陳德順，曹年紅，曹翊軍，朱華明

（南京南瑞集團(tuán)公司 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211106）

水情遙測站是通過傳感器采集水位、雨量、流量、氣象等信息，經(jīng)通信終端將信息上傳給信息中心，目的是及時(shí)、準(zhǔn)確掌握區(qū)域水情、汛情，為實(shí)現(xiàn)洪水預(yù)報(bào)，最大限度減少洪澇災(zāi)害損失以及優(yōu)化調(diào)度，提高水資源利用率達(dá)到興利增效效果提供基礎(chǔ)信息[1]，因此遙測站的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，是整個(gè)水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。

但是，大多數(shù)水情遙測站建設(shè)在人煙稀少的荒山野嶺、河流上游、湖泊邊緣，環(huán)境惡劣，現(xiàn)場一般不具備線供電源，即使具備線供電源，也存在供電穩(wěn)定性低、雷電和電涌保護(hù)困難等問題，需要建立獨(dú)立的供電系統(tǒng)。目前遙測站大多數(shù)仍采用蓄電池供電，輔以太陽能充電[2-3]，因此遙測站的低功耗設(shè)計(jì)[4-5]尤為重要。低功耗設(shè)計(jì)不僅可以減少測站能耗，減低電源配置，還可以減少測站的熱耗，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 遙測站基本功耗分析

遙測站作為水情信息采集、現(xiàn)地顯示和遠(yuǎn)程傳送單元，常見的水情遙測站主要有數(shù)據(jù)采集器、通信終端、傳感器、人機(jī)交互設(shè)備、電源系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。下面依次分析它們的能耗：

1．1 數(shù)據(jù)采集器

圖1 水情遙測站構(gòu)成Fig.1 Structure diagram of the remote measurement station

數(shù)據(jù)采集器作為遙測站的主控設(shè)備，低功耗的管理平臺(tái)，提供數(shù)據(jù)采集、處理和遠(yuǎn)程通信。它的功耗可分成兩部分：

1）值守功耗，即數(shù)據(jù)采集器值守時(shí)功耗，功耗為數(shù)百微安，上電后一直保持。

2）工作功耗，即數(shù)據(jù)采集器工作時(shí)功耗，功耗可達(dá)百毫安，但耗電時(shí)間短，總能耗與它工作時(shí)間和工作頻度有關(guān)。

1．2 通信終端

通信終端是遙測站與信息中心之間的遠(yuǎn)距離通信設(shè)備，通過它上傳水情信息。水情系統(tǒng)支持各種通信組網(wǎng)方式，如GPRS、VHF、PSTN、Inmarsat-C、北斗衛(wèi)星等，因此各種通信終端功耗存在很大差異。目前GPRS和VHF為水情系統(tǒng)二種主用信道，它們典型的功耗為：

1）GPRS終端接收功耗為：10 mA@5 V，發(fā)信功耗為：100 mA@5 V。

2）VHF電臺(tái)接收功耗為：100 mA@12 V，發(fā)信功耗為：5 A@12 V。

通信終端總功耗與發(fā)信時(shí)間和發(fā)信頻度有關(guān)。

1．3 傳感器

水情信息測量傳感設(shè)備。水情信息主要包含雨量、水位、流量以及與水情信息密切相關(guān)的風(fēng)速風(fēng)向、溫度、蒸發(fā)、閘門開度等，待測參數(shù)的種類和數(shù)量因系統(tǒng)需求而異。因測量原理不同導(dǎo)致傳感器也有所不同，如水位測量有浮子式、壓阻式、超聲波式、氣泡式等，水情傳感器種類繁多。

目前最常見、使用最頻繁的傳感器有翻斗式雨量計(jì)、浮子水位計(jì)、壓阻水位計(jì)等。翻斗式雨量計(jì)，為開關(guān)量輸出，功耗可忽略不計(jì)；浮子式水位計(jì)和壓阻式水位計(jì)及其適配器功耗在1毫安之下；大功耗傳感器如氣泡式水位計(jì)功耗可達(dá)2 A@12 V。

