徐 建

(湖北民族學(xué)院 信息工程學(xué)院,湖北 恩施 445000)

水情自動測報系統(tǒng)是利用智能傳感器、對水文信息進(jìn)行實時遙測、采集、傳送和預(yù)處理的一種專門系統(tǒng)，是有效解決河流或水庫防洪調(diào)度、洪水測報及水資源合理利用的先進(jìn)設(shè)備.作為水利信息化的發(fā)展方向，水情智能測報以水文信息采集為基礎(chǔ)，以GPRS無線技術(shù)為通信手段，在江河流域和水庫的安全渡汛以及水資源合理利用和開發(fā)等方面都發(fā)揮重要作用.本文設(shè)計的水情測報系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)、GPRS無線通信技術(shù)以及抗干擾等技術(shù)，能夠監(jiān)測多種水文信息，并實現(xiàn)水文信息的預(yù)處理、存儲、查詢、傳輸功能以及報警等功能[1].

圖1 終端系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為實現(xiàn)終端系統(tǒng)的通用性，本文將水情測報系統(tǒng)設(shè)計成電源管理模塊、核心板、輸入板、輸出板四個功能模塊.電源管理模塊需要實現(xiàn)為核心板、輸入板、輸出板供電以及需要實現(xiàn)蓄電池的充放電功能；核心板需要實現(xiàn)指令的接收、信息的處理、存儲、查詢、自報、報警等功能；輸入板需完成的功能為實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集、處理、傳輸功能；輸出板需要實現(xiàn)對多種執(zhí)行單元進(jìn)行控制.系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖2 核心板結(jié)構(gòu)圖

1.1 電源管理模塊的設(shè)計

電源管理模塊是水情測報系統(tǒng)的一個重要組成部分，其直接關(guān)系到終端系統(tǒng)的性能，例如抗電壓抖動能力、無市電時連續(xù)正常工作時間等.對于市電供電充足時，終端供電方式可采用市電或者市電、蓄電池混合供電方式，但是大多數(shù)時候終端工作在野外現(xiàn)場，這時如何保證終端系統(tǒng)長時間穩(wěn)定的電源供給就變得尤為重要.在本文中，采用由太陽能、鉛酸蓄電池供電方式，同時預(yù)留了市電供電方式，太陽能用來給蓄電池充電，這種設(shè)計方案的優(yōu)點是在不用更換電源模塊的情況下就能適應(yīng)市電供應(yīng)充足的應(yīng)用場合，增加了系統(tǒng)的靈活性[2].本文中采用開關(guān)模式的鉛酸蓄電池充電器集成電路UC3909作為充電電路的核心控制器.此芯片電路模塊包含一個差分電流檢測放大器，精度為1.5%的參考電壓，一個-3.9 mV/℃熱敏電阻線性電路，電壓電流誤差放大器，一個脈寬調(diào)制振蕩器，一個PWM比較器，一個PWM封鎖器，充電狀態(tài)解碼器，一個100 mA的集電極開路輸出驅(qū)動器.

1.2 核心板的設(shè)計

核心板的設(shè)計須滿足先進(jìn)性、可靠性、集成度高、可擴(kuò)展性、在系統(tǒng)編程(ISP)、運算速度快等特點，同時為了提升系統(tǒng)的功能及系統(tǒng)的靈活性，以及便于開發(fā)系統(tǒng)軟件和降低開發(fā)周期.綜合考慮，核心板采用高性能的ARM7處理器LPC2378作為主控制器，核心板主要實現(xiàn)以下幾個功能：①與輸入板進(jìn)行通信，獲取墑情、水位、流量、雨量等信息；②與輸出板進(jìn)行通信，控制相關(guān)電磁閥的動作等；③可將雨量、墑情、水位、流量等信息存儲在NAND FLASH中；④可通過GPRS將數(shù)據(jù)信息傳回中心站；同時可接收中心站下發(fā)的指令，并執(zhí)行相關(guān)動作.核心板硬件平臺的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

1.3 輸入板和輸出板的設(shè)計

為了能測量多路水文信息及采集多種水文信息，在本系統(tǒng)中設(shè)計了一個獨立的數(shù)據(jù)采集功能模塊─輸入板.輸入板和輸出板均采用高性能的ARM處理器LPC2366作為主控制器，能夠提高終端系統(tǒng)的性能，簡化系統(tǒng)電路，以及減小系統(tǒng)體積.輸入板主要負(fù)責(zé)采集墑情、水位、流量、雨量等信息，同時采用CAN或RS485總線方式與核心板進(jìn)行通信.輸出板需要實現(xiàn)控制繼電器或電磁閥的動作，且可通過RS232接口與PC機(jī)進(jìn)行通信.

