張志堅，唐躍平，劉 敏，智永明，2，尹新沆

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

基于射頻的低功耗水利水文信息采集系統(tǒng)設(shè)計

張志堅1，唐躍平1，劉 敏3，智永明1，2，尹新沆1

（1.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心江蘇 南京 210012；3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

本文設(shè)計了一種基于SI4463射頻芯片的無線數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集終端選用MSP430F149為核心微處理器芯片，選用SI4463作為射頻通信主芯片，實現(xiàn)對雨量、水位、土壤水分等水文信息的短距離無線傳送。本設(shè)計主要有硬件和軟件兩部分，軟件設(shè)計部分重點講了低功耗和時間同步問題。該數(shù)據(jù)采集終端具有低功耗、低成本、可靠性高等特點。

射頻；MSP430單片機；低功耗；SI4463；時間同步

近些年國內(nèi)水利水文行業(yè)信息化系統(tǒng)初成規(guī)模，其中包括江河流域水文站點、大型灌區(qū)等。隨著科技的進步，無線傳輸方式已逐步代替有線傳輸方式完成水文、土壤墑情等信息的傳送。長距離通常使用GPRS、CDMA無線通信模塊完成上下位機的通信，這種方式過分依賴于電信運營商，電信運營商收費較高，成本是持續(xù)性的，不適合短距離通信。由此短距離通信技術(shù)在灌區(qū)等需要在局部范圍內(nèi)布置多站點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的場合倍受親睞，短距離通信技術(shù)例如Zigbee技術(shù)、WiFi技術(shù)、射頻通信技術(shù)等，由于Zigbee和WiFi技術(shù)傳輸距離通常在200～300米左右，而基于SI4463的射頻模塊通信距離為1 000 m以上，在水利水文信息的短距離通信系統(tǒng)中應(yīng)用前景廣闊。

隨著電子科技的飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計已經(jīng)成為相關(guān)電子產(chǎn)品

最重要的指標(biāo)之一。節(jié)能、環(huán)保是國家和社會普遍關(guān)注的問題，為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，提高電的使用效率，全世界范圍內(nèi)，從芯片制造商到應(yīng)用商，從芯片設(shè)計到嵌入式外圍電路設(shè)計都在努力實現(xiàn)低功耗，低功耗設(shè)計已然成為電子產(chǎn)品設(shè)計的終極目標(biāo)之一。

1 采集系統(tǒng)設(shè)計

采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出整個系統(tǒng)中PC機處在最上層，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K節(jié)點。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送終端（RTU）通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與主控機通信，RTU通過232串口與上位機（中心模塊）通信［1］。

中心模塊（上位機）的作用是通過射頻通信方式接收終端模塊（下位機）采集到的數(shù)據(jù)，存儲后通過RTU發(fā)送至主控機。一個中心模塊理論上可以同多個終端模塊通信，將所在網(wǎng)絡(luò)的下位機采集到的數(shù)據(jù)匯集、存儲并最終發(fā)送到主控機。

圖1 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Wireless data acquisition system structure diagram

下位機電路具有多種接口，可以接收頻率信號，模擬量信號，脈沖信號等，下位機通過中斷方式接收上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)請求命令，接到命令后將采集到的數(shù)據(jù)通過SI4463射頻模塊發(fā)送到上位機。上位機和下位機的微處理器均選擇MSP430F149單片機，該單片機性能強大且功耗很低。

中心節(jié)點和終端節(jié)點在MCU的控制下同步喚醒，完成數(shù)據(jù)采集、發(fā)送和接收，MCU基于時鐘芯片完成同步校時，保證終端節(jié)點和中心節(jié)點的同步喚醒，確保數(shù)據(jù)的正常采集、發(fā)送和接收。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)備包括主控機、RTU以及RTU后端的上位機和下位機，其中主控機和RTU分別選用PC機和大品牌的RTU模塊即可。RTU后端的上位機（中心模塊）和下位機（終端模塊）在硬件電路設(shè)計上沒有區(qū)別，使用同樣的電路板，但實現(xiàn)功能所運行程序不同。上下位機電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 上下位機電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Master and slave machine circuit design assumption diagram

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊電路構(gòu)成

數(shù)據(jù)采集模塊硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，MCU選用超低功耗單片機MSP430F149，MCU配有存儲芯片和時鐘芯片［2］，存儲芯片選用AT24C512C，512K的存儲空間彌補單片機存儲空間較小的缺陷，其通過I2C總線連接到單片機；時鐘芯片選用常用的DS1393為終端模塊和中心節(jié)點的同步喚醒做時間基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集模塊集成了雨量計信號采集電路、AD信號接口、水位計信號接口（頻率信號）、土壤墑情傳感器接口、RS232和RS485串口等信號接口，方便多種水利水文信息的采集。

2.2 電源控制模塊

芯片的工作電壓和工作頻率是實現(xiàn)低功耗的兩大主要因素。為了實現(xiàn)低功耗，電源電路設(shè)計了3.3 V供電電壓，單片機及其外圍接口芯片均選用3.3 V的工作電壓標(biāo)準(zhǔn)，整個電路板采用4節(jié)1.5 V電池供電，電源控制模塊核心芯片選用AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓器。