1．4 人機(jī)交互設(shè)備

用戶與系統(tǒng)之間互動(dòng)的設(shè)備，主要包含人工置數(shù)、本地顯示裝置、本地通信計(jì)算機(jī)等。受環(huán)境制約，水情遙測站一般無人值守，通常交互設(shè)備不需接入，只有在維修維護(hù)時(shí)才會(huì)使用，而例行維護(hù)僅在汛前訊后各發(fā)生1次。使用系統(tǒng)供電的交互設(shè)備如人工置數(shù)、本地顯示裝置功耗為數(shù)百毫安，單次工作時(shí)長為數(shù)分鐘，工作頻度很低，功耗可不予考慮。

1．5 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)典型配置為蓄電池加太陽能浮充，蓄電池為主電源設(shè)備，太陽能為補(bǔ)充電能的設(shè)備。

蓄電池自身存在自放電，但能耗很小，可以不予考慮；太陽能電池在設(shè)計(jì)時(shí)一般都有防反充電功能，防止夜晚等光線不足時(shí)，蓄電池向太陽能電路反向充電。

1．6 功耗的估算

遙測站功耗與集成的設(shè)備、上報(bào)通信方式、采集信息種類、數(shù)量和方式等因素有關(guān)，因此很難給出遙測站準(zhǔn)確的功耗數(shù)據(jù)，只能粗略地給出功耗在各設(shè)備之間分布情況。根據(jù)上述分析，遙測站功耗主要分布在數(shù)據(jù)采集器、通信終端和傳感器及其適配器上，通過計(jì)算和現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，它們的占比大概為 15%、65%、20%。

2 遙測站低功耗的總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

水情遙測站長期運(yùn)行在野外無人值守環(huán)境，現(xiàn)場條件復(fù)雜，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須遵循如下原則：

1）可靠性

系統(tǒng)的可靠性是系統(tǒng)的生命，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須保證各設(shè)備長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，適應(yīng)現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境，滿足客戶需求，具備抗干擾、防雷和防愚能力，具有智能化檢測和報(bào)警功能。

2）通用性

設(shè)計(jì)研發(fā)一種通用的水情數(shù)據(jù)采集器，作為遙測站集成的平臺(tái)，該平臺(tái)應(yīng)契合水情需求和運(yùn)行環(huán)境，具有操作方便、功能完備，可采集各種水情信息、并可利用各種合適的信道遠(yuǎn)程上傳數(shù)據(jù)。

3）低功耗

全方位減低功耗。從器件級(jí)、線路級(jí)、系統(tǒng)級(jí)硬件以及與之協(xié)同的軟件四個(gè)層面設(shè)計(jì)減低功耗，滿足45天無日照情況下全天候穩(wěn)定工作；

4）先進(jìn)性

設(shè)計(jì)思想應(yīng)保證前瞻性和先進(jìn)性，系統(tǒng)硬件選型應(yīng)保證合理性、實(shí)效性，適當(dāng)考慮可擴(kuò)展性，軟件選型應(yīng)易于維護(hù)、修改和升級(jí)。

2.2 低功耗流程管理

1）數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)；調(diào)研水情需求和運(yùn)行環(huán)境，研制一種通用型低功耗水情數(shù)據(jù)采集器，作為數(shù)據(jù)采集、處理和遠(yuǎn)程通信的平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)客戶各種需求提供前提保障。

2）根據(jù)水情信息測量需求和現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境，完成通信方式和傳感器測量方式設(shè)計(jì)，在滿足需求和可靠性的前提下，權(quán)衡維護(hù)、成本、功耗等因素，選擇最合理的集成方式。

3）通信終端、傳感器的選型；

4）通信方式、采集方式的設(shè)計(jì)；

5）選擇配套的軟件，合理的參數(shù)設(shè)置。

2.3 遙測站低功耗設(shè)計(jì)策略

低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)問題，必須在電路設(shè)計(jì)、軟件編制、功耗管理等各個(gè)環(huán)節(jié)綜合應(yīng)用不同的設(shè)計(jì)策略，在滿足規(guī)范[2.3]的基礎(chǔ)上，達(dá)成維持系統(tǒng)高性能需求同時(shí)降低功耗。

