應用于智慧灌溉等信息化系統的遙測終端機設計

張 麗，唐有為

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

0 引言

近年來，隨著科學技術的進步，我國的農業模式由傳統型、機械化向智慧型發展。智慧農業就是利用電子信息技術、網絡技術，對農業生產過程進行智能監測，通過分析監測數據，遠程控制、按需供給實現智能化管理，促進農業可持續發展。

我國雖然是水資源大國，但是人均占有量相對較少，屬于缺水國家。而農業用水占據了用水總量的80%。由于我國農業灌溉長期采用粗放式灌溉，造成了大量的水資源浪費，節水灌溉問題長期限制著我國農業的發展。智慧灌溉將成為解決我國農業水資源浪費的必經之路，具有廣闊的發展前景和市場需求[1]。

遙測終端機作為監測數據采集及設備控制端，廣泛運用于智慧灌溉、山洪災害防治及水資源監控系統中，以智慧灌溉為例，遙測終端機能夠對農業生產過程的雨量、流量、土壤墑情等要素進行實時監測，通過GPRS 網絡將數據發送給中心站。中心站通過分析相關數據，對農業生產區域灌溉設備進行遠程控制，合理地對水資源灌溉調度分配，實現智慧灌溉的目的。

1 智慧灌溉系統結構

智慧灌溉系統主要由傳感器（包括雨量、流量、墑情等）、遙測終端機、通信設備、中心站組成（見圖1）。系統中數據傳感器負責采集相關信息數據，遙測終端機通過接口與各傳感器連接，讀取各傳感器采集的實時監測數據，通過GPRS網絡，發送至中心站，中心站計算機系統對接收的數據進行分析處理，判斷農業生產現場需水情況，按照設定程序向遙測終端機發送指令，遙測終端機根據所接收的中心站指令，對相關傳感器進行控制操作，達到智慧灌溉的目的[2]。

圖1 智慧灌溉系統結構框圖

2 遙測終端機結構

遙測終端機作為各種數據的連接終端，是智慧灌溉系統的核心組成部分之一。不僅需要將傳感器采集到的相關數據發送給中心站，還需要接收中心站發送的控制指令執行相關控制操作，起著上傳下達的樞紐作用，是連接原始數據與計算機系統的橋梁。

隨著計算機、電子信息、通信技術的發展，遙測終端機也不斷朝著智能化、小型化、低功耗及多功能等方向發展。針對智慧灌溉系統等信息化系統中遙測終端機工作環境的特殊性，為解決目前大部分遙測終端機需要攜帶筆記本電腦進行維護的問題，本遙測終端機設計有藍牙模組，當現場工作人員需要對遙測終端機進行相關操作時，可通過觸發按鈕激活藍牙功能，然后通過手機或平板電腦的APP 進行訪問操作，方便用戶進行現場巡檢運維工作。結構框圖見圖2。

圖2 遙測終端機結構框圖

其中，微處理器是遙測終端機的核心處理元件，負責遙測終端機的整體控制、工作流程、數據處理等；實時時鐘模塊負責為微處理器提供工作時鐘；電源管理模塊負責為遙測終端機整體提供電源及電壓監測等工作；USB 接口模塊能夠提供遙測終端機與其他設備通過USB接口通信；鍵盤可以對遙測終端機進行相關操作；LCD顯示屏負責顯示操作界面和數據；傳感器接口模塊負責提供與各種傳感器的連接接口；藍牙模塊可以為其他設備提供藍牙通信功能；Flash 存儲模塊負責存儲相關數據；通信模塊負責遙測終端機與中心站進行遠程無線通信。

3 遙測終端機硬件設計

3.1 微控制器及外圍設備

本遙測終端機選用超低功耗32 位高性能處理器，可高速采集攝像頭圖像，通過外置的鈕扣電池，可確保斷電存儲和實時時鐘的不間斷，內置A/D 轉換器，滿足采集模擬信號需求。

通過外置石英晶振的方法，確保遙測終端機實時時鐘工作的準確性，減少誤差。

3.2 電源管理模塊

為滿足遙測終端機的低功耗要求，本設計通過電源管理模塊和工作模式設計的方法降低整機功耗。其中非常供電模塊由常供電模塊進行管理，只有在需要工作時才給它們加電。常供電模塊包括微控制器、LCD 顯示屏、藍牙模塊等、通信模塊；非常供電模塊包括傳感器接口模塊、Flash 存儲模塊等。電源管理模塊結構圖見圖3。

圖3 電源管理模塊結構圖

常供電模塊和非常供電模塊的低壓差線性穩壓器芯片選用MAX1659 芯片。該芯片在提供穩定電壓輸出的同時，功耗較低，控制簡單。通過SHDN端口的高低電平輸入即可控制工作狀態，在關斷狀態下，消耗電流僅為1uA。

同時，為保證遙測終端機低功耗，常供電模塊在不需要工作的時候將會進入超低功耗的休眠狀態，既滿足低功耗的要求，也可以快速被喚醒激活，立即進入工作狀態。如LCD顯示屏，遙測終端機檢測用戶在30 s 內沒有任何操作指令，LCD 顯示屏將熄滅，進入休眠狀態。若檢測到用戶有按鍵操作，LCD顯示屏將被點亮；藍牙模塊在非維護狀態下都處于休眠狀態，只有當LCD 顯示屏點亮時才被喚醒，此時可以被搜索并保持連接，若LCD 顯示屏熄滅且2 min 內無其它藍牙設備連接，藍牙模塊將進入休眠狀態；通信模塊只有在遙測終端機進行數據發送和接收的時候保持在工作狀態，其他時間將根據參數設置，可處于常工作狀態或進入休眠狀態。

3.3 藍牙模塊

藍牙模塊芯片具有高性能、低功耗以及外部元件少的特點，休眠模式下，功耗僅1uA，體現出遙測終端機低功耗的優勢。

4 工作模式設計

根據使用要求，本遙測終端機通信標準可執行水文或水資源監測數據通信規約，標準可包含有自報模式、查詢應答模式。

（1）自報模式不受中心站控制，由遙測終端機主動上報監測要素數據，主要包括定時報、加報報和小時報。定時報可按照設定的時間定時將設定的監測要素上報給中心站；加報報是當監測要素在一定時間內量值變化超過設定閾值，立即加報設定的監測要素給中心站；小時報是時間到達整點，即將設定的監測要素上報給中心站。

（2）查詢應答模式是遙測終端機不主動發送監測數據，由中心站發起查詢召測命令，遙測終端機根據中心站指令，返回對應的數據信息給中心站。

兩者特點是：自報模式由于只有當需要上報數據給中心站的時候通信模塊才需要工作，其它時間處于休眠狀態，功耗較低；查詢應答模式需要遙測終端機始終保持在線，才能接收到中心站的指令，功耗較大[3]。

為適應多種使用需求，在常規通信模式基礎上設計增加兼容模式，即遙測終端機可按照自報模式、定時自報和加報相關監測數據信息。發送成功后，遙測終端機始終與中心站保持連接，中心站此時可下發操作指令給遙測終端機修改相關參數，達到切換不同控制模式的目的。且用戶可根據需要，設置建立連接后遙測終端機保持在線的時間長度。待到達保持在線時間后，遙測終端機將退出工作模式，進入休眠模式。

5 結語

本文針對智慧灌溉等信息化系統中遙測終端機工作環境的特殊性，設計的低功耗多功能遙測終端機，方便用戶進行現場巡檢運維工作。通過將遙測終端機各模塊劃分為常供電、非常供電兩類和設計兼容工作模式，大大降低了遙測終端機的功耗，達到了節能的目的。