文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.012
中文引用格式： 溫立民，巨永鋒，朱旭，等. 基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面徑流采集器研究[J].電子技術應用，2016，42(2)：46-49.
英文引用格式： Wen Limin，Ju Yongfeng，Zhu Xu，et al. Research on low-power consumption collector for triangular-notch weir stormwater runoff on the basic of Cortex-M3[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：46-49.
0 引言
地表坡面徑流數據采集在高速公路泥石流和農業灌溉土壤墑情研究及應用中起著重要作用，但目前對地表坡面徑流采集、處理和控制手段存在功能簡單、功耗高等諸多問題[1-2]。通常情況下坡面徑流采集設備是野外無人值守，安裝現場通常情況下需太陽能供電，這對采集系統的功能穩定性、功耗提出了更高要求。由于太陽能供電的設備在連雨天無法滿足要求，能否設計出低功耗的坡面徑流采集裝置保證在連雨天存儲的電量滿足系統運行，成為了坡面徑流采集系統穩定工作的關鍵[3-6]。本文以Cortex-M3為內核的STM32F103系列芯片搭建便攜式坡面徑流采集硬件平臺，經安裝測試，系統功能穩定，功耗低，適合于野外無人值守的坡面徑流信息采集。
1 低功耗坡面徑流采集器總體框架
1.1 三角堰坡面徑流量采集模型
三角形堰的流體流量公式[7]：
式中，qv是三角形堰的徑流量(m3/s)，h是實測水頭(m)。若三角形開口角度θ一定，水流量由實測水頭h決定，因此測量出水位h即可計算出通過三角堰界面的流量，即坡面水徑流量。
1.2 采集器硬件框架設計
坡面徑流采集器以STM32為主控芯片，采用STM32 的串口0（uart0）與上位機通信（通信格式如表1），串口1-4（uart1-4）由485總線接若干個傳感器，用于接收傳感器數據。這些傳感器分為4個水位傳感器組（組1-組4，如圖1所示），每組中傳感器的最大個數不超過8個，每個傳感器有自己的節點號，各節點通過Modbus協議與主芯片通信。485通信線為4芯，其中兩根是電源和地，主芯片通過I/O口控制開關管可以開啟和關閉組內傳感器電源，以節省功耗開銷。采集器配置有一個RTC時鐘生成電路，一塊2.8寸TFT LCD彩屏并擴展一個SD卡。RTC時鐘產生當前的時間；LCD顯示與用戶交互；SD用于存儲采集的數據和時間，用戶可方便地通過SD卡將數據上傳到計算機。
水位采集傳感器采用數字型傳感器，其通信協議為Modbus_RTU協議。如表2所示，每個傳感器可作為一個節點掛接在數據RS485總線。
2 坡面徑流采集器硬件設計
2.1 采集器LCD顯示模塊接口硬件設計
液晶顯示模塊主控制器為ILI9341，其與STM32接口如圖2所示，STM32可通過SPI總線對液晶初始化。STM32芯片集成了FSMC總線接口控制器，本文將LCD模塊看成SRAM掛接在FSMC總線上。液晶接口模塊用到了FSMC總線的16位數據總線(數據傳輸格式RBG為5:6:5)，片選線FSMC_NE, 寫線FSMC_NE，讀線FSMC_NOE和地址線FSMC_A10，FSMC_A10是 STM32對ILI9341數據和命令的區分引腳，可實現命令和數據的分時傳輸。
2.2 坡面徑流采集器存儲電路的硬件設計
本文擴展了SD存儲卡作為數據存儲介質，SD存儲卡與STM32的接口如圖3所示。STM32采用SPI總線方式與SD卡通信，SPI采用三線制，SPI2_CLK、SPI2_MISO和 SPI2_MOSI，加上一根片選和讀寫允許線，就可方便地實現二者之間的數據傳輸，且讀寫時鐘可達2 MHz。