2.3.1 器件級(jí)

1）盡量選用新型低功耗器件。如低功耗MCU（Micro Control Unit）、CMOS 芯片等

2）選用高集成度專用電路，取代低集成度門電路和可編程芯片。

3）優(yōu)選低電壓低頻率芯片；

4）選用低功耗的電源轉(zhuǎn)換器件。

2.3.2 線路級(jí)

1）模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電路分區(qū)和分治：合理劃分電路模塊，根據(jù)其性能要求不同采用不同電源供電；

2）多元的控制電路：可根據(jù)模塊的忙閑情況，合理調(diào)度電源供給，及時(shí)關(guān)閉不工作電源；利用片選信號(hào)停止不工作芯片運(yùn)轉(zhuǎn)；控制門控時(shí)序切斷處于空閑狀態(tài)的模塊和冗余信號(hào)；

3）標(biāo)準(zhǔn)的采集接口：通過設(shè)計(jì)各種專用采集模塊，將各種常見的傳感器接口信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)接口，接入數(shù)據(jù)采集器，目的可以適應(yīng)采集各種傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)可以針對(duì)測站配置，合理選配各種接口模塊，減少因通用性而增加的無用電路模塊接入。

4）優(yōu)化模塊布局：將模塊劃分為內(nèi)部模塊和外部模塊，將必需實(shí)現(xiàn)的基本功能和基本采集量模塊劃分為內(nèi)部模塊，將部分必須具備但種類繁多如采集模塊、遠(yuǎn)程通信模塊劃分為外部模塊，這樣既可以適應(yīng)變化，滿足通用性原則，又可以避免無用模塊接入，避免能量無謂損耗。

5）電路優(yōu)化和時(shí)序優(yōu)化，減少時(shí)鐘線電容和相互干擾；要盡量使器件處于確定的工作狀態(tài)，減少因不必要的跳變和翻轉(zhuǎn)引起能耗，如沒有使用的管腿直接接電源或地。

2.3.3 系統(tǒng)級(jí)

1）權(quán)衡設(shè)備價(jià)格、性能需求、使用環(huán)境、使用習(xí)慣、維護(hù)方便等因素，在滿足需求和可靠性基礎(chǔ)上，以適當(dāng)減低某些次要功能或需求，換取低功耗。

2）外圍設(shè)備電源管理：預(yù)留豐富的外部設(shè)備電源控制接口，方便對(duì)通信終端等大功耗設(shè)備的供電控制；

2.3.4 軟 件

1）在低功耗的硬件平臺(tái)上，充分利用軟件控制，調(diào)度硬件資源，關(guān)閉空閑模塊，啟動(dòng)工作模塊，做到工作有序、動(dòng)作合理、避免額外能耗。

2）模塊化軟件設(shè)計(jì)，將軟件模塊劃分為標(biāo)配軟件和選配軟件，目的使軟件與測站功能更加匹配，減少無用軟件運(yùn)行。

3）低功耗軟件設(shè)計(jì)：具有豐富的遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)采集和處理方式，在必需使用高能耗通信終端和傳感器時(shí)，設(shè)計(jì)采用有別于常用的節(jié)電通信和采集方式。

3 數(shù)據(jù)采集器的低能耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集器作為遙測站的主控設(shè)備，承擔(dān)遙測站整體功耗控制，設(shè)計(jì)時(shí)需要在芯片的選擇、電路的設(shè)計(jì)和程序規(guī)劃中，在維持系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上盡可能減低系統(tǒng)功耗。

