基于ARM的太陽能供電式遠程傳輸終端設計*

袁 霄 ，潘玉良 ，凌在盈 ，李 凡

(1.杭州師范大學 遙感與地球科學研究院，浙江 杭州311121；2.浙江省城市濕地與區域變化研究重點實驗室，浙江 杭州311121)

環境問題是當今社會日趨重視的問題之一，通過長期的在線監測和數據分析來反映環境質量現狀及發展趨勢，是為環境管理、污染源控制以及環境規劃等提供準確、及時、全面的科學依據的一種可靠方法。當前人們普遍采用遠程交互式監測技術對地理位置偏僻、自然環境惡劣的監測區域進行遠程監控，由現場終端對監測數據進行遠程傳輸。但是現場終端在數據傳輸瞬間功耗較大，需要具有足夠的電源才能滿足長期監控下的數據傳輸，這嚴重限制了該技術在布線困難、無人值守的野外復雜環境下的應用。本文以嵌入式ARM微處理器為核心，設計了一款具有太陽能光伏充電管理功能的現場終端，將太陽能合理存儲于鉛酸蓄電池中為現場終端提供長期遠程監控所需的能源。

1 整體方案介紹

現場終端以ARM微處理器為核心實現了充電管理、遠程監控、儀器數據采集等功能，整體結構如圖1所示。在充電管理方面，ARM輸出PWM波形調節DC-DC電路，管理太陽能電池板對蓄電池進行合理充電，同時采樣得到蓄電池當前的電壓值和充電電流值作為控制的反饋輸入。在遠程監控方面，監控中心通過短信發送連接命令給終端，當收到的短信與E2PROM中存儲的連接密碼一致時，終端主動連接上遠程監控中心。隨后，監控中心可以發送特定指令對終端進行相應操作，如控制終端從采集儀器中獲取監測數據，返回相關的充電信息等，操作流程如圖2所示。當GPRS通訊受阻時，終端一方面發送短信通知工作人員及時維護，另一方面使用SD卡存儲通訊故障期間的數據。此外終端由主、從兩塊蓄電池進行供電，正常狀態時主電池起作用，而當遇到連續陰雨天氣導致主電池供電不足時，繼電器切換至從電池工作，并遠程通知相關人員盡快趕往現場進行維護。

2 終端功能實現

現場終端由多部分模塊組成，由于部分模塊較為通用，此處主要探討實現充電管理及遠程交互的具體方案。

2.1 充電管理實現

終端通過DC-DC電源變換的方式來實現充電管理，即利用ARM的ADC通道實時采樣電池電壓、充電電流值作為調整PWM脈寬的輸入量，通過充電算法輸出合理的PWM控制DC-DC電路。對于密封鉛酸蓄電池來說，四階段充電方式[1]可以為其提供在不同狀態時合適的充電電壓和電流，從而使蓄電池的容量達到額定值，延長其壽命。終端在充電前設置四階段的充電參數值作為狀態轉換的臨界值，于是當蓄電池的電壓低于終止電壓Vch時，充電器將提供一個很小的充電電流Itc進行充電，即涓流充電狀態。當電池電壓逐漸上升到Vch時，充電器將提供一個恒定的充電電流Ibuck，即恒流充電狀態。直到電池電壓上升到過充電電壓Voc時，蓄電池進入過壓充電狀態，此時充電電流逐漸減小至Iotc后，充電器提供一個恒定的Vf電壓來彌補蓄電池自身放電造成的容量損失。此后，若蓄電池在使用中使電壓下降到Voc的90%，那么充電器自動進入涓充或恒流充電狀態。充電狀態曲線如圖3所示。

在充電過程中，終端使用PID調節方式使各充電階段的維持和轉換迅速、平穩[2]。將PID控制規律轉換為數字PID的增量型控制算法來調整PWN輸出的占空比，使充電電流接近給定值，算法公式如式(1)。

其中 e(n)=給定值-采樣值（濾波），三個常數 Kp、Ki、Kd可根據經驗法或實驗法得到。A/D采樣周期Tad應滿足N×Tad＜Ts，Ts為 PWM 的周期。如采樣周期 Tad太大，會使充電管理因不能及時調節而失去控制，這是必須予以避免的。

