水情自動測報系統遙測站低功耗設計研究

陳德順，曹年紅，曹翊軍，朱華明

（南京南瑞集團公司 國網電力科學研究院，江蘇 南京 211106）

水情遙測站是通過傳感器采集水位、雨量、流量、氣象等信息，經通信終端將信息上傳給信息中心，目的是及時、準確掌握區域水情、汛情，為實現洪水預報，最大限度減少洪澇災害損失以及優化調度，提高水資源利用率達到興利增效效果提供基礎信息[1]，因此遙測站的安全穩定可靠運行，是整個水情自動測報系統工作的基礎。

但是，大多數水情遙測站建設在人煙稀少的荒山野嶺、河流上游、湖泊邊緣，環境惡劣，現場一般不具備線供電源，即使具備線供電源，也存在供電穩定性低、雷電和電涌保護困難等問題，需要建立獨立的供電系統。目前遙測站大多數仍采用蓄電池供電，輔以太陽能充電[2-3]，因此遙測站的低功耗設計[4-5]尤為重要。低功耗設計不僅可以減少測站能耗，減低電源配置，還可以減少測站的熱耗，提高系統的穩定性和可靠性。

1 遙測站基本功耗分析

遙測站作為水情信息采集、現地顯示和遠程傳送單元，常見的水情遙測站主要有數據采集器、通信終端、傳感器、人機交互設備、電源系統構成，如圖1所示。下面依次分析它們的能耗：

1．1 數據采集器

圖1 水情遙測站構成Fig.1 Structure diagram of the remote measurement station

數據采集器作為遙測站的主控設備，低功耗的管理平臺，提供數據采集、處理和遠程通信。它的功耗可分成兩部分：

1）值守功耗，即數據采集器值守時功耗，功耗為數百微安，上電后一直保持。

2）工作功耗，即數據采集器工作時功耗，功耗可達百毫安，但耗電時間短，總能耗與它工作時間和工作頻度有關。

1．2 通信終端

通信終端是遙測站與信息中心之間的遠距離通信設備，通過它上傳水情信息。水情系統支持各種通信組網方式，如GPRS、VHF、PSTN、Inmarsat-C、北斗衛星等，因此各種通信終端功耗存在很大差異。目前GPRS和VHF為水情系統二種主用信道，它們典型的功耗為：

1）GPRS終端接收功耗為：10 mA@5 V，發信功耗為：100 mA@5 V。

2）VHF電臺接收功耗為：100 mA@12 V，發信功耗為：5 A@12 V。

通信終端總功耗與發信時間和發信頻度有關。

1．3 傳感器

水情信息測量傳感設備。水情信息主要包含雨量、水位、流量以及與水情信息密切相關的風速風向、溫度、蒸發、閘門開度等，待測參數的種類和數量因系統需求而異。因測量原理不同導致傳感器也有所不同，如水位測量有浮子式、壓阻式、超聲波式、氣泡式等，水情傳感器種類繁多。

目前最常見、使用最頻繁的傳感器有翻斗式雨量計、浮子水位計、壓阻水位計等。翻斗式雨量計，為開關量輸出，功耗可忽略不計；浮子式水位計和壓阻式水位計及其適配器功耗在1毫安之下；大功耗傳感器如氣泡式水位計功耗可達2 A@12 V。

1．4 人機交互設備

用戶與系統之間互動的設備，主要包含人工置數、本地顯示裝置、本地通信計算機等。受環境制約，水情遙測站一般無人值守，通常交互設備不需接入，只有在維修維護時才會使用，而例行維護僅在汛前訊后各發生1次。使用系統供電的交互設備如人工置數、本地顯示裝置功耗為數百毫安，單次工作時長為數分鐘，工作頻度很低，功耗可不予考慮。

1．5 電源系統

電源系統典型配置為蓄電池加太陽能浮充，蓄電池為主電源設備，太陽能為補充電能的設備。

蓄電池自身存在自放電，但能耗很小，可以不予考慮；太陽能電池在設計時一般都有防反充電功能，防止夜晚等光線不足時，蓄電池向太陽能電路反向充電。

1．6 功耗的估算

遙測站功耗與集成的設備、上報通信方式、采集信息種類、數量和方式等因素有關，因此很難給出遙測站準確的功耗數據，只能粗略地給出功耗在各設備之間分布情況。根據上述分析，遙測站功耗主要分布在數據采集器、通信終端和傳感器及其適配器上，通過計算和現場統計，它們的占比大概為 15%、65%、20%。