2.3 無線通信模塊

以SI4463是一款高性能的射頻芯片（RFIC），輸出功率為20 dBm，靈敏度為-126 dBm，通信距離達(dá)1 000 m以上，超低功耗表現(xiàn)為，在掉電模式30 nA（4.21 ms），待機模式50 nA；接收電流10/13 mA、最大發(fā)射電流85 mA。以SI4463為核心的射頻模塊已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品可以購買使用，需要注意的是在主板繪制PCB時預(yù)留間距為1.27 mm的12孔插口與單片機相連接，特別注意的是插孔應(yīng)預(yù)留在主板的邊緣，遠(yuǎn)離單片機等其他芯片，SI4463與單片機的通信方式是模擬SPI，模擬SPI即不用在硬件上連接單片機的SPI口而是通用IO口模擬SPI串口的工作方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這種方式特點是具有很高的可擴展性［3］。

2.4 幾種信號采集電路設(shè)計

2.4.1 雨量計信號采集電路

MCU接收到雨量計信號是開關(guān)量信號，信號調(diào)理電路選擇74HC123D單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器作為信號處理芯片，作用是將輸入的開關(guān)量信號整形為方波信號以便單片機讀取。其電路圖如圖3所示。

2.4.2 頻率信號采集電路

頻率信號主要是水位計信號，頻率信號從先通過鎖存芯片 74HC373鎖存，之后通過 5.0～3.3 V的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245將信號電平轉(zhuǎn)換為與單片機相匹配的電平，電路圖如圖4所示。

圖3 雨量計信號采集電路Fig.3 Gauge signal acquisition circuit

圖4 頻率信號采集電路Fig.4 Frequency signal acquisition circuit

3 軟件設(shè)計

3.1 前后端模塊軟件設(shè)計

軟件架構(gòu)主要分為兩個模塊，第一個是前端通信模塊，第二個是后端通信模塊，分別對應(yīng)于硬件電路中的終端節(jié)點和中心節(jié)點，其硬件設(shè)計完全相同，軟件功能各異。前端模塊負(fù)責(zé)雨量計、水位計、土壤墑情信息的采集和接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送；后端模塊負(fù)責(zé)前端模塊數(shù)據(jù)的接收與存儲，并發(fā)送到數(shù)據(jù)采集終端，同時發(fā)出校時命令與對前端模塊的時間進行校準(zhǔn)。

后端模塊和前端模塊以主從關(guān)系進行通信，即后段通信模塊為主機，前端通信模塊為從機。

3.2 低功耗模式控制

3.2.1 單片機低功耗模式控制

MSP430F149單片機是一款低電壓［4］，超低功耗單片機，在正常工作模式下280μA@1 MHz，待機模式下1.6 μA，掉電模式下0.1 μA，具有5級節(jié)電模式［4］。

MSP430單片機提供了一種活動模式和 5種低功耗模式，分別為：活動模式AM，低功耗模式0（LPM0）、低功耗模式1（LPM1）、低功耗模式2（LPM2）、低功耗模式3（LPM3）、低功耗模式4（LPM4）。

以上6種工作模式由CPU的狀態(tài)寄存器SR的控制位SCG0、SCG1、OscOff、CPUOff配置決定。通常情況下通過軟件設(shè)定CPU于某種低功耗狀態(tài)下，當(dāng)需要時即可使用中斷將CPU喚醒，完成工作后又可以進去休眠狀態(tài)［5-6］。

各種工作模式下單片機的耗電情況如圖5所示。

圖5 單片機各種工作模式下的耗電情況Fig.5 Power consumption of the microcontroller under various working mode

3.2.2 SI4463射頻模塊低功耗模式控制

射頻模塊主芯片SI4463是一款具有多種工作模式的射頻芯片，包括發(fā)送模式（TX State）、接收模式（RX State）、準(zhǔn)備模式（Ready State）、SPI工作模式（SPI Active State）、睡眠模式（Sleep State）、待機模式（Standby State）、掉電模式（Shutdown State）。

射頻模塊核心芯片SI4463的各種工作模式下耗電情況如圖6所示。

基于SI4463的射頻模塊軟件上配有封裝好的低功耗模式函數(shù)，方便調(diào)用。當(dāng)主板CPU處于低功耗狀態(tài)時，射頻模塊也處于低功耗狀態(tài)，主板CPU被喚醒之后，由主板CPU喚醒射頻模塊，使模塊進入準(zhǔn)備模式，完成工作后，CPU設(shè)置射頻模塊進入睡眠模式，最后主板CPU進入相應(yīng)的低功耗模式。

喚醒射頻模塊程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（0）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（0）；

設(shè)置進入睡眠模式程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（1）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（1）；

圖6 射頻模塊各種工作模式下的耗電情況Fig.6 Power consumption of RF module under various operating modes