3.1 器件的選用

3.1.1 微控制器（MCU）

目前，MCU技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，各種高性能低功耗MCU層出不窮，為設(shè)計(jì)水情數(shù)據(jù)采集器提供了極大方便，綜合考慮低功耗、通用性、可靠性和方便性，本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集器選用ATMEL公司生產(chǎn)的MEGA128L-8AI作為核心芯片[6]，該芯片是AVR 8位微處理，具有高性能、低電壓、超低功耗等特點(diǎn)，內(nèi)部集成了大量擴(kuò)展電路和外部接口，方便電路設(shè)計(jì)。芯片具有多達(dá)6種睡眠模式可供選擇，電源供給和工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)可控制，這就在硬件上為減低功耗提供可能。低功耗設(shè)計(jì)措施是：

1）根據(jù)水情遙測站數(shù)據(jù)處理量不大、測量對(duì)象變化相對(duì)緩慢的特點(diǎn)，適當(dāng)減低MCU的主時(shí)鐘頻率，減低功耗。

2）盡可能采用睡眠運(yùn)行模式以縮短MCU的運(yùn)行時(shí)間，因?yàn)橄到y(tǒng)功耗與MCU工作長短成正比。

3）盡量關(guān)閉MCU內(nèi)部不用的資源。MEGA128L-8AI內(nèi)部的大多數(shù)資源都可以在不用的時(shí)候用軟件關(guān)閉。

3.1.2 其他器件

MCU外圍電路全部采用CMOS芯片和表面封裝的阻容器件。在滿足可靠性的基礎(chǔ)上，優(yōu)選低電壓和低頻工作芯片，可減低線路功耗。因?yàn)殡娫措妷号c功耗成平方關(guān)系，減低電源電壓可以大幅度減低功耗；而CMOS的功耗主要是動(dòng)態(tài)功耗，減低工作頻率，可明顯減低CMOS功耗。

用高集成度專用芯片取替各種門電路和分立電路是減低功耗的一種重要手段，優(yōu)選高集成度芯片不僅可以簡化電路，方便設(shè)計(jì)、提高可靠性，還可以減低器件的負(fù)載電容、減少器件間相互通信，實(shí)現(xiàn)低功耗。

3.2 電路功耗管理方式

模塊化電路設(shè)計(jì)，根據(jù)功能和運(yùn)行特點(diǎn)將數(shù)據(jù)采集器電路劃分成個(gè)各類模塊，分類控制。

按供電時(shí)長可分為：常供電模塊和受控電源模塊；

按模塊區(qū)位分為：內(nèi)部模塊和外部模塊，外部模塊包含通信模塊（Moderm）、顯示模塊、人工置數(shù)模塊、接口模塊等。

3.2.1 常供電模塊及功耗管理

常供電模塊即值守模塊平時(shí)一直處于值守狀態(tài)，承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測功能，一旦檢測到電路有事件（如雨量、水位發(fā)生超閾值變化、定時(shí)器觸發(fā)、人機(jī)交互觸發(fā)等）發(fā)生，觸發(fā)電路啟動(dòng)，喚醒MCU（MCU值守時(shí)處于睡眠模式），系統(tǒng)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。

值守模塊主要包含：隨機(jī)事件檢測模塊、定時(shí)器模塊、常供電源及其轉(zhuǎn)換模塊等。這些電路由于上電后一直處于供電狀態(tài)，因此應(yīng)選用功耗低的元器件如CMOS芯片等。

功耗管理：主要是停止模塊內(nèi)部件的無效操作，通過對(duì)時(shí)鐘和信號(hào)流進(jìn)行控制和調(diào)度，禁止它們進(jìn)入無效電路，使電路中CMOS芯片處于靜止?fàn)顟B(tài)。

3.2.2 受控供電模塊及功耗管理

受控供電模塊主要是指平時(shí)處于睡眠或掉電狀態(tài)，當(dāng)值守電路檢測到有事件發(fā)生，喚醒MCU，MCU器退出睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，全面接管受控電路，MCU根據(jù)喚醒原因，轉(zhuǎn)入下列相應(yīng)功能：

1）傳感器超閾值觸發(fā)，對(duì)超閾值傳感器進(jìn)行采集和處理并帶時(shí)標(biāo)儲(chǔ)存；符合上報(bào)條件，發(fā)信給信息中心；