2 遙測站低功耗的總體設計

2.1 設計原則

水情遙測站長期運行在野外無人值守環境，現場條件復雜，因此設計時必須遵循如下原則：

1）可靠性

系統的可靠性是系統的生命，系統設計必須保證各設備長期穩定可靠運行，適應現場運行環境，滿足客戶需求，具備抗干擾、防雷和防愚能力，具有智能化檢測和報警功能。

2）通用性

設計研發一種通用的水情數據采集器，作為遙測站集成的平臺，該平臺應契合水情需求和運行環境，具有操作方便、功能完備，可采集各種水情信息、并可利用各種合適的信道遠程上傳數據。

3）低功耗

全方位減低功耗。從器件級、線路級、系統級硬件以及與之協同的軟件四個層面設計減低功耗，滿足45天無日照情況下全天候穩定工作；

4）先進性

設計思想應保證前瞻性和先進性，系統硬件選型應保證合理性、實效性，適當考慮可擴展性，軟件選型應易于維護、修改和升級。

2.2 低功耗流程管理

1）數據采集器設計；調研水情需求和運行環境，研制一種通用型低功耗水情數據采集器，作為數據采集、處理和遠程通信的平臺，為實現客戶各種需求提供前提保障。

2）根據水情信息測量需求和現場運行環境，完成通信方式和傳感器測量方式設計，在滿足需求和可靠性的前提下，權衡維護、成本、功耗等因素，選擇最合理的集成方式。

3）通信終端、傳感器的選型；

4）通信方式、采集方式的設計；

5）選擇配套的軟件，合理的參數設置。

2.3 遙測站低功耗設計策略

低功耗設計是一個系統問題，必須在電路設計、軟件編制、功耗管理等各個環節綜合應用不同的設計策略，在滿足規范[2.3]的基礎上，達成維持系統高性能需求同時降低功耗。

2.3.1 器件級

1）盡量選用新型低功耗器件。如低功耗MCU（Micro Control Unit）、CMOS 芯片等

2）選用高集成度專用電路，取代低集成度門電路和可編程芯片。

3）優選低電壓低頻率芯片；

4）選用低功耗的電源轉換器件。

2.3.2 線路級

1）模塊化設計實現電路分區和分治：合理劃分電路模塊，根據其性能要求不同采用不同電源供電；

2）多元的控制電路：可根據模塊的忙閑情況，合理調度電源供給，及時關閉不工作電源；利用片選信號停止不工作芯片運轉；控制門控時序切斷處于空閑狀態的模塊和冗余信號；

3）標準的采集接口：通過設計各種專用采集模塊，將各種常見的傳感器接口信號轉換成標準接口，接入數據采集器，目的可以適應采集各種傳感器數據，同時可以針對測站配置，合理選配各種接口模塊，減少因通用性而增加的無用電路模塊接入。

4）優化模塊布局：將模塊劃分為內部模塊和外部模塊，將必需實現的基本功能和基本采集量模塊劃分為內部模塊，將部分必須具備但種類繁多如采集模塊、遠程通信模塊劃分為外部模塊，這樣既可以適應變化，滿足通用性原則，又可以避免無用模塊接入，避免能量無謂損耗。

