基于STM32的低功耗窨井液位采集與傳輸系統

李文雯，時之媛，陳宇燦，王廣文，趙 亮

（大連理工大學 電子信息與電氣工程學部，遼寧 大連 116024）

0 引 言

智慧城市是利用工程、科技、節能減排等方式改善城市治理水平的方式，包括道路交通、電網、管網、橋梁等，將城市中普遍存在的資源與信息技術相結合，實現資源數字化，改善資源利用率，提高服務性能[1-3]。在城市智慧化發展進程中，我國城市排水管網系統的發展較為緩慢，隨著全球變暖導致的強降雨天氣增多，普遍存在由于暴雨導致的窨井內澇問題，對道路正常通行及人民生命安全產生不利影響[4]。因此，對窨井中的液位進行監測成為改善排水管網、減少城市內澇的重要手段之一。

液位監測多采用聲波、電容等傳感設備進行測量。李澤[5]等人設計了一種超聲波液位測量系統，通過對聲波信號進行連續采集，實現液位的自動在線監測；趙明[6]等人提出了一種使用電容式傳感器測量液位的方案，將液位數據通過CAN總線發送至上位機；Konstantinos Loizou[7]等人通過研究現有液位測量技術提出了新型電容式液位測量系統，由于電容的固有非線性影響，測量性能與超聲波性能相當。以上研究均是使用傳感設備對液位進行定時采集，缺少針對短時間內液位突增的處理，導致系統數據反映不及時。Silviu C.Fole[8]，Shu T[9]，Vana Jelicic[10]等人提出的通過調整測量間隔，改變采集與傳輸速率并減少系統功耗的思路，與本文提出的液位采集與傳輸系統有相似之處。本文以STM32微控制器為核心，利用雷達液位計測量液位，加入2個浮球開關作為液位突增預警信號，從而動態改變采集時間。系統通過設計MOS關斷電路在低液位時關閉耗能電路，滿足低功耗需求。

1 系統設計方案

1.1 液位測量原理

（1）雷達液位計通過天線系統向液面方向發射短促的雷達脈沖，脈沖波遇到液面反射回來后被天線系統重新接收，將雷達脈沖從發射到接收所需的運行時間、輸入的窨井高度通過STM32微控制器處理、計算后得到液位高度[11]，液位計測量示意如圖1所示。

圖1 液位測量示意圖

設雷達與液面間的距離為D，脈沖波的傳播速度為光速c，雷達脈沖從發射到接收所需時間為t，得出雷達到液面的距離D為：

若已知窨井的高度為L，則窨井液位的高度H為：

（2）浮球開關是一種結構簡單、使用方便的液位控制器件，無需提供電源，無復雜電路連接。當浮球開關被測介質浮動浮子時，浮子帶動主體移動，同時浮子另一端的磁體將控制桿上的磁體開關動作，產生開關信號。

系統選用2個浮球開關分別放置于窨井井壁1/2位置、2/3位置，作為液位突增信號開關，用于判斷液位所處位置是否需要啟動預警，進而改變系統的工作模式，更改采集時間，提高系統的靈活性及數據采集的實時性。

1.2 整體設計方案

系統結構如圖2所示。系統主要由STM32單片機、MOS關斷電路、RS 485收發電路、中斷觸發電路等組成。雷達液位計采集液位值，輸出4～20 mA信號，送入模擬量轉RS 485采集模塊進行信號轉換后，通過RS 485收發電路與STM32單片機串口通信。使用浮球開關1、浮球開關2作為液位突增預警開關，動態改變數據采集時間，提高數據的實時性。系統中設計了MOS關斷電路，當系統處于正常工作模式時，STM32單片機能夠通過MOS關斷電路關閉其他耗能電路及設備。GPRS DTU模塊將STM32單片機處理后的液位數據、電池電壓、故障碼數據發送到上位機顯示。

圖2 系統結構

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統電路

系統選用的控制器型號為STM32F103C8T6微處理器。STM32F103C8T6是基于ARM 的32位Cortex-M3內核的單片機，工作頻率最高達72 MHz，內置64 KB程序存儲器，3個通用16位定時器，具有豐富的I/O接口以及串行通信接口，工作電壓范圍為2.0～3.6 V，具有功耗低、速度快、性價比高等優點，可滿足系統低功耗應用的要求。STM32單片機最小系統電路包括時鐘源電路、復位電路、供電濾波電路。