3 坡面徑流采集器軟件功能設計
（1）水位采集和存儲
采集器按采集間隔設置輪詢4個傳感器組，采集到的節點數據經打包存儲在SD卡存儲器中。數據包由16 B組成（如表3所示）。數據包分為3個部分：采集包頭、采集時間和數據。包頭分采集序號、組號等，采集時間為7 B的BCD碼，記錄了當前采集時間，節點數據為2 B(低字節在前)。
（2）坡面徑流采集器菜單功能
為降低功耗，坡面徑流采集器設置了5個主要菜單功能，如圖4所示。包括休眠時間間隔設置、存儲時間間隔設置、刪除數據、下位機校時、時間設置。休眠時間是根據用戶需要設置休眠時間(設置范圍為6 min～2 h)；數據存儲時間是根據用戶需要設置存儲時間間隔（設置范圍為30 s～1 h）。
（3）休眠選擇功能
休眠流程圖如圖5所示，如果選擇休眠功能，則采集器將按設定時間間隔自動進行休眠與喚醒。如果不選擇休眠功能，采集器不進入休眠。此功能是休眠時間設置的前提，只有選擇了此功能，休眠時間設置功能才能生效。
4 坡面徑流采集器功能測試
采集器整體實物圖如圖6所示，由前面板、底板和液晶模塊組成。前面板上設置有5個按鍵，用于功能選擇；液晶模塊設置兩個界面，一個是采集界面，一個是菜單界面。采集界面用于顯示當前水位實時值、采集間隔、系統時鐘等；菜單界面設置了采集間隔時鐘、休眠時間間隔設置等功能，通過按鍵選擇可在菜單項間切換。
4.1 采集功能測試
采集器可按菜單設置的采集間隔對底層量水堰傳感器進行輪詢發請求，各節點傳感器接到請求后將數據包上傳給采集器，表4為粘土條件下4路RS485采集的坡面徑流數據（記為組1，組2，組3，組4）。每路RS485總線上掛接了6個傳感器，分別編號1-6，從1到6號三角堰的水槽水位逐漸增高，采集到的水位及計算得到的坡面徑流量如表4所示。
4.2 坡面徑流采集器功耗測試
項目以采集器掛接32路傳感器進行功耗測試。采集系統在不休眠且外圍設備時鐘電源全部打開的情況下功率耗散約為900 mW，而現場太陽能供電為10 W，在此條件下僅能持續工作11 h；若在關閉不需要的外設時鐘的情況下，能持續工作16 h，這遠遠達不到用戶要求。因此需要為采集器設置休眠功能和傳感器電源配置功能。經測試每個外部傳感器功率約為240 mW，對于整個系統功耗而言所占比例較高，所以需要在采集器休眠的情況下將傳感器電源一并關閉。
經過外場對系統測試，光伏充電關閉后系統工作時間如表5所示。從表5可知休眠時間越長，系統待機時間越長，當設置休眠時間為60 min，傳感器電源關閉的情況下系統可連續工作62天，這可以滿足系統在國內大部分地區最長連陰雨天下正常工作。
4.3 坡面徑流采集器數據下載/上傳測試
采集器數據存儲在SD卡中，用戶可直接將SD卡取出讀取存儲的水位數據，也可通過GPRS/RS485/RS232上傳到上位機中進行處理。本文采用JBOSS搭建了上位機數據顯示及處理軟件，該軟件為用戶提供可選擇的通信方式（GPRS/RS485/RS232/TCP）與采集器通信，將SD卡中的數據遠程存儲、顯示，最多可實時接收/顯示60路水位數據。圖7為采集器數據經RS232方式通信后的顯示界面， 本次測試采集了32路水位數據，采集時間間隔30 s，休眠5 min，數據顯示單位為ms。
5 結束語
本文基于STM32設計三角堰坡面徑流采集器，采集器通過RS485總線擴展4路傳感器，最大可采集32路傳感器數據，采集精度<0.3 mm，分辨率為0.1 mm。設計了LCD人工交互界面，可完成休眠、采集間隔設置等功能。采用多種途徑減少功耗，在10 W光伏電池供電下最長穩定工作62天。經測試可滿足高速公路泥石流及坡面徑流小區水土流失過程監測。
參考文獻
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