5）電路優化和時序優化，減少時鐘線電容和相互干擾；要盡量使器件處于確定的工作狀態，減少因不必要的跳變和翻轉引起能耗，如沒有使用的管腿直接接電源或地。

2.3.3 系統級

1）權衡設備價格、性能需求、使用環境、使用習慣、維護方便等因素，在滿足需求和可靠性基礎上，以適當減低某些次要功能或需求，換取低功耗。

2）外圍設備電源管理：預留豐富的外部設備電源控制接口，方便對通信終端等大功耗設備的供電控制；

2.3.4 軟 件

1）在低功耗的硬件平臺上，充分利用軟件控制，調度硬件資源，關閉空閑模塊，啟動工作模塊，做到工作有序、動作合理、避免額外能耗。

2）模塊化軟件設計，將軟件模塊劃分為標配軟件和選配軟件，目的使軟件與測站功能更加匹配，減少無用軟件運行。

3）低功耗軟件設計：具有豐富的遠程通信、數據采集和處理方式，在必需使用高能耗通信終端和傳感器時，設計采用有別于常用的節電通信和采集方式。

3 數據采集器的低能耗設計與實現

數據采集器作為遙測站的主控設備，承擔遙測站整體功耗控制，設計時需要在芯片的選擇、電路的設計和程序規劃中，在維持系統功能的基礎上盡可能減低系統功耗。

3.1 器件的選用

3.1.1 微控制器（MCU）

目前，MCU技術發展突飛猛進，各種高性能低功耗MCU層出不窮，為設計水情數據采集器提供了極大方便，綜合考慮低功耗、通用性、可靠性和方便性，本設計的數據采集器選用ATMEL公司生產的MEGA128L-8AI作為核心芯片[6]，該芯片是AVR 8位微處理，具有高性能、低電壓、超低功耗等特點，內部集成了大量擴展電路和外部接口，方便電路設計。芯片具有多達6種睡眠模式可供選擇，電源供給和工作狀態實現可控制，這就在硬件上為減低功耗提供可能。低功耗設計措施是：

1）根據水情遙測站數據處理量不大、測量對象變化相對緩慢的特點，適當減低MCU的主時鐘頻率，減低功耗。

2）盡可能采用睡眠運行模式以縮短MCU的運行時間，因為系統功耗與MCU工作長短成正比。

3）盡量關閉MCU內部不用的資源。MEGA128L-8AI內部的大多數資源都可以在不用的時候用軟件關閉。

3.1.2 其他器件

MCU外圍電路全部采用CMOS芯片和表面封裝的阻容器件。在滿足可靠性的基礎上，優選低電壓和低頻工作芯片，可減低線路功耗。因為電源電壓與功耗成平方關系，減低電源電壓可以大幅度減低功耗；而CMOS的功耗主要是動態功耗，減低工作頻率，可明顯減低CMOS功耗。

用高集成度專用芯片取替各種門電路和分立電路是減低功耗的一種重要手段，優選高集成度芯片不僅可以簡化電路，方便設計、提高可靠性，還可以減低器件的負載電容、減少器件間相互通信，實現低功耗。

3.2 電路功耗管理方式

模塊化電路設計，根據功能和運行特點將數據采集器電路劃分成個各類模塊，分類控制。

按供電時長可分為：常供電模塊和受控電源模塊；

按模塊區位分為：內部模塊和外部模塊，外部模塊包含通信模塊（Moderm）、顯示模塊、人工置數模塊、接口模塊等。

3.2.1 常供電模塊及功耗管理

常供電模塊即值守模塊平時一直處于值守狀態，承擔著數據采集器監測功能，一旦檢測到電路有事件（如雨量、水位發生超閾值變化、定時器觸發、人機交互觸發等）發生，觸發電路啟動，喚醒MCU（MCU值守時處于睡眠模式），系統轉入工作狀態。

值守模塊主要包含：隨機事件檢測模塊、定時器模塊、常供電源及其轉換模塊等。這些電路由于上電后一直處于供電狀態，因此應選用功耗低的元器件如CMOS芯片等。

功耗管理：主要是停止模塊內部件的無效操作，通過對時鐘和信號流進行控制和調度，禁止它們進入無效電路，使電路中CMOS芯片處于靜止狀態。

3.2.2 受控供電模塊及功耗管理

受控供電模塊主要是指平時處于睡眠或掉電狀態，當值守電路檢測到有事件發生，喚醒MCU，MCU器退出睡眠狀態轉為工作狀態，全面接管受控電路，MCU根據喚醒原因，轉入下列相應功能：

1）傳感器超閾值觸發，對超閾值傳感器進行采集和處理并帶時標儲存；符合上報條件，發信給信息中心；

2）人機交互觸發：人機交互指在遙測現地，用戶與遙測站之間通過操作實現互動。該觸發包含本地人工檢測（TEST）、本地通信（如數據處理器與人工置數器、顯示器、本地計算機通信）觸發等；本地人工檢測指按下TEST按鈕，自動測量遙測站內外參數，并將測試結果上報信息中心；本地通信觸發后喚醒本地通信電路，根據人機交互命令，完成相應任務（如顯示當前或歷史數據、向信息中心發送數據、提取歷史數據等），直至接收到結束命令。

3）定時事件觸發：指內部時鐘超時觸發，它可分為定時測量、定時接收和定時上報等。定時測量是指根據預設的時間間隔對水情信息進行測量、處理并帶時標儲存；定時接收，主要是針對電源受控的通信設備如北斗衛星、VHF電臺等，設置接收時間窗口，定時打開通信終端電源，等待遠程指令。若接收到指令，響應指令完成任務，否則超出接收時間窗口后結束任務。定時接收主要應用于系統校時、遙測參數遠程更改等。定時上報是根據預設的時間間隔和條件，向信息中心上報數據；