2.2 MOS關斷電路

MOS關斷電路的主要作用是控制電路的啟停，如在正常工作模式下，即液位低于窨井1/2以下，此時系統的采集傳輸頻率較小，STM32單片機可輸出控制信號通過MOS關斷電路使系統中的耗能模塊（如模擬量轉RS 485采集模塊、GPRS DTU模塊等），降低系統能耗。MOS關斷電路如圖3所示，其控制信號由STM32單片機的PA7引腳（MOS-GPIO2）輸出。

圖3 MOS關斷電路

當MOS-GPIO2輸出高電平時，AOD4184 MOS管和AOD4185 MOS管均為導通狀態，IN+引腳的12 V電壓通過V-out引腳輸出，模擬量轉RS 485采集模塊和GPRS DTU開啟；當MOS-GPIO2輸出低電平時，AOD4184 MOS管與AOD4185 MOS管均截止，V-out引腳無輸出，模擬量轉RS 485采集模塊和GPRS DTU的供電被切斷，停止工作。

3 軟件設計

3.1 工作模式設計

為了應對暴雨、排水突增等導致液位上漲過快的情況，使數據采集更靈活、數據反饋更及時，系統設置了3種工作模式，分為正常工作模式、黃色預警模式、紅色預警模式，這3種工作模式的系統喚醒時間即采集時間分別為6 h、5 min、1 min。由液位值與外部浮球是否動作決定系統是否進行模式切換，通過高優先級中斷進行處理。

3.2 系統主程序設計

主程序流程如圖4所示。系統上電后，進行初始化，SysTick系統嘀嗒時鐘、RTC實時時鐘、GPIO端口配置、串口初始化、MOS控制信號端口輸出高電平，使RS 485收發電路、GPRS DTU模塊、模擬量轉RS 485采集模塊開啟，默認采集周期為6 h，即默認開機為正常工作模式，采集時間未到則系統等待上位機發送查詢報文，系統處于待機模式，待到達采集時刻后喚醒。6 h內若無中斷產生，則系統開啟正常采集模式，上位機通過串口3發送查詢報文，系統進行液位計電流、電壓信號的采集，通過模擬量轉RS 485采集模塊轉換信號后送入STM32單片機處理并存儲，若電流小于4 mA，說明液位計出現故障，產生報文，對應位輸出故障碼00 01；反之，液位計工作正常，此時產生的報文為00 00。由于中斷信號是由外部浮球開關是否動作產生，無中斷產生說明液位未達到外部浮球開關所在預警位置，系統在2個浮球預警對應位輸出報文00 00。此時，系統產生響應報文中的寄存器數據，包括電流值、電壓值、浮球2指示、浮球1指示、液位計指示，通過串口2連接GPRS DTU模塊發送至上位機。一個采集周期的數據采集發送完成后，STM32單片機對應MOS控制端口復位，輸出低電平，MOS關斷電路控制相應RS 485收發電路、GPRS DTU模塊、模擬量轉RS 485采集模塊停止工作，減少能耗。系統進入停機模式，等待下一個采集周期喚醒或外部浮球開關中斷喚醒。

圖4 主程序流程

3.3 系統中斷程序設計

系統默認為正常采集模式，即每6小時采集、發送數據一次，此時液位應處于窨井1/2以下。當液位繼續上漲超過1/2黃色預警位置或2/3紅色預警位置時，浮球開關動作，產生開關信號，上升沿觸發，使系統進入中斷。系統中斷程序如圖5所示。系統進入中斷響應后，清除此中斷的標志位，執行系統復位操作，重新初始化各配置，并保存系統參數。判斷中斷來源，若中斷由外部中斷線EXTI_Line6產生，則為PA6引腳所連的浮球開關動作，說明液位超過1/2位置，進入黃色預警模式，對應位輸出浮球信號報文，設置RTC鬧鐘喚醒時間（采集時間為5 min），保存參數，轉入初始化后的主程序，以間隔5 min進行周期性采集；若由外部中斷線EXTI_Line7產生，則為PA7引腳所連的浮球開關動作，說明液位超過2/3位置，進入紅色預警模式，對應位輸出浮球信號報文，設置RTC鬧鐘喚醒時間（采集時間為1 min），保存參數，轉入初始化后的主程序，以間隔1 min進行周期性采集。