2.2 遠程交互實現

GPRS具有傳輸速率高、接入速度快、永遠在線、按流量計費等優點，但是這種基于IP網絡的傳輸方式在數據中心異常或基站覆蓋的區域語音業務繁忙時，都將與終端失去遠程聯系。當這些情況發生時可結合短信方式來發送一些緊急的數據和消息，保證數據傳輸的可靠性和靈活性[3]。

終端使用無線模塊MC52i實現遠程交互功能。該模塊是西門子公司的一款高性能雙頻(GSM900/1 800 MHz)無線模塊，具有語音、SMS、GPRS和 FAX等移動通訊方面的功能[4]，通過模塊上的板對板連接器與外圍電路進行連接即可。如圖4所示，模塊的ASC0接口與ARM的Modem接口連接，而啟動引腳IGT和緊急關閉引腳EMERGOFF由ARM的IO口控制。

MC52i支持標準的AT指令集，并且內嵌了TCP/IP協議棧，可輕松連接上Internet網，實現終端與數據中心之間的遠程聯系，極大地縮短了軟件開發的難度[5]。實現短信和GPRS數據傳輸的AT指令操作如下：

（1）短信方式數據收發

發送指令[AT+CMGF=1]，選擇SMS信息格式為Text模式[6]。然后發送指令[AT+CMGS="目標號碼"]，收到符號">"返回，輸入短信內容以"Ctrl+z"(十進制ASCII碼為0x1A)結尾，短信自動發送。

發送指令[AT+CNMI=2,1]，設置新短信顯示模式，收到短信后會有提示信息[+CMTI："MT",＜index>]，根據收到的＜index>內容，發送讀短信指令[AT+CMGR=＜index>]獲取短信內容。

（2）GPRS 數據收發

首先發送指令[AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"]進行PDP上下文定義，然后發送指令[AT+CGACT=1,1]，對PDP上下文激活。發送指令[AT+CGREG?]檢測是否登錄上GPRS網絡，返回[+CGREG：1,5]表示登錄成功，執行下一步設置連接平臺和服務平臺。設置連接平臺指令為[AT^SICS=＜conProfileId>，＜conParmTag>，＜conParmValue>]，其中需設置的＜conParmTag>的參數包括"conType"、"passwd"、"user"和"apn"。而設置服務平臺指令[AT^SISS=＜srvProfileId>，＜srvParmTag>，＜srvParmValue>]中＜srvParmTag>的參數包括"srvType"、"conId"和"address"。設置完成后，發送指令[AT^SISO=1]打開 TCP/IP連接，收到返回[^SISW：1，1]表示已經成功連接上數據中心。發送數據只需發送指令[AT^SISW=1，N]，在返回[^SISW：1，N]后輸入 N 個數據，MC52i將會自動發出。當數據中心有數據發送過來時，MC52i返回提示[^SISR：1，1]，發送指令[AT^SISR=1，N]用于讀取數據中心發送來的數據。發送指令[AT^SISC=1]關閉TCP/IP連接。

3 整體程序流程

現場終端的程序主要包括遠程控制、充電管理和應急操作三部分。程序框圖如圖5所示。

本文闡述了一種基于ARM平臺，將短信與GPRS協同式遠程通訊技術、太陽能光伏充電管理技術相集成的數據傳輸終端，實現了遠程交互式環境監測，并且解決了野外終端的供電問題。該終端通過開發、調試和測試已投人實際應用，應用結果表明終端運行穩定可靠，并且可推廣至無線局域網通訊中解決其功耗問題。

[1]TEXAS INSTRUMENTS.Implementing multi-state charge algorithm with the UC3909 switch mode lead-acid battery charger controller[J/OL](1999-9-5).http：//www.ti.com.

[2]韓俊淑，曾銳利，李長安.PID算法在蓄電池充電控制系統中的應用[J].自動化技術與應用，2005，24(9)：48-51.

[3]廣州致遠電子有限公司.嵌入式GPRS與短信的互補通信方案[J/OL].(2009-11-16).http：//www.zlgmcu.com.

[4]Cinterion.MC52i hardware interface description[J/OL].[2008-8-19].http：//www.cinterion.com.

[5]Cinterion.MC52i AT command set[A](2008-8-19).http：//www.cinterion.com.

[6]盧海濤，侯彤璞，李健.基于GPS和 GPRS的嵌入式汽車定位系統車載終端的開發[J].計算機與數字工程，2010，38(6)：150-153.