邵燦輝，倪維東，伏懷文

（1.國電南京自動化股份有限公司，南京210032；2.南京河海南自水電自動化有限公司，南京210032）

由于水文要素的測量大量用到了翻斗式雨量計、格雷碼浮子式水位計、通訊型雷達水位計、模擬量輸出壓力式水位計、氣泡式水位計等水文儀器，這就要求遙測終端機能夠適應(yīng)各種傳感器測量的應(yīng)用現(xiàn)場，并將所測量的水文數(shù)據(jù)通過GPRS 透傳、北斗短報文、短波電臺等無線手段上傳到水情監(jiān)測中心站，這就對MCU 芯片的運算速度、外圍接口豐富程度、穩(wěn)定性提出了相當高的要求。此次設(shè)計的遙測終端機選用了STM32F091 作為裝置的MCU 芯片，其擁有Cotex-M0 核，高達48 MHz 的運算速度，256 M 的FLASH，以及8 個硬件串口，完全滿足RTU的功能需求[1]。同時采用了16 位的采樣芯片ADS1115完成了多路4～20 mA 電流和0～20 V 電壓的實時測量，保證了其測量精度符合水文規(guī)范要求。由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大量應(yīng)用于水文自動測報系統(tǒng)之中，可以通過手機遠距離來設(shè)置參數(shù)和數(shù)據(jù)讀取等功能就顯得十分必要，新一代的RTU 選用了低功耗藍牙模塊，可以滿足300 m 內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，減少了工程維護人員的工作量。新一代RTU 的測量口和通信口都設(shè)計了先進的防雷電路，大大減少了裝置由于雷擊而損壞的幾率，能夠使裝置持續(xù)穩(wěn)定運行。本文還介紹了雙信道數(shù)據(jù)傳輸和SDI-12 總線讀取數(shù)據(jù)時的工作機制。

1 遙測終端機的硬件設(shè)計

如圖1 所示為新一代遙測終端機的硬件結(jié)構(gòu)圖， 本裝置選用的主處理芯片為ST 公司最新的低功耗芯片STM32F091VCT6。由于其具有較多的IO口、硬件串口和低功耗特性，使其能更好地兼容更多類型的水文儀表[2-3]。本裝置與上位機進行無線通信時選用2 種方式，即通過RS232 口外接無線GPRS、北斗模塊，兩種方式互為冗余確保水情測報系統(tǒng)能更好收到偏遠地區(qū)的水文數(shù)據(jù)。

圖1 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram of RTU

1.1 電源回路

新一代RTU 使用的MCU 工作電平為3.3 V，考慮用到了SDI-12 總線通信和繼電器開出功能，需要提供5 V 電平， 而太陽能充電鉛酸蓄電池輸出電平為9 V～17 V，需要DC/DC 或者LDO 芯片將12 V 電壓轉(zhuǎn)換成5 V 和3.3 V。由于RTU 靜態(tài)功耗要小于3 mA/12 V，所以要求電源芯片轉(zhuǎn)換效率高，輸入電壓范圍寬。如圖2 所示，選用了兩片MIC5236 芯片來實現(xiàn)工作電平的輸出，芯片U1輸出3.3 V，芯片U2輸出5 V。使用了一個場效應(yīng)管Q1和雙向瞬態(tài)抑制管TVS1來防止電源接反，當電源反接時Q1和TVS1均不導(dǎo)通，對RTU 形成了雙重有效的保護。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路Fig.2 Power conversion circuit

1.2 SDI-12 總線電路

隨著水文領(lǐng)域智能傳感器的發(fā)展，采用SDI-12總線標準的傳感器將是主流，能夠接入SDI-12 總線的水文傳感器對RTU 顯得十分重要[4]。SDI-12 總線與RTU 之間由三根線連接，分別是12 V 電源線、5 V數(shù)據(jù)線、GND 線。如圖3 所示，與經(jīng)典的SDI-12 通信電路相比此電路利用MCU 自帶的UART 口、SN74LVC1G240 反向芯片、MOS 管Q6組成。因為總線波特率是1200 Baud，傳統(tǒng)經(jīng)典電路可以利用I/O進行模擬輸出和讀取， 但沒有具備中斷功能的UART 口響應(yīng)速度快。利用SN74LVC1G240 對輸出TX 信號進行反向升壓，并且利用氣體放電管Q20對信號線進行防雷保護。利用U11芯片的DIR 管腳控制數(shù)據(jù)方向，當收到信號時，Q6導(dǎo)通，MCU 將通過中斷接收SDI-12 總線上數(shù)據(jù)。當讀取傳感器數(shù)據(jù)時，需要向傳感器提供12 V 電源，MUC 的普通I/O 口控制Q7的導(dǎo)通，進而控制Q14輸出12 V，Q14是負載能力高達3 A 的MOS 管， 并且利用F18可變電阻對RTU 進行一個限流保護。