2）人機(jī)交互觸發(fā)：人機(jī)交互指在遙測現(xiàn)地，用戶與遙測站之間通過操作實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。該觸發(fā)包含本地人工檢測（TEST）、本地通信（如數(shù)據(jù)處理器與人工置數(shù)器、顯示器、本地計(jì)算機(jī)通信）觸發(fā)等；本地人工檢測指按下TEST按鈕，自動(dòng)測量遙測站內(nèi)外參數(shù)，并將測試結(jié)果上報(bào)信息中心；本地通信觸發(fā)后喚醒本地通信電路，根據(jù)人機(jī)交互命令，完成相應(yīng)任務(wù)（如顯示當(dāng)前或歷史數(shù)據(jù)、向信息中心發(fā)送數(shù)據(jù)、提取歷史數(shù)據(jù)等），直至接收到結(jié)束命令。

3）定時(shí)事件觸發(fā)：指內(nèi)部時(shí)鐘超時(shí)觸發(fā)，它可分為定時(shí)測量、定時(shí)接收和定時(shí)上報(bào)等。定時(shí)測量是指根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔對(duì)水情信息進(jìn)行測量、處理并帶時(shí)標(biāo)儲(chǔ)存；定時(shí)接收，主要是針對(duì)電源受控的通信設(shè)備如北斗衛(wèi)星、VHF電臺(tái)等，設(shè)置接收時(shí)間窗口，定時(shí)打開通信終端電源，等待遠(yuǎn)程指令。若接收到指令，響應(yīng)指令完成任務(wù)，否則超出接收時(shí)間窗口后結(jié)束任務(wù)。定時(shí)接收主要應(yīng)用于系統(tǒng)校時(shí)、遙測參數(shù)遠(yuǎn)程更改等。定時(shí)上報(bào)是根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔和條件，向信息中心上報(bào)數(shù)據(jù)；

典型的受控供電模塊有：本地通信模塊、遠(yuǎn)程通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、大功耗傳感器采集模塊，遠(yuǎn)程通信設(shè)備控制模塊、人工置數(shù)/本地顯示裝置控制模塊等。

功耗管理：根據(jù)功能實(shí)現(xiàn)需求，分區(qū)管控電源供給控制它的工作與掉電，或控制芯片片選端口來控制它的工作與休眠，從而節(jié)約電流。

3.2.3 接口電路

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)水情測站都進(jìn)行雨量測量，因此在線路設(shè)計(jì)時(shí)，將翻斗雨量計(jì)設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部采集接口，其它傳感器采集全部劃為外部接口。

雨量計(jì)采集接口設(shè)計(jì)時(shí)，使用RS觸發(fā)器消除干簧管抖動(dòng)對(duì)采集的影響，防止雨量偽增量發(fā)生引起誤報(bào)。

對(duì)于外部采集接口，設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C （Inter-Integrated Circuit）總線，通過研發(fā)與傳感器配套的接口轉(zhuǎn)換模塊 （適配器），將各種傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)I2C總線協(xié)議，供數(shù)據(jù)采集器采集。

功耗管理：雨量接口模塊避免誤報(bào)，其它接口模塊通過合理選配減少模塊接入及對(duì)大功耗傳感器電源控制，控制能耗。

3.2.4 電源電路

為了電源管控，設(shè)計(jì)將蓄電池12 V電源轉(zhuǎn)換為電路所需要的常供電5 V、3.3 V和受控電源12 V、5 V等，根據(jù)模塊需求分區(qū)控制。

1）選用MAX603ESA作為將12 V轉(zhuǎn)換為常供電5 V電路芯片，該芯片典型的靜態(tài)電路僅15 μA，并且具有反向電路保護(hù)和熱過載保護(hù)功能。

2）選用XC6206P3ESA作為將5 V轉(zhuǎn)換為常供電3.3 V電路芯片，該芯片典型的靜態(tài)電路僅1 μA。

圖2 常供電轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Change-over circuit for constant power supply

