作者：桂林电子科技大学信息与通讯学院 谢君 赵利
本文介绍了一种新式自报式低功耗水文遥测体系的规划办法与完结计划，在剖析了自报式低功耗水文遥测体系的作业原理、首要特色和根本功用的根底上，介绍了依据PIC16F877单片机的水文遥测终端机的规划与完结计划，包含作业体系、传感器挑选和通讯协议的规划，以及硬件电路规划与完结和软件结构与程序流程。
雨情、水情信息是防汛决议计划及水利调度的根底信息，及时、精确地搜集、传输，处理江河、水库、水电厂及城市的雨情、水情信息，建成防汛指挥及水调主动化体系，可确保预告决议计划、防汛安全、合理运用水资源，终究到达防汛减灾、合理调度、经济运转、兴利增效的意图。
自报式水文遥测体系能在无人值守情况下，主动搜集雨量、水位和其他水文参数的实时数据并主动报送所搜集的数据，得到广泛应用。传统水文遥测终端多选用MC-51单片机做为操控芯片，集成度低，规划较为烦琐，外围电路较杂乱。PIC单片机是MICROCHIP公司近年来推出的新式单片机系列，本文以PIC16F877单片机作为数据搜集终端机中心操控芯片，规划一种新式的水文遥测体系，具有体积小、功耗低、指令集精简、抗干扰性好、牢靠性高、扩展性强等特性，用PIC单片机规划水文遥测体系终端机较传统51单片机的规划愈加灵敏，外围电路更精简。
水文主动测报体系的根本组成
体系由终端机（遥测站）、中继站（信息传输通道）以及中心站三部分组成。组成结构如图1所示。 
图1 体系组成示意图
终端机经过传感器主动实时地进行水位及雨量数据的搜集，并经过无线电台向中心站发送数据，通常用超短波频段，功率5～25W，当通讯间隔超越50km，或有高山阻挠时，可设置中继站，进行再生转发，中心站接纳数据后可进行数据剖析及处理。
水文主动测报体系的体系整体功用
数据接纳、处理：实时接纳遥测站的雨情、水情等信息；主动查看数据帧格局，并进行合理性判别；加注时标，主动存储。
应对、查询：守时或人工查询部属站点的雨情、水情等信息及其作业状况。
数据库办理：包含原始数据库、前史数据库、预告或效果数据库的构成、检索、查询等。
数据输出：可经过显现器（包含大屏幕显现）、打印机、绘图仪等输出雨量直方图、水位、流量进程线等、雨量线图等。
洪水预告及优化调度：包含洪水预告参数初始化、参数 设置/修正、守时预告、脱机估报、水库优化调度，效果存储、输出。
连网通讯：可接入局域网或广域网完结数据同享，可完结多计算机串行通讯，经过电话线可完结数据传输。
状况告警：依据设定的告警雨量、水位值，可完结主动声光告警，并可经过电话线完结电话言语报警。
水文遥测终端机规划
1 作业办法挑选
现在，水文遥测体系有三种作业办法：（1）自报式：每逢被测的水文参数产生一个单位变化时，遥测站主动搜集发送一次数据；（2）应对式：中心站主动守时或随机呼叫遥测站，查询其水文数据；（3）兼容式：既具有自报功用，又具有应对功用，在水文数据无变化、中心站未发送查询恳求时体系回来低功耗状况。考虑到用户需求、体系作业环境和特色，以及对低功耗和高牢靠性的要求，本体系挑选选用自报式作业办法。
2 传感器以及功用要求
雨量、水位和电压信息别离经过各自的传感器接到微操控器的I/O口，微操控器对这些数据进行搜集，然后进行相应的处理。雨量传感器选用翻斗式雨量计，分辨率为1mm；水位传感器选用浮子式水位计，分辨率为1cm。
3 通讯协议规划
通讯速率为300b/s。FSK副载波频率契合CCITTV21或V23规范。异步通讯帧格局：1位开始位，8位信息位，1位奇校验位，1位中止位。