圖3 SDI-12 總線通信Fig.3 SDI-12 bus communication circuit

1.3 AD 采樣電路

在水文要素采集的過程中，有相當一部分數(shù)據(jù)是通過電壓電流的形式被RTU 讀取的，所以RTU必須具備對4～20 mA 電流和0～20 V 電壓采樣的能力。常見的壓力式水位計經(jīng)常放置于河道之中，受雷電影響比較嚴重，由于接入到RTU 之中，容易導(dǎo)致RTU 損壞。本RTU 創(chuàng)造性的利用繼電器隔離原理來防止雷電對RTU 的影響。如圖4 所示，由于RTU模擬量測量通道較多， 僅以測量電流信號量為例。當無需測量時， 外部信號接入繼電器的空觸點，沒有與RTU 內(nèi)部電路相連，雷電并不會損壞裝置。當需要讀取電流信號時，MCU 通過普通I/O 口控制Q4讓繼電器的線圈導(dǎo)通，讓外部信號線接入到A/D 采樣電路之中，整個采樣過程不超過100 ms，被雷擊可能性大為降低，提高了RTU 和傳感器生存能力。

圖4 繼電器隔離電路Fig.4 Circuit of relay isolation

為了實現(xiàn)測量高精度和高分辨率，在該測量系統(tǒng)中選取性價比高的ADS1115，16 位高精度采樣芯片，通過IIC 異步串口與STM32F091 進行數(shù)據(jù)通信。ADS1115 芯片不僅具有很高采樣精度，還可以提供穩(wěn)定的內(nèi)部基準電壓源。由于ADS1115 芯片還具有內(nèi)部的信號放大功能，在信號測量電路中省略了信號放大電路，避免了不必要的因信號放大而產(chǎn)生的信號諧波。如圖5 所示，R31和R43的電阻值分別為950 kΩ 和50 kΩ，R32為100 Ω 的高精度電阻。電流或電壓信號均可以接入此電路，當接入0～20 V電壓時，通過R31和R43來進行分壓。如接入4～20 mA電流信號時，則電流接近全部流過R32，R32兩端電壓就等于R31和R43的兩端電壓。通過此電路測量的數(shù)據(jù)精度全量程均在1‰以上，并且十分穩(wěn)定。

圖5 A/D 采樣電路Fig.5 Circuit of A/D sampling

1.4 藍牙無線模塊電路

當裝置初始出廠調(diào)試和工程人員巡檢遙測站點時， 可以利用手機APP 藍牙連接功能與RTU 中的藍牙模塊進行程序下載和參數(shù)設(shè)置。RTU 自帶的藍牙無線模塊可以讀取現(xiàn)地水文數(shù)據(jù)并記錄存儲。本裝置使用的是低功耗藍牙模塊，具備無通信時休眠功能， 支持空中升級固件和配置遠程模塊信息。無需接線測量，方便了工程人員讀取數(shù)據(jù)，特別是當遙測站點在工程人員不容易到達的地方時，無線讀取數(shù)據(jù)顯得尤為重要[5]。如圖6 所示為藍牙無線模塊電路， 只需要通過串口與其通信數(shù)據(jù)即可，節(jié)省了底層硬件驅(qū)動的編寫。

圖6 藍牙無線模塊電路Fig.6 Bluetooth wireless module circuit

2 嵌入式軟件設(shè)計

水情遙測站點一般建設(shè)在人煙稀少之地，手機信號不理想。隨著我國手機移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)覆蓋面的擴大和資費的降低， 無線主通道主流選用的是GPRS 傳輸。而無線備用信道選用的是民用北斗短報文通信。

隨著北斗定位系統(tǒng)的建設(shè)完成，其定位信號已經(jīng)覆蓋全球。民用北斗最小發(fā)送間隔為1 min，而無回復(fù)發(fā)送成功標志。由于北斗是直接與衛(wèi)星進行通信的，其待機和發(fā)送功率比較大，在蓄電池供電的系統(tǒng)中，一般讓其作為備用信道，并且在不通信時給其斷電。如圖7 所示為以GPRS 為主信道北斗為備用信道的通信流程[6]。由于GPRS 通信間隔時間短，功耗不大，可以用作主信道，長供電，讓其隨時具備接受上位機指令的能力，當事件觸發(fā)RTU 發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先是GPRS 發(fā)送，如果發(fā)送失敗延時一段時間后再發(fā)送一次，確保GPRS 發(fā)送的成功率。如果確實無回復(fù)信息，就啟動北斗，而北斗只需延長幾秒鐘等待北斗模塊發(fā)送流程完成，無需判斷上位機是否收到數(shù)據(jù)。

圖7 主備通信流程圖Fig.7 Flow chart of serial communication

3 結(jié)語

新一代遙測終端機不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)的水文數(shù)據(jù)讀取和存儲，并且由于其體積的減小、重量的減輕、藍牙無線功能的增加，降低了工程人員的維護工作負荷。其自身所帶的多串口和SDI-12 總線功能更加提高了裝置的兼容性，體現(xiàn)了裝置以好用為本的宗旨。該裝置充分利用了STM32 芯片強大的處理能力和豐富的片外資源，完成了數(shù)據(jù)的測量、通信、裝置的低功耗， 實現(xiàn)了電池待機時間長工作穩(wěn)定。該裝置已經(jīng)在金沙江上游水情自動測報系統(tǒng)中得到了成功的應(yīng)用，其超低的功耗、高低溫適應(yīng)性、長時間運行的穩(wěn)定性得到了業(yè)主單位的認可。