《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
溫立民，巨永鋒，朱 旭，雷 旭
長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064
摘要： 采用Cortex-M3為內(nèi)核的微處理器設(shè)計(jì)了基于三角堰低功耗坡面徑流采集器。采集器通過(guò)RS485總線掛接水位傳感器組，根據(jù)需求開啟或關(guān)閉外設(shè)時(shí)鐘電源，設(shè)置采集休眠時(shí)間間隔以降低系統(tǒng)功耗。采集器采用SPI總線接口的SD卡存儲(chǔ)水位數(shù)據(jù)，最高速度可達(dá)2 M帶寬，通過(guò)設(shè)置菜單界面，可實(shí)現(xiàn)采集/休眠間隔、存儲(chǔ)、系統(tǒng)時(shí)間、通信設(shè)置等數(shù)據(jù)，采用JBOSS搭建了信息顯示和發(fā)布平臺(tái)。與現(xiàn)有徑流測(cè)定方法相比,采集器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、精度高（精度<0.3 mm，分辨率0.1 mm）等特點(diǎn)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在10瓦光伏電池供電且在最大負(fù)荷下（掛載4組×8個(gè)水位傳感器）最長(zhǎng)穩(wěn)定工作62天。
中圖分類號(hào)： TP216
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.
Research on low-power consumption collector for triangular-notch weir stormwater runoff on the basic of Cortex-M3
Wen Limin，Ju Yongfeng，Zhu Xu，Lei Xu
School of Electronic and Control Engineering, Chang′an University，Xi′an 710064，China
Abstract： This paper adopts Cortex-M3 to design collection for stormwater runoff. The collection can connect with sensors through RS485 bus, and start or stop clock power for peripheral according to demand, and freely setup sleep interval to decrease consumption, and save the data by SD card with the speed of 2 M bandwidth. Collection designs a menu to setup sleep, store, system time, connection ways. Moreover, JBOSS is used to build the platform for information display and deployment. The collection have higher accuracy(<0.3 mm) and resolution(0.1 mm) than previous, and continually work twenty-nine days with 10 watt battery and maximum sixty-two sensors without charging.
Key words : stormwater runoff；triangular-notch weir；low power consumption；water level collection；STM32

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(jiǎn)單、功耗高等諸多問(wèn)題[1-2]。通常情況下坡面徑流采集設(shè)備是野外無(wú)人值守，安裝現(xiàn)場(chǎng)通常情況下需太陽(yáng)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(yáng)能供電的設(shè)備在連雨天無(wú)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(cè)試，系統(tǒng)功能穩(wěn)定，功耗低，適合于野外無(wú)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]：

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式中，qv是三角形堰的徑流量(m3/s)，h是實(shí)測(cè)水頭(m)。若三角形開口角度θ一定，水流量由實(shí)測(cè)水頭h決定，因此測(cè)量出水位h即可計(jì)算出通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)SD卡將數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)。

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    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。

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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(guò)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。

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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。

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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)。

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    （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）。

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    （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。

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4 坡面徑流采集器功能測(cè)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(guò)按鍵選擇可在菜單項(xiàng)間切換。

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4.1 采集功能測(cè)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。

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4.2 坡面徑流采集器功耗測(cè)試

    項(xiàng)目以采集器掛接32路傳感器進(jìn)行功耗測(cè)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(chǎng)太陽(yáng)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(cè)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(guò)外場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)測(cè)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(zhǎng)，系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間越長(zhǎng)，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(guó)內(nèi)大部分地區(qū)最長(zhǎng)連陰雨天下正常工作。

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4.3 坡面徑流采集器數(shù)據(jù)下載/上傳測(cè)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(guò)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(cè)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。

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5 結(jié)束語(yǔ)

    本文基于STM32設(shè)計(jì)三角堰坡面徑流采集器，采集器通過(guò)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(zhǎng)穩(wěn)定工作62天。經(jīng)測(cè)試可滿足高速公路泥石流及坡面徑流小區(qū)水土流失過(guò)程監(jiān)測(cè)。

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