3）選用IPF5305S場效應(yīng)管作為常供5 V轉(zhuǎn)換為受控5 V和常供12 V轉(zhuǎn)換為受控12 V開關(guān)電源，該場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)源極與漏極間阻抗僅0.06 Ω，驅(qū)動(dòng)的時(shí)候幾乎不產(chǎn)生功耗，在小電流的時(shí)候器件自身發(fā)熱也小。

圖3 受控電源轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Change-over circuit for controlled power supply

4）選用IPF4905S功率場效應(yīng)管作為蓄電池12 V直接轉(zhuǎn)換為受控12 V開關(guān)電源，控制外圍大功率通信終端和傳感器，該場效應(yīng)管導(dǎo)通時(shí)源極與漏極間阻抗僅0.02 Ω，可以允許通過最大電流74 A，最大允許表面熱耗2 W。

圖4 大功率受控電源轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Change-over circuit for large power controlled power supply

電源電路功耗管理主要體現(xiàn)在選用低功耗電源轉(zhuǎn)換器件，為模塊分區(qū)分治提供平臺(tái)。

3.3 遠(yuǎn)程通信方式及功耗管理

遠(yuǎn)程通信是遙測站能耗關(guān)注重點(diǎn)，如何讓通信更有效率，減少不必要的發(fā)信和接收等待，不需要通信時(shí)，盡快進(jìn)入掉電狀態(tài)是遠(yuǎn)程通信方式重點(diǎn)考慮的問題。目前水情系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信方式有3種：自報(bào)式、應(yīng)答式及自報(bào)應(yīng)答兼容式。

1）自報(bào)式分為實(shí)時(shí)條件報(bào)和定時(shí)無條件報(bào)、定時(shí)條件報(bào)。自報(bào)式的一般工作過程為：定時(shí)或水情超閾值觸發(fā)后自動(dòng)測量，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)向信息中心上報(bào)。自報(bào)式工作狀態(tài)時(shí)，通信終端一般是關(guān)閉的，只有向信息中心報(bào)告時(shí)，才自動(dòng)打開，所以自報(bào)式遙測站功耗很低。實(shí)時(shí)條件報(bào)是指超水情閾值報(bào)，定時(shí)無條件報(bào)是指超時(shí)間閾值報(bào)，定時(shí)條件報(bào)是指超時(shí)間閾值的同時(shí)也要超預(yù)設(shè)水情閾值才報(bào)。因此，一般實(shí)時(shí)條件報(bào)報(bào)信次數(shù)最少，功耗最低。

2）應(yīng)答式分為隨時(shí)應(yīng)答和定時(shí)應(yīng)答。隨時(shí)應(yīng)答指可隨時(shí)接收信息中心的指令并作出響應(yīng)。此種方式，通信終端必須時(shí)刻保持在接收狀態(tài)，一直監(jiān)聽信道的情況，檢查是否有招測指令發(fā)給自己，功耗大，裝置配備高，通信規(guī)約復(fù)雜，只適用通信終端守候功耗不大且電源供給與補(bǔ)充方便的情況下使用。對(duì)于遙測站因條件限制，必須使用某些信道（如VHF、衛(wèi)星信道），因其通信終端功耗大，一般可采用定時(shí)應(yīng)答方式，即在指定時(shí)段自動(dòng)開機(jī)等待信息中心指令。

3）自報(bào)應(yīng)答兼容式是自報(bào)、應(yīng)答的結(jié)合。自報(bào)應(yīng)答兼容式一般工作過程為：以自報(bào)方式為主，平時(shí)自動(dòng)測量，自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)向信息中心上報(bào)，同時(shí)，通信終端處于接收狀態(tài)，等候信息中心招測指令。因此，這種通信方式功耗最高。

在滿足系統(tǒng)功能的前提下，對(duì)于稀路由和被測數(shù)據(jù)變化相對(duì)緩慢的水情系統(tǒng)，應(yīng)盡量選用自報(bào)式通信方式，因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、功耗低、維修方便、可靠性高等特點(diǎn)，盡管這些特點(diǎn)是以犧牲人們通信習(xí)慣換取的。