典型的受控供電模塊有：本地通信模塊、遠程通信模塊、數據存儲模塊、大功耗傳感器采集模塊，遠程通信設備控制模塊、人工置數/本地顯示裝置控制模塊等。

功耗管理：根據功能實現需求，分區管控電源供給控制它的工作與掉電，或控制芯片片選端口來控制它的工作與休眠，從而節約電流。

3.2.3 接口電路

根據統計，絕大多數水情測站都進行雨量測量，因此在線路設計時，將翻斗雨量計設計為數據采集器內部采集接口，其它傳感器采集全部劃為外部接口。

雨量計采集接口設計時，使用RS觸發器消除干簧管抖動對采集的影響，防止雨量偽增量發生引起誤報。

對于外部采集接口，設計采用標準的I2C （Inter-Integrated Circuit）總線，通過研發與傳感器配套的接口轉換模塊 （適配器），將各種傳感器信號轉換成標準I2C總線協議，供數據采集器采集。

功耗管理：雨量接口模塊避免誤報，其它接口模塊通過合理選配減少模塊接入及對大功耗傳感器電源控制，控制能耗。

3.2.4 電源電路

為了電源管控，設計將蓄電池12 V電源轉換為電路所需要的常供電5 V、3.3 V和受控電源12 V、5 V等，根據模塊需求分區控制。

1）選用MAX603ESA作為將12 V轉換為常供電5 V電路芯片，該芯片典型的靜態電路僅15 μA，并且具有反向電路保護和熱過載保護功能。

2）選用XC6206P3ESA作為將5 V轉換為常供電3.3 V電路芯片，該芯片典型的靜態電路僅1 μA。

圖2 常供電轉換電路Fig.2 Change-over circuit for constant power supply

3）選用IPF5305S場效應管作為常供5 V轉換為受控5 V和常供12 V轉換為受控12 V開關電源，該場效應管導通時源極與漏極間阻抗僅0.06 Ω，驅動的時候幾乎不產生功耗，在小電流的時候器件自身發熱也小。

圖3 受控電源轉換電路Fig.3 Change-over circuit for controlled power supply

4）選用IPF4905S功率場效應管作為蓄電池12 V直接轉換為受控12 V開關電源，控制外圍大功率通信終端和傳感器，該場效應管導通時源極與漏極間阻抗僅0.02 Ω，可以允許通過最大電流74 A，最大允許表面熱耗2 W。

圖4 大功率受控電源轉換電路Fig.4 Change-over circuit for large power controlled power supply

電源電路功耗管理主要體現在選用低功耗電源轉換器件，為模塊分區分治提供平臺。

3.3 遠程通信方式及功耗管理

遠程通信是遙測站能耗關注重點，如何讓通信更有效率，減少不必要的發信和接收等待，不需要通信時，盡快進入掉電狀態是遠程通信方式重點考慮的問題。目前水情系統遠程通信方式有3種：自報式、應答式及自報應答兼容式。

1）自報式分為實時條件報和定時無條件報、定時條件報。自報式的一般工作過程為：定時或水情超閾值觸發后自動測量，自動數據處理，自動向信息中心上報。自報式工作狀態時，通信終端一般是關閉的，只有向信息中心報告時，才自動打開，所以自報式遙測站功耗很低。實時條件報是指超水情閾值報，定時無條件報是指超時間閾值報，定時條件報是指超時間閾值的同時也要超預設水情閾值才報。因此，一般實時條件報報信次數最少，功耗最低。

2）應答式分為隨時應答和定時應答。隨時應答指可隨時接收信息中心的指令并作出響應。此種方式，通信終端必須時刻保持在接收狀態，一直監聽信道的情況，檢查是否有招測指令發給自己，功耗大，裝置配備高，通信規約復雜，只適用通信終端守候功耗不大且電源供給與補充方便的情況下使用。對于遙測站因條件限制，必須使用某些信道（如VHF、衛星信道），因其通信終端功耗大，一般可采用定時應答方式，即在指定時段自動開機等待信息中心指令。

