水情数据搜集程序低功耗设计

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随着我国农业的飞速发展以及国家对农业基础设施投资力度的逐步加强，水库水情尤其是远程水情的数据采集使用人工观察记录上报的模式已暴露出种种缺陷，越来越显得与水库信息化不相适应，采用远程水情数据采集系统已经成为一种趋势。远程水情数据采集系统是水库信息化系统的一个部分，其有效的实施能解决人工观察记录水情不连续、低效率以及人为因素的弊端，且具较高的可靠性和稳定性。由于实际使用环境的要求和现代电子系统的普遍取向，是否具备良好的低功耗设计是决定该系统能否成功应用和推广的一个关键问题，因此对其研究和探讨具有重要意义。

一、水情数据采集系统的基本结构

水情数据采集系统主要由TC301水位传感器、雨量传感器、水情采集处理终端、闸门控制系统、RS485总线、远程传输介质、上位机等部分组成。系统结构图如图1所示。在每个数据采集单元放置一个采集终端，采集库区水位、库区雨量、水温、水流等相关水情数据。采用RS485总线方式实现库区采集终端的联网。由于RS485通信距离可达1千米以上，所以保证了库区现场机房机可以对分布在库区各处的采集终端进行统一数据采集以及闸门等控制操作。在水库枢纽管理处的机房安装有PC机，服务器等，通过电话线和调制解调器与库区现场机房进行数据交换，实现远程水情数据采集和控制，并可通过宽带接入总局机房和国家水利网等。

二、系统硬件的低功耗设计

在水情数据采集系统中，TC301水位传感器使用自带6V电池供电，由若干个传感器串接起来，可以进行数据采集，处理，存储，显示，报警及远程通讯等，支持RS485总线通信，其一直处于工作状态，功耗是一定的。而采集终端工作模式是每天固定的3个时间点进行数据采集工作，与TC301传感器及上位机进行通讯，因此采集终端的低功耗性能是决定系统能否长期使用的关键，因而低功耗设计主要体现在采集终端上。采集终端是典型的单片机应用系统。由于水情数据采集系统在每次采集数据时只需一定极短的时间，且每天有固定的时间点进行集采，因此在数据采集时间以外，采集终端就可以处于休眠的低功耗状态。同时在整个系统的设定时间点，采集终端又要将每天的采集数据上报于上位机，此时系统需要较快的传输速率。所以所谓的低功耗其实就是采集终端在系统即没有与传感器进行通讯，又没有与上位机通讯时的低功耗工作模式设计。采集终端由单片机MSP430F5148、显示模块、时钟模块、RS485通讯模块和电源模块等几部分构成。采集终端原理框图如图2所示。MCU低功耗的芯片有很多，在此我们选用TI公司的MSP430系列中最新推出的MSP430F5148单片机，该新款是基于闪存的产品系列，是具有超低功耗性能的16位单片机。在1.8V-3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块。超低功耗低至：0.1ΜaRAM保持模式；2.5Μa实时时钟模式165Μa/MIPS；工作模式在5μs之内快速从待机模式唤醒。MSP430单片机具有超低的功耗，一般就整个系列来说，具有如下的特点：(1)MSP430系列单片机的电源电压范围是在1.8-3.6V之间；(2)灵活的时钟使用模式；(3)高速的运算能力，16位的RISC构架，125ns指令周期；(4)丰富的功能模块；(5)FLASH存储器，不需要额外的高电压就在运行中由程序控制写擦除；(6)快速灵活的变成方式，可以通过JTAG和BSL两种方式向CPU内装载程序。MSP430单片机的时钟系统也是实现低功耗的特别之处。MSP430根据型号的不同最多可以选择使用3个震荡器。我们可以根据需要选择合适的振荡频率，并可以在不需要时随时关闭振荡器，以节省功耗。这3个振荡器分别为：（1）DCO数控RC振荡器，它在芯片内部，不用时可以关闭；（2）LFXT1接低频振荡器；（3）XT2接450KHZ-8MHZ的标准晶体振荡器。低频振荡器主要用来降低能量消耗，如使用电池供电的系统，高频振荡器用来对事件做出快速反应或者供CPU进行大量运算。MSP430的3种时钟信号：MCLK系统主时钟；SMCLK系统子时钟；ACLK辅助时钟。（1）MCLK系统主时钟。除了CPU运算使用此时钟以外，外围模块也可以使用，MCLK可以选择任何一个振荡器所产生的时钟信号并进行1、2、4、8分频作为其信号源；（2）SMCLK系统子时钟，供外围模块使用；（3）ACLK辅助时钟，供外围模块使用。MSP430基本上有6种工作模式，包括1种活动模式AM和5种低功耗模式LPM0～LPM4。其中AM耗电最大，LPM4耗电最省，在实时时钟模式下，可达2.5Μa，在RAM保持模式下，为0.1Μa。另外工作电压对功耗的影响：电压越低功耗也越低。系统PUC复位后，MSP430进入AM状态。在AM状态，程序可以选择进入任何一种低功耗模式，此时CPU停止工作，外围电路继续工作。然后再适当的条件下，由外围模块的终端使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式选择进入相应的低功耗模式，如此类推。通过软件对内部时钟系统的不同设置，可以控制芯片处于不同工作方式。整个时钟系统提供丰富的软硬件形式，已达到最低的功耗并发挥最优的系统性能。具体设计为：1.使用内部时钟发生器无需外接任何元件；2.选择外接晶体或陶瓷谐振器，可以获得最低频率和功耗；3.采用外部时钟信号源。

三、系统软件的低功耗设计

本采集终端工作采用模块化设计。由主程序和中断服务程序组成。使用C语言进行设计编程。主程序设计框图如图3所示。该采集终端配有相应的数据处理软件，当与上位机进行数据交换时，首先在上位机上运行数据处理软件，向采集终端发出断请求。采集终端响应中断，执行相应任务。采集终端每日在早、中、晚三个时间点对TC301水位感应器进行实时水位数据采集，采集到的数据存储在数据存储模块中，同时可以在显示屏上进行相关数据的显示，便于现场库区的水位人工核对和实地巡查。每日在凌晨时间段由上位机对采集终端进行数据收集，并形成单日报表。

四、结论

该数据采集终端已在某水库自动化项目中得到初步的实验应用，由于主要使用电池供电，避免了电源干扰，提高了长期可靠性。实验证明采集终端工作稳定，数据准确，使用方便。完全满足库区对水情采集系统可靠、节能、准确和方便的使用要求。