對(duì)于需要校時(shí)或整點(diǎn)報(bào)（如早晚8:00報(bào)）的遙測站，采用定時(shí)應(yīng)答兼自報(bào)式，可以在滿足需求的基礎(chǔ)上很大程度實(shí)現(xiàn)低功耗。

功耗管理：根據(jù)通信方式，對(duì)通信終端電源供給進(jìn)行管控。

3.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件是硬件動(dòng)作的總調(diào)度師，低功耗的硬件平臺(tái)，為軟件設(shè)計(jì)控制模塊、減少無效動(dòng)作實(shí)現(xiàn)低功耗提供了空間。

1）模塊化軟件設(shè)計(jì)，將軟件劃分為基礎(chǔ)功能軟件和擴(kuò)展功能軟件，基礎(chǔ)功能軟件可實(shí)現(xiàn)測站最簡單配置所必需的功能，作為標(biāo)配軟件提供。擴(kuò)展功能軟件可實(shí)現(xiàn)測站各種擴(kuò)展功能，可以根據(jù)測站配置可以靈活選用。因此優(yōu)化了測站軟件運(yùn)行環(huán)節(jié)，縮短運(yùn)行時(shí)間。如各種傳感器的采集軟件、各種信道的通信軟件都可作為擴(kuò)展功能軟件設(shè)計(jì)。

2）充分利用MCU的中斷功能讓MCU周期性的工作和睡眠從而大大降低MCU的工作電流。如MCU需要等待時(shí)，設(shè)置延時(shí)等待時(shí)間，進(jìn)入等待模式，直至超時(shí)觸發(fā)中斷，避免采用軟循環(huán)延時(shí)方式。

3）分區(qū)電源管理，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，僅給需要運(yùn)行的模塊供電，斷開不用的模塊電路，等其需要時(shí)加電，保證供電的效率。

4）設(shè)置最小時(shí)間間隔自報(bào)，目的是緩解自報(bào)通信的隨機(jī)性引發(fā)的信道搶占或同頻干擾，即兩次自報(bào)時(shí)間不小于最小時(shí)間間隔，在此時(shí)間內(nèi)傳感器發(fā)生變化即使?jié)M足上報(bào)條件，數(shù)據(jù)采集器也不上報(bào)，僅負(fù)責(zé)采集并本地存儲(chǔ)。因此該功能設(shè)置不僅可提高通信質(zhì)量，還可以減低發(fā)信功耗。

5）測量參數(shù)預(yù)處理，避免數(shù)據(jù)偽變化，避免向信息中心無效上報(bào)。如通過水位軟件消浪處理。

6）電池狀態(tài)監(jiān)測，一旦電池電壓低于正常工作電壓（本系統(tǒng)設(shè)置為10.8 V），強(qiáng)迫數(shù)據(jù)采集器進(jìn)入電壓告警狀態(tài)。處于該狀態(tài)時(shí)，遙測站僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和告警上報(bào)，停止其它遠(yuǎn)程通信，直至太陽能補(bǔ)充電能，蓄電池恢復(fù)正常電壓為止。

4 傳感器控制

測量時(shí)，針對(duì)電源受控的傳感器如壓阻水位計(jì)、流量計(jì)等，打開受控電源，待傳感器工作穩(wěn)定后進(jìn)行測量，測量完畢后，關(guān)閉傳感器電源。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)水情測報(bào)系統(tǒng)特點(diǎn)，提出遙測站低功耗設(shè)計(jì)的策略和實(shí)現(xiàn)方法，并據(jù)此研發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器在許多水利水電系統(tǒng)中得到應(yīng)用，現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果證明，由該數(shù)據(jù)采集器構(gòu)建的雨量站典型電源配備為蓄電池7AH，太陽能電池10 W/17 V，完全可以滿足VHF信道自報(bào)式或GPRS信道應(yīng)答式數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。該?shù)據(jù)采集器值守時(shí)功耗不高于90 μA，工作功耗不大于50 mA，在45天無日照的情況下可穩(wěn)定工作，系統(tǒng)各性能指標(biāo)超越或達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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