数据帧格局如表1所示。其间，帧同步（开始）字节为02H，帧完毕字节为03H；校验字节（8比特）是站址字节、帧特征字节、数据高位字节、数据低位字节的模2加；站址字选用十进制紧缩BCD编码办法；帧特征字界说如表2所示。数据字段选用两字节长度，分为数据低位和高位。编码办法由特征位界说，其间水位可为十进制或二进制，而雨量为二进制表明。
编码规矩选用重复编码，办法是每次重发三帧，承受端大数判定。发送操控及时序如图2所示。 
图2 RTX与TXD的时序图
4 硬件电路规划与完结
终端机选用P%&&&&&%16F877作为中心芯片，具有以下优势：芯片集成了很多的外围部件,是低作业电压、超低功耗、高功用的微操控器，在@32kHz”>3V@32kHz时典型值小于20μA，典型稳态电流值小于1μA，UART可扩展RS-485、发送数据以及编程扩展，I2C接口可作编程扩展，EEPROM可作数据材料寄存器，ADC可作欠压检测、掉电检测以及外部模拟量输入扩展，并有监控守时器WDT防止体系死机，芯片集成度高，整个板子只须另加RS-485驱动和DC/DC改换器芯片即可。
因为模块中既有+12V供电的模块又有+3.3V供电的模块，因而必须在电路中规划电压转化电路。考虑到FM发射机需求+12V供电，且降压电路易于完结，所以+12V部分选用直接供电，而+3.3V部分选用降压后的电源供电的供电计划。在DC/DC改换芯片的挑选上，选用比较常用的LP2950来完结+12V～+3.3V的电压转化。LP2950是SIPEX公司推出的低功耗电压调理器，十分适用于一些电池供电体系，其具有低静态电流、低压差等特性，十分杰出的负载及线路调理特性，适合做低功率电压源。
该规划留有压力式水位计扩展接口，可用于今后有扩展需求时进行运用。经过DIP编程开关可设置该机是否清零,守时发送水位仍是雨量以及终端机站址的设置。为了便利维护,在规划中增加了强发功用,按动[send]键后,则终端机进入发送状况。此刻发送进程与守时发送相同。硬件电路图如图3所示。
图3 终端机电路图
5 软件规划与完结
整个程序选用模块化结构，分为主程序和中止程序，包含根本的CPU时钟和外围模块的初始化，以及各功用模块的完结，如数据搜集、数据处理、通讯等。
主程序履行对守时器、串行通讯等的初始化，体系的晋级，搜集、收拾、发送数据等进程，最终进入省电形式，以中止服务唤醒CPU，主程序流程图如图4所示。 
图4 主程序流程图
中止服务首要有雨量计数、水位数据搜集、守时发送进程。守时从水位计大将水位数据读入,并加以剖析,依剖析成果确认是否把所读入的水位数据写入带有维护的数据存储区并发送。相同，当雨量信号到来时，雨量数据写入数据存储区中并发送。中止程序流程图如图5所示。 
图5 中止程序流程图
中心站的功用与结构
中心站由实时监控服务器、数据库服务器、通讯设备、电源体系、防雷设备、软件体系等组成，含中心软件及洪水预告软件，可以会集遥测体系内各终端机的水文数据。
图6 中心站拓扑结构示意图
中心站首要完结以下功用：
● 实时显现水文信息。
● 完结各水文站、遥测站的雨量、水位信息的接纳和存储。
● 完结水文水资源信息省中心或防汛部分、主动测报体系中心的主动传输。
● 供给实时水情剖析及水情预警服务。
● 对站点恣意时刻的水位、雨量、日雨量和累计雨量信息的查询。
● 对所构成各种水文要素材料整编成表。
定论
本规划和研讨首要意图是为了进一步优化水文遥测体系的功用，经过运用这种新式芯片规划，下降遥测终端机功耗，完结终端机外围电路最简化，并留出了软件更新以及附加硬件设备的扩展接口，进一步提高了自报式水文体系的功用。试验成果表明，规划计划可行，体系作业安稳牢靠，到达了预期方针。