3.2.3 功耗計算

1）工作模式下：

2）休眠模式（低功耗）下：

單片機MSP430低功耗模式選擇LPM3，此模式下電流為1.6 μA。

3）更換電池時間計算：

一個小時內(nèi)整個模塊每15分鐘啟動一次，即一個小時啟動4次，每次工作時間10 s，即總工作時間是40 s，其他時間模塊均處于低功耗狀態(tài)。

供電電池選用4節(jié)容量為2 050 mAh的5號電池。設(shè)H為小時，Y為年，計算結(jié)果如下：

即4節(jié)容量為2 050 mAh的5號電池可以供給數(shù)據(jù)采集模塊約1年半的時間。

3.3 前后端模塊時鐘同步實現(xiàn)

時鐘同步是射頻通信實現(xiàn)低功耗運行的關(guān)鍵技術(shù)，通過時鐘同步來實現(xiàn)多臺射頻通信模塊同時上電工作，工作完成后即進入休眠模式，降低設(shè)備功耗。時鐘同步由后端通信模塊為主，通過校時命令對前端通信模塊進行校時操作，從而實現(xiàn)時鐘同步。其軟件流程如圖7所示。

前端模塊和后端模塊時間同步需要加時間補償，設(shè)補償時間為T，補償時間由兩部分組成：第一部分是后端模塊發(fā)送時間參數(shù)時加的延時時間，設(shè)此時間為Td；第二部分為數(shù)據(jù)的傳輸時間設(shè)為Tt，包括單片機與射頻模塊的SPI通信時間和信號在空中傳輸?shù)臅r間，分別設(shè)為Ts和Ta。

圖7 時鐘同步流程圖Fig.7 Clock synchronization flow chart

即補償時間為0.2 s。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要講了上位機和RTU后端部分的設(shè)計，上位機和RTU部分搭配現(xiàn)有的平臺即可。

中心模塊和終端模塊在硬件設(shè)計上并無大區(qū)別，區(qū)別在軟件上，中心模塊相當(dāng)于中繼端，一個中繼端可以帶多個終端模塊。在硬件設(shè)計上有幾點要注意。

1）調(diào)試實驗階段，電路板的供電使用變壓器供電，即電路板上預(yù)留5 V的直流電源接口，以節(jié)省試驗階段的開支。產(chǎn)品階段則使用電池供電，去掉實驗階段的直流電源接口。

2）SI4463射頻模塊是封裝好的標(biāo)準(zhǔn)模塊，設(shè)計電路母版時在距離電源電路、時鐘電路較遠(yuǎn)的電路板邊緣預(yù)留射頻模塊接口，避免信號干擾。

3）射頻模塊天線采用外接式天線安裝到設(shè)備箱外部，方便安裝同時保證信號強度和抗干擾性。

本設(shè)計選用超低功耗單片機MSP430F149和低功耗射頻模塊SI4463模塊，同時通過軟件控制單片機和射頻模塊的工作模式使各個模塊在工作模式和低功耗模式之間有效切換，以實現(xiàn)整個下位機部分的低功耗設(shè)計。

［1］張勝波，馬小軍，詹俊.基于nFR401的無線多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.單片機開發(fā)與應(yīng)用，2007（23）:96-98.

［2］謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎(chǔ)與實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［3］王志勇，孫順遠(yuǎn)，徐保國.基于SI4463的低功耗無線窖池測溫系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.計算機測量與控制，2014（22）: 519-524.

［4］沈建華，楊艷琴.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］杜娟.基于MSP430F149低功耗模式的設(shè)計與應(yīng)用［J］.低壓電器，2006（10）:21-24.

［6］潘盛輝，郭毅鋒，黃麗敏，等.基于MSP430F149的手持式RFID讀寫器低功耗設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008（11）: 51-53.

Design of low power consumption of hydrological information collection system based on radio frequency

ZHANG Zhi-jian1，TANG Yue-ping1，LIU Min3，ZHI Yong-ming1，2，YIN Xin-hang1
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210012，China；2.Research Center on Hydrology and water resources monitoring of the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；3.College of Water and Hydropower Engineering of Hohai University Nanjing 210098，China）

This paper describes the design of a wireless data acquisition module based on SI6643 RF-chip.Data acquisition terminal uses MSP430F149 as the main microprocessor chip，SI4463 is chose as the main chip of RF communication，achieve the short distance transmission of the hydrological information which include the rainfall，water level，Soil moisture and so on.This design mainly has two parts:hardware and software，the software design part focus on low power consumption and time synchronization.This data acquisition terminal has some characteristics as follow:low power consumption，low cost，high reliability and so on.-

RF；MSP430；low power consumption；SI4463；time synchronization

TN98

A

1674－6236（2016）04-0175-04

2015-05-19 稿件編號：201505171

水利部公益性行業(yè)專項（ZA1513001）；河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目（2014B26014）作者簡介：張志堅（1987—），男，甘肅環(huán)縣人，助理工程師，碩士。研究方向：自動化、嵌入式研究。