2 智能遙測終端系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計

2.1 功能模塊之間的通信方式

當(dāng)前在水文測報系統(tǒng)方面，核心板與擴(kuò)展板之間一般采取IO擴(kuò)展方式，IO擴(kuò)展不能很好地應(yīng)對干擾問題，同時需要占用一部分IO資源.因此在本系統(tǒng)設(shè)計中，輸入板與核心板之間的通信方式采用CAN總線通信方式，同時預(yù)留RS485總線通信方式作為備選方案，一旦CAN總線模塊出了問題，還可以用RS485總線進(jìn)行通信，這樣有利于減少維修的次數(shù)，降低更換設(shè)備的頻率，減少成本，以及提高工作站的使用效率和靈活性.同理，輸出板與核心板之間的相互通信方式也采用CAN總線通信為主，RS485總線通信為輔.

2.2 終端系統(tǒng)與中心站之間的通信方式

近幾年來，隨著GPRS數(shù)傳技術(shù)的崛起及推廣，建立起一個基于GPRS的廉價的高可靠的測控網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實.本文設(shè)計的基于GPRS的組網(wǎng)方式是中心站利用Internet公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP的方法[3].中心站公網(wǎng)固定IP方式的特點為通信速度較快，組網(wǎng)方便，可以利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源以便減少系統(tǒng)建設(shè)投資，運行可靠穩(wěn)定.在本系統(tǒng)中，GPRS無線模塊采用的是SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300C模塊.LPC2378采用UART1與SIM300C進(jìn)行通行，其中GPRS-EN(P2.8)、DTR1、TXD1和RTS1引腳經(jīng)過緩沖器74VHC126與SIM300C相連，GPRS-EN引腳與SIM300C的PWRKEY引腳相連，74VHC126具有2KV的ESD防護(hù)功能，其接口電路如圖3所示[4].

GPRS模塊要想接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，需外接SIM卡.SIM300C模塊支持1.8 V和3.0 V供電的SIM卡.SIM卡可選8腳或6腳的SIM卡，在本設(shè)計中采用6腳SIM卡.其電路如圖4所示，在靠近SIM卡座的地方加了TVS管，保護(hù)4個信號引腳[5].

圖3 GPRS模塊接口 圖4 SIM卡電路

表1任務(wù)優(yōu)先級

Tab.1 Task priority

任務(wù)優(yōu)先級由高到低優(yōu)先級任務(wù)4啟動任務(wù)5GPRS接收任務(wù)7雨量采集任務(wù)9RS232接收任務(wù)11消息數(shù)據(jù)處理任務(wù)13CAN通信任務(wù)15RS485通信任務(wù)17ZLG/FS任務(wù)19NAND讀寫任務(wù)21U盤任務(wù)23發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)25GUI顯示任務(wù)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的系統(tǒng)軟件是基于uC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)，uC/OS-II操作系統(tǒng)是基于任務(wù)調(diào)度來運行程序，因此需要將這些可執(zhí)行程序單元進(jìn)行分類以組合成一個個任務(wù).任務(wù)劃分的好壞將影響軟件設(shè)計的質(zhì)量，甚至影響到系統(tǒng)軟件設(shè)計的成敗[6].

在本系統(tǒng)中進(jìn)行任務(wù)劃分時，首先依據(jù)設(shè)備依賴性任務(wù)劃分法可得到GPRS MODEM任務(wù)、RS232任務(wù)、RS485任務(wù)、CAN任務(wù)、鍵盤處理任務(wù)、顯示任務(wù)、數(shù)據(jù)采集任務(wù)、雨量采集任務(wù)，水位采集任務(wù)，NAND FLASH讀寫任務(wù)，U盤任務(wù).

