一種可靠方法。當(dāng)前人們普遍采用遠(yuǎn)程交互式監(jiān)測技術(shù)對地理位置偏僻、自然環(huán)境惡劣的監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，由現(xiàn)場終端對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。但是現(xiàn)場終端在數(shù)據(jù)傳輸瞬間功耗較大，需要具有足夠的電源才能滿足長期監(jiān)控下的數(shù)據(jù)傳輸，這嚴(yán)重限制了該技術(shù)在布線困難、無人值守的野外復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用。本文以嵌入式ARM微處理器為核心，設(shè)計(jì)了一款具有太陽能光伏充電管理功能的現(xiàn)場終端，將太陽能合理存儲于鉛酸蓄電池中為現(xiàn)場終端提供長期遠(yuǎn)程監(jiān)控所需的能源。

1 整體方案介紹

現(xiàn)場終端以ARM微處理器為核心實(shí)現(xiàn)了充電管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控、儀器數(shù)據(jù)采集等功能，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在充電管理方面，ARM輸出PWM波形調(diào)節(jié)DC-DC電路，管理太陽能電池板對蓄電池進(jìn)行合理充電，同時(shí)采樣得到蓄電池當(dāng)前的電壓值和充電電流值作為控制的反饋輸入。在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面，監(jiān)控中心通過短信發(fā)送連接命令給終端，當(dāng)收到的短信與E2PROM中存儲的連接密碼一致時(shí)，終端主動連接上遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。隨后，監(jiān)控中心可以發(fā)送特定指令對終端進(jìn)行相應(yīng)操作，如控制終端從采集儀器中獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，返回相關(guān)的充電信息等，操作流程如圖2所示。當(dāng)GPRS通訊受阻時(shí)，終端一方面發(fā)送短信通知工作人員及時(shí)維護(hù)，另一方面使用SD卡存儲通訊故障期間的數(shù)據(jù)。此外終端由主、從兩塊蓄電池進(jìn)行供電，正常狀態(tài)時(shí)主電池起作用，而當(dāng)遇到連續(xù)陰雨天氣導(dǎo)致主電池供電不足時(shí)，繼電器切換至從電池工作，并遠(yuǎn)程通知相關(guān)人員盡快趕往現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。

2 終端功能實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場終端由多部分模塊組成，由于部分模塊較為通用，此處主要探討實(shí)現(xiàn)充電管理及遠(yuǎn)程交互的具體方案。

2.1 充電管理實(shí)現(xiàn)

終端通過DC-DC電源變換的方式來實(shí)現(xiàn)充電管理，即利用ARM的ADC通道實(shí)時(shí)采樣電池電壓、充電電流值作為調(diào)整PWM脈寬的輸入量，通過充電算法輸出合理的PWM控制DC-DC電路。對于密封鉛酸蓄電池來說，四階段充電方式[1]可以為其提供在不同狀態(tài)時(shí)合適的充電電壓和電流，從而使蓄電池的容量達(dá)到額定值，延長其壽命。終端在充電前設(shè)置四階段的充電參數(shù)值作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界值，于是當(dāng)蓄電池的電壓低于終止電壓Vch時(shí)，充電器將提供一個(gè)很小的充電電流Itc進(jìn)行充電，即涓流充電狀態(tài)。當(dāng)電池電壓逐漸上升到Vch時(shí)，充電器將提供一個(gè)恒定的充電電流Ibuck，即恒流充電狀態(tài)。直到電池電壓上升到過充電電壓Voc時(shí)，蓄電池進(jìn)入過壓充電狀態(tài)，此時(shí)充電電流逐漸減小至Iotc后，充電器提供一個(gè)恒定的Vf電壓來彌補(bǔ)蓄電池自身放電造成的容量損失。此后，若蓄電池在使用中使電壓下降到Voc的90%，那么充電器自動進(jìn)入涓充或恒流充電狀態(tài)。充電狀態(tài)曲線如圖3所示。

在充電過程中，終端使用PID調(diào)節(jié)方式使各充電階段的維持和轉(zhuǎn)換迅速、平穩(wěn)[2]。將PID控制規(guī)律轉(zhuǎn)換為數(shù)字PID的增量型控制算法來調(diào)整PWN輸出的占空比，使充電電流接近給定值，算法公式如式(1)。

其中 e(n)=給定值-采樣值（濾波），三個(gè)常數(shù) Kp、Ki、Kd可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法或?qū)嶒?yàn)法得到。A/D采樣周期Tad應(yīng)滿足N×Tad＜Ts，Ts為 PWM 的周期。如采樣周期 Tad太大，會使充電管理因不能及時(shí)調(diào)節(jié)而失去控制，這是必須予以避免的。

2.2 遠(yuǎn)程交互實(shí)現(xiàn)