3）自報應答兼容式是自報、應答的結合。自報應答兼容式一般工作過程為：以自報方式為主，平時自動測量，自動數據處理，自動向信息中心上報，同時，通信終端處于接收狀態，等候信息中心招測指令。因此，這種通信方式功耗最高。

在滿足系統功能的前提下，對于稀路由和被測數據變化相對緩慢的水情系統，應盡量選用自報式通信方式，因為它具有結構簡單、功耗低、維修方便、可靠性高等特點，盡管這些特點是以犧牲人們通信習慣換取的。

對于需要校時或整點報（如早晚8:00報）的遙測站，采用定時應答兼自報式，可以在滿足需求的基礎上很大程度實現低功耗。

功耗管理：根據通信方式，對通信終端電源供給進行管控。

3.4 軟件設計

軟件是硬件動作的總調度師，低功耗的硬件平臺，為軟件設計控制模塊、減少無效動作實現低功耗提供了空間。

1）模塊化軟件設計，將軟件劃分為基礎功能軟件和擴展功能軟件，基礎功能軟件可實現測站最簡單配置所必需的功能，作為標配軟件提供。擴展功能軟件可實現測站各種擴展功能，可以根據測站配置可以靈活選用。因此優化了測站軟件運行環節，縮短運行時間。如各種傳感器的采集軟件、各種信道的通信軟件都可作為擴展功能軟件設計。

2）充分利用MCU的中斷功能讓MCU周期性的工作和睡眠從而大大降低MCU的工作電流。如MCU需要等待時，設置延時等待時間，進入等待模式，直至超時觸發中斷，避免采用軟循環延時方式。

3）分區電源管理，系統運行時，僅給需要運行的模塊供電，斷開不用的模塊電路，等其需要時加電，保證供電的效率。

4）設置最小時間間隔自報，目的是緩解自報通信的隨機性引發的信道搶占或同頻干擾，即兩次自報時間不小于最小時間間隔，在此時間內傳感器發生變化即使滿足上報條件，數據采集器也不上報，僅負責采集并本地存儲。因此該功能設置不僅可提高通信質量，還可以減低發信功耗。

5）測量參數預處理，避免數據偽變化，避免向信息中心無效上報。如通過水位軟件消浪處理。

6）電池狀態監測，一旦電池電壓低于正常工作電壓（本系統設置為10.8 V），強迫數據采集器進入電壓告警狀態。處于該狀態時，遙測站僅負責數據采集、存儲和告警上報，停止其它遠程通信，直至太陽能補充電能，蓄電池恢復正常電壓為止。

4 傳感器控制

測量時，針對電源受控的傳感器如壓阻水位計、流量計等，打開受控電源，待傳感器工作穩定后進行測量，測量完畢后，關閉傳感器電源。

5 結 論

本文根據水情測報系統特點，提出遙測站低功耗設計的策略和實現方法，并據此研發出相應的數據采集器，該數據采集器在許多水利水電系統中得到應用，現場運行結果證明，由該數據采集器構建的雨量站典型電源配備為蓄電池7AH，太陽能電池10 W/17 V，完全可以滿足VHF信道自報式或GPRS信道應答式數據傳輸的需求。該數據采集器值守時功耗不高于90 μA，工作功耗不大于50 mA，在45天無日照的情況下可穩定工作，系統各性能指標超越或達到設計要求。

[1]孫增義，吳躍.水文自動測報技術基礎及其應用[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2]SL61-2003.水文自動測報系統技術規范[S].北京：中國水利水電出版社，2003.

[3]DL/T5051-1996水利水電工程水情自動測報系統設計規定[S].北京：中國電力出版社，1996.

[4]錢新紅，吳學文.基于AT89S52的水情遙測終端設計與實現[J].電子設計工程，2011，19（2）:33-36.QIAN Xin-hong，WU Xue-wen.Design and realization of remote terminal unite for water regime information base on AT89S52[J].Electronic Design Engineering，2011，19（2）:33-36.

[5]費克鈴.水情遙測終端的低功耗設計[J].自動化與儀器儀表，2011（2）:61-62.FEI Ke-ling Design of low power consumption of remote terminal unite for water regime information[J].Automation And Instrumentation，2011（2）:61-62.

[6]ATMEGA128L-8AI Datasheet （PDF）-ATMEL Corporation[EB/OL].（2014-09-03）.http://html.alldatasheet.com/htmlpdf/174748/ATMEL/ATMEGA128L-8AI/157/1/ATMEGA128 L-8AI.html.