文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.012
中文引用格式： 溫立民，巨永鋒，朱旭，等. 基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(2)：46-49.
英文引用格式： Wen Limin，Ju Yongfeng，Zhu Xu，et al. Research on low-power consumption collector for triangular-notch weir stormwater runoff on the basic of Cortex-M3[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：46-49.
0 引言
地表坡面徑流數(shù)據(jù)采集在高速公路泥石流和農(nóng)業(yè)灌溉土壤墑情研究及應(yīng)用中起著重要作用，但目前對(duì)地表坡面徑流采集、處理和控制手段存在功能簡單、功耗高等諸多問題[1-2]。通常情況下坡面徑流采集設(shè)備是野外無人值守，安裝現(xiàn)場通常情況下需太陽能供電，這對(duì)采集系統(tǒng)的功能穩(wěn)定性、功耗提出了更高要求。由于太陽能供電的設(shè)備在連雨天無法滿足要求，能否設(shè)計(jì)出低功耗的坡面徑流采集裝置保證在連雨天存儲(chǔ)的電量滿足系統(tǒng)運(yùn)行，成為了坡面徑流采集系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵[3-6]。本文以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103系列芯片搭建便攜式坡面徑流采集硬件平臺(tái)，經(jīng)安裝測試，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，功耗低，適合于野外無人值守的坡面徑流信息采集。
1 低功耗坡面徑流采集器總體框架
1.1 三角堰坡面徑流量采集模型
三角形堰的流體流量公式[7]：
式中，qv是三角形堰的徑流量(m3/s)，h是實(shí)測水頭(m)。若三角形開口角度θ一定，水流量由實(shí)測水頭h決定，因此測量出水位h即可計(jì)算出通過三角堰界面的流量，即坡面水徑流量。
1.2 采集器硬件框架設(shè)計(jì)
坡面徑流采集器以STM32為主控芯片，采用STM32 的串口0（uart0）與上位機(jī)通信（通信格式如表1），串口1-4（uart1-4）由485總線接若干個(gè)傳感器，用于接收傳感器數(shù)據(jù)。這些傳感器分為4個(gè)水位傳感器組（組1-組4，如圖1所示），每組中傳感器的最大個(gè)數(shù)不超過8個(gè)，每個(gè)傳感器有自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)，各節(jié)點(diǎn)通過Modbus協(xié)議與主芯片通信。485通信線為4芯，其中兩根是電源和地，主芯片通過I/O口控制開關(guān)管可以開啟和關(guān)閉組內(nèi)傳感器電源，以節(jié)省功耗開銷。采集器配置有一個(gè)RTC時(shí)鐘生成電路，一塊2.8寸TFT LCD彩屏并擴(kuò)展一個(gè)SD卡。RTC時(shí)鐘產(chǎn)生當(dāng)前的時(shí)間；LCD顯示與用戶交互；SD用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)和時(shí)間，用戶可方便地通過SD卡將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。
水位采集傳感器采用數(shù)字型傳感器，其通信協(xié)議為Modbus_RTU協(xié)議。如表2所示，每個(gè)傳感器可作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)掛接在數(shù)據(jù)RS485總線。
2 坡面徑流采集器硬件設(shè)計(jì)
2.1 采集器LCD顯示模塊接口硬件設(shè)計(jì)
液晶顯示模塊主控制器為ILI9341，其與STM32接口如圖2所示，STM32可通過SPI總線對(duì)液晶初始化。STM32芯片集成了FSMC總線接口控制器，本文將LCD模塊看成SRAM掛接在FSMC總線上。液晶接口模塊用到了FSMC總線的16位數(shù)據(jù)總線(數(shù)據(jù)傳輸格式RBG為5:6:5)，片選線FSMC_NE, 寫線FSMC_NE，讀線FSMC_NOE和地址線FSMC_A10，F(xiàn)SMC_A10是 STM32對(duì)ILI9341數(shù)據(jù)和命令的區(qū)分引腳，可實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳輸。
2.2 坡面徑流采集器存儲(chǔ)電路的硬件設(shè)計(jì)
本文擴(kuò)展了SD存儲(chǔ)卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，SD存儲(chǔ)卡與STM32的接口如圖3所示。STM32采用SPI總線方式與SD卡通信，SPI采用三線制，SPI2_CLK、SPI2_MISO和 SPI2_MOSI，加上一根片選和讀寫允許線，就可方便地實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳輸，且讀寫時(shí)鐘可達(dá)2 MHz。
3 坡面徑流采集器軟件功能設(shè)計(jì)
（1）水位采集和存儲(chǔ)