GPRS具有傳輸速率高、接入速度快、永遠(yuǎn)在線、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，但是這種基于IP網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式在數(shù)據(jù)中心異常或基站覆蓋的區(qū)域語音業(yè)務(wù)繁忙時(shí)，都將與終端失去遠(yuǎn)程聯(lián)系。當(dāng)這些情況發(fā)生時(shí)可結(jié)合短信方式來發(fā)送一些緊急的數(shù)據(jù)和消息，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院挽`活性[3]。

終端使用無線模塊MC52i實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互功能。該模塊是西門子公司的一款高性能雙頻(GSM900/1 800 MHz)無線模塊，具有語音、SMS、GPRS和 FAX等移動通訊方面的功能[4]，通過模塊上的板對板連接器與外圍電路進(jìn)行連接即可。如圖4所示，模塊的ASC0接口與ARM的Modem接口連接，而啟動引腳IGT和緊急關(guān)閉引腳EMERGOFF由ARM的IO口控制。

MC52i支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集，并且內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，可輕松連接上Internet網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)終端與數(shù)據(jù)中心之間的遠(yuǎn)程聯(lián)系，極大地縮短了軟件開發(fā)的難度[5]。實(shí)現(xiàn)短信和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)腁T指令操作如下：

（1）短信方式數(shù)據(jù)收發(fā)

發(fā)送指令[AT+CMGF=1]，選擇SMS信息格式為Text模式[6]。然后發(fā)送指令[AT+CMGS="目標(biāo)號碼"]，收到符號">"返回，輸入短信內(nèi)容以"Ctrl+z"(十進(jìn)制ASCII碼為0x1A)結(jié)尾，短信自動發(fā)送。

發(fā)送指令[AT+CNMI=2,1]，設(shè)置新短信顯示模式，收到短信后會有提示信息[+CMTI："MT",＜index>]，根據(jù)收到的＜index>內(nèi)容，發(fā)送讀短信指令[AT+CMGR=＜index>]獲取短信內(nèi)容。

（2）GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)

首先發(fā)送指令[AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"]進(jìn)行PDP上下文定義，然后發(fā)送指令[AT+CGACT=1,1]，對PDP上下文激活。發(fā)送指令[AT+CGREG?]檢測是否登錄上GPRS網(wǎng)絡(luò)，返回[+CGREG：1,5]表示登錄成功，執(zhí)行下一步設(shè)置連接平臺和服務(wù)平臺。設(shè)置連接平臺指令為[AT^SICS=＜conProfileId>，＜conParmTag>，＜conParmValue>]，其中需設(shè)置的＜conParmTag>的參數(shù)包括"conType"、"passwd"、"user"和"apn"。而設(shè)置服務(wù)平臺指令[AT^SISS=＜srvProfileId>，＜srvParmTag>，＜srvParmValue>]中＜srvParmTag>的參數(shù)包括"srvType"、"conId"和"address"。設(shè)置完成后，發(fā)送指令[AT^SISO=1]打開 TCP/IP連接，收到返回[^SISW：1，1]表示已經(jīng)成功連接上數(shù)據(jù)中心。發(fā)送數(shù)據(jù)只需發(fā)送指令[AT^SISW=1，N]，在返回[^SISW：1，N]后輸入 N 個(gè)數(shù)據(jù)，MC52i將會自動發(fā)出。當(dāng)數(shù)據(jù)中心有數(shù)據(jù)發(fā)送過來時(shí)，MC52i返回提示[^SISR：1，1]，發(fā)送指令[AT^SISR=1，N]用于讀取數(shù)據(jù)中心發(fā)送來的數(shù)據(jù)。發(fā)送指令[AT^SISC=1]關(guān)閉TCP/IP連接。

3 整體程序流程

現(xiàn)場終端的程序主要包括遠(yuǎn)程控制、充電管理和應(yīng)急操作三部分。程序框圖如圖5所示。

本文闡述了一種基于ARM平臺，將短信與GPRS協(xié)同式遠(yuǎn)程通訊技術(shù)、太陽能光伏充電管理技術(shù)相集成的數(shù)據(jù)傳輸終端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程交互式環(huán)境監(jiān)測，并且解決了野外終端的供電問題。該終端通過開發(fā)、調(diào)試和測試已投人實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明終端運(yùn)行穩(wěn)定可靠，并且可推廣至無線局域網(wǎng)通訊中解決其功耗問題。

[1]TEXAS INSTRUMENTS.Implementing multi-state charge algorithm with the UC3909 switch mode lead-acid battery charger controller[J/OL](1999-9-5).http：//www.ti.com.

[2]韓俊淑，曾銳利，李長安.PID算法在蓄電池充電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24(9)：48-51.

[3]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.嵌入式GPRS與短信的互補(bǔ)通信方案[J/OL].(2009-11-16).http：//www.zlgmcu.com.

[4]Cinterion.MC52i hardware interface description[J/OL].[2008-8-19].http：//www.cinterion.com.

[5]Cinterion.MC52i AT command set[A](2008-8-19).http：//www.cinterion.com.

[6]盧海濤，侯彤璞，李健.基于GPS和 GPRS的嵌入式汽車定位系統(tǒng)車載終端的開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38(6)：150-153.