圖5 中斷程序流程

4 系統測試及分析

系統的測試分為2類，即有液位計接入和無液位計接入，其中每類測試包含5組隨機實驗，每組實驗包含1個完整的喚醒周期，即系統初始化、數據采集階段、數據傳輸階段和休眠階段，通過分析系統在每個階段的工作時間和電流消耗，進而分析系統的整體功耗。

4.1 實驗測試

（1）有液位計接入

將液位計接入系統，測得系統在正常工作模式下電流消耗情況如圖6所示。

圖6 有液位計接入時的電流消耗波形

系統初始化，執行STM32處理器的初始化以及GPRS模塊聯網功能，如圖6位置1所示，聯網脈沖導致電流尖峰出現，此階段平均時間為26 s，電流平均值為64.1 mA。

數據采集階段，執行液位計數據采集功能，包括液位值、浮球信號和電池電壓值，如圖6位置2所示，此階段平均時間為27 s，電流平均值為44.4 mA。

數據傳輸階段，執行GPRS模塊數據傳輸以及參數配置更新操作，如圖6位置3所示。GPRS模塊向云端發送數據時產生電流值尖峰，峰值平均值為106.3 mA，平均時間為2 s，之后電流下降，系統進入等待云端指令狀態，進行參數配置更新，此狀態只在正常工作模式下出現。正常工作模式下傳輸階段平均時間為38 s，電流平均值為49.8 mA。

休眠階段，系統進入休眠狀態后，通過MOS電路關斷耗能模塊，系統進入低功耗狀態，如圖6位置4所示，電流平均值為 180.0 μA。

每組實驗中各工作階段的平均時間、電流峰值和電流平均值數據見表1、表2所列。

表1 不同階段平均工作時間 s

表2 不同階段電流值

（2）無液位計接入

斷開液位計與系統的連接，測得系統在正常工作模式下電流消耗情況如圖7所示。從圖中可看出，系統數據采集階段時間變長，平均采集時間為90 s，約為有液位計接入時的3倍，這是因為系統采用的液位計初始化時間約為30 s，若系統在連續3個周期都未收到液位計的響應，則系統輸出故障碼。此測試驗證了系統能夠正確處理液位計發生故障并上報的情況。

圖7 無液位計接入時的電流消耗波形

4.2 功耗分析

記一次喚醒周期內每個工作階段的平均時間分別為t1，t2，t3，t4，電流平均值分別為I1，I2，I3，I4。

正常工作模式下，系統喚醒間隔為6 h，其中系統初始化階段t1為26 s，I1為64.1 mA；數據采集階段t2為27 s，I2為44.4 mA；數據傳輸階段t3為38 s，I3為49.8 mA；其余時間為休眠狀態，t4為6 h，I4為180.0 μA。

正常工作模式下喚醒一次消耗的電能qn：

黃色預警模式下，系統喚醒間隔為5 min，前2個階段與正常工作模式一致，數據傳輸階段t3為2 s，I3為106.3 mA，此模式下休眠階段t4為[5×60-(t1+t2+t3)] s，接近4 min，I4為180.0 μA。計算得到黃色預警工作模式下喚醒一次消耗的電能qy：

紅色預警模式下，系統喚醒間隔為1 min，前3個階段與黃色預警模式一致，此模式下系統休眠時間接近0。計算得到紅色預警模式下喚醒一次消耗的電能qr：

假設一年中累計正常工作模式下的工作時間為350天，黃色預警模式下為10天，紅色預警模式下為5天，則系統在一年內消耗的電能Q為：

代入數據計算：

5 結 語

本文以窨井液位為研究對象，設計了一種基于STM32的低功耗窨井液位采集與傳輸系統，通過使用雷達液位計采集液位值，并通過GPRS模塊將液位值、電池電壓、故障碼上傳到接收端或云端，使用MOS電路控制其他耗能電路的啟停，同時為了能夠靈活應對液位突增情況，選擇使用浮球開關作為預警信號，改變采樣周期，使系統能夠在正常工作模式、黃色預警、紅色預警模式下切換。通過兩類隨機實驗，證明了系統能夠穩定運行，并對電流的消耗情況進行分析，得到不同工作階段消耗的電能，估算出在假設情況下，一年的耗能為12.01 A·h，滿足系統低功耗的要求。后續準備在系統中加入趨勢預測算法，使系統能夠提前預測液位的增長趨勢，提高系統的實用性。