依據(jù)關(guān)鍵性、緊迫性原則可知GPRS、RS232接收任務(wù)是關(guān)鍵任務(wù)且是緊迫任務(wù)，從系統(tǒng)功能來看，GPRS接收任務(wù)的關(guān)鍵性緊迫性高于RS232接收任務(wù)，因此RS232接收任務(wù)優(yōu)先級低于GPRS任務(wù)；雨量采集任務(wù)的實時性要求比較高，處理速度非常快，且不會頻繁執(zhí)行雨量采集任務(wù)，最重要的是雨量采集任務(wù)只在核心板單獨使用且無輸入板時才創(chuàng)建，有輸入板時，雨量采集放在CAN、RS485通信任務(wù)中，雨量的采集工作交給輸入板去做，依據(jù)快捷性，將雨量采集任務(wù)優(yōu)先級設(shè)為高于RS232任務(wù).CAN、RS485任務(wù)都采用半雙工工作方式且他們工作也不頻繁，且CAN、RS485任務(wù)根據(jù)系統(tǒng)配置表只創(chuàng)建其中一個任務(wù)，CAN、RS485任務(wù)處于發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)上游，U盤任務(wù)使用的的機(jī)會最少，因此USB任務(wù)優(yōu)先級很低，發(fā)送數(shù)據(jù)時CPU是主動方，慢一些也可以，只要將數(shù)據(jù)發(fā)出去就可以，因此發(fā)送任務(wù)優(yōu)先級可以設(shè)置得較低些，GUI顯示任務(wù)實時性要求比較低，可將其優(yōu)先級設(shè)置為最低.根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級安排原則[7]并進(jìn)行綜合考慮，可得到各任務(wù)優(yōu)先級，如表1所示.

4 系統(tǒng)的通信測試

通過系統(tǒng)設(shè)計方案構(gòu)建的硬件平臺來測試終端系統(tǒng).用一臺PC機(jī)(PC1)作為TCP SERVER服務(wù)器的載體，另一臺PC機(jī)(PC2)用來顯示終端連接TCP/IP的狀態(tài)及處理命令后的結(jié)果.首先將核心板的RS232串口接到PC2的COM1上，然后將一RS485通路通過RS485/RS232的轉(zhuǎn)換器接到PC2的COM2上，COM1用來顯示核心板連接TCP/IP的狀態(tài)以及向核心板發(fā)送命令情況，COM2用來模擬輸入輸出板，通過COM2可看到核心板打包發(fā)送給輸入輸出板的命令，以判斷核心板解析并打包命令是否正確，同時還可通過COM2發(fā)送數(shù)據(jù)給核心板，然后通過COM1可以看到結(jié)果；另一通信測試鏈路為終端系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與TCP SERVER服務(wù)器相連.模擬平臺搭建好之后，啟動TCP/SERVER和終端系統(tǒng)，終端系統(tǒng)連上GPRS網(wǎng)絡(luò)之后，就主動連接TCP服務(wù)器并自報終端系統(tǒng)的身份.通過測試結(jié)果表明，終端系統(tǒng)正常啟動之后，連接GPRS網(wǎng)絡(luò)和TCP服務(wù)器都正常，系統(tǒng)通信方案設(shè)計合理可行.

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計方案采用了高性能的ARM7芯片作為核心處理器，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)，采取四個功能模塊獨立設(shè)計，不但滿足了系統(tǒng)的靈活性，又避免了單塊板設(shè)計的龐大復(fù)雜性，同時避免了各個功能單元之間的相互干擾，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性.通過構(gòu)建的硬件平臺測試，系統(tǒng)基本功能全部實現(xiàn)，且具有很好的通用性和擴(kuò)展性.本系統(tǒng)在故障判斷及應(yīng)對出錯處理方面還未涉及，這將是下一步研究的重點.

[1]張佳明，胡榮強(qiáng).基于ARM的水情測報系統(tǒng)設(shè)計[J].科技信息,2009(4):256-257.

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[3]金建樂.水情自動測報系統(tǒng)通信方式[J].電力系統(tǒng)通信，2005,154(26)：73-76.

[4]曹衛(wèi)，董航飛，李宗寶.GPRS技術(shù)在水利監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].排灌機(jī)械，2007，25(5)：39-42.

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[6]周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[7]Andrew N.Sloss,Dominic Symes.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)——軟件設(shè)計與優(yōu)化[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.