采集器按采集間隔設(shè)置輪詢4個(gè)傳感器組，采集到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)打包存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)包由16 B組成（如表3所示）。數(shù)據(jù)包分為3個(gè)部分：采集包頭、采集時(shí)間和數(shù)據(jù)。包頭分采集序號(hào)、組號(hào)等，采集時(shí)間為7 B的BCD碼，記錄了當(dāng)前采集時(shí)間，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為2 B(低字節(jié)在前)。
（2）坡面徑流采集器菜單功能
為降低功耗，坡面徑流采集器設(shè)置了5個(gè)主要菜單功能，如圖4所示。包括休眠時(shí)間間隔設(shè)置、存儲(chǔ)時(shí)間間隔設(shè)置、刪除數(shù)據(jù)、下位機(jī)校時(shí)、時(shí)間設(shè)置。休眠時(shí)間是根據(jù)用戶需要設(shè)置休眠時(shí)間(設(shè)置范圍為6 min～2 h)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間是根據(jù)用戶需要設(shè)置存儲(chǔ)時(shí)間間隔（設(shè)置范圍為30 s～1 h）。
（3）休眠選擇功能
休眠流程圖如圖5所示，如果選擇休眠功能，則采集器將按設(shè)定時(shí)間間隔自動(dòng)進(jìn)行休眠與喚醒。如果不選擇休眠功能，采集器不進(jìn)入休眠。此功能是休眠時(shí)間設(shè)置的前提，只有選擇了此功能，休眠時(shí)間設(shè)置功能才能生效。
4 坡面徑流采集器功能測試
采集器整體實(shí)物圖如圖6所示，由前面板、底板和液晶模塊組成。前面板上設(shè)置有5個(gè)按鍵，用于功能選擇；液晶模塊設(shè)置兩個(gè)界面，一個(gè)是采集界面，一個(gè)是菜單界面。采集界面用于顯示當(dāng)前水位實(shí)時(shí)值、采集間隔、系統(tǒng)時(shí)鐘等；菜單界面設(shè)置了采集間隔時(shí)鐘、休眠時(shí)間間隔設(shè)置等功能，通過按鍵選擇可在菜單項(xiàng)間切換。
4.1 采集功能測試
采集器可按菜單設(shè)置的采集間隔對(duì)底層量水堰傳感器進(jìn)行輪詢發(fā)請(qǐng)求，各節(jié)點(diǎn)傳感器接到請(qǐng)求后將數(shù)據(jù)包上傳給采集器，表4為粘土條件下4路RS485采集的坡面徑流數(shù)據(jù)（記為組1，組2，組3，組4）。每路RS485總線上掛接了6個(gè)傳感器，分別編號(hào)1-6，從1到6號(hào)三角堰的水槽水位逐漸增高，采集到的水位及計(jì)算得到的坡面徑流量如表4所示。
4.2 坡面徑流采集器功耗測試
項(xiàng)目以采集器掛接32路傳感器進(jìn)行功耗測試。采集系統(tǒng)在不休眠且外圍設(shè)備時(shí)鐘電源全部打開的情況下功率耗散約為900 mW，而現(xiàn)場太陽能供電為10 W，在此條件下僅能持續(xù)工作11 h；若在關(guān)閉不需要的外設(shè)時(shí)鐘的情況下，能持續(xù)工作16 h，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到用戶要求。因此需要為采集器設(shè)置休眠功能和傳感器電源配置功能。經(jīng)測試每個(gè)外部傳感器功率約為240 mW，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)功耗而言所占比例較高，所以需要在采集器休眠的情況下將傳感器電源一并關(guān)閉。
經(jīng)過外場對(duì)系統(tǒng)測試，光伏充電關(guān)閉后系統(tǒng)工作時(shí)間如表5所示。從表5可知休眠時(shí)間越長，系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間越長，當(dāng)設(shè)置休眠時(shí)間為60 min，傳感器電源關(guān)閉的情況下系統(tǒng)可連續(xù)工作62天，這可以滿足系統(tǒng)在國內(nèi)大部分地區(qū)最長連陰雨天下正常工作。
4.3 坡面徑流采集器數(shù)據(jù)下載/上傳測試
采集器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡中，用戶可直接將SD卡取出讀取存儲(chǔ)的水位數(shù)據(jù)，也可通過GPRS/RS485/RS232上傳到上位機(jī)中進(jìn)行處理。本文采用JBOSS搭建了上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示及處理軟件，該軟件為用戶提供可選擇的通信方式（GPRS/RS485/RS232/TCP）與采集器通信，將SD卡中的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程存儲(chǔ)、顯示，最多可實(shí)時(shí)接收/顯示60路水位數(shù)據(jù)。圖7為采集器數(shù)據(jù)經(jīng)RS232方式通信后的顯示界面， 本次測試采集了32路水位數(shù)據(jù)，采集時(shí)間間隔30 s，休眠5 min，數(shù)據(jù)顯示單位為ms。
5 結(jié)束語
本文基于STM32設(shè)計(jì)三角堰坡面徑流采集器，采集器通過RS485總線擴(kuò)展4路傳感器，最大可采集32路傳感器數(shù)據(jù)，采集精度<0.3 mm，分辨率為0.1 mm。設(shè)計(jì)了LCD人工交互界面，可完成休眠、采集間隔設(shè)置等功能。采用多種途徑減少功耗，在10 W光伏電池供電下最長穩(wěn)定工作62天。經(jīng)測試可滿足高速公路泥石流及坡面徑流小區(qū)水土流失過程監(jiān)測。
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