基于射频的低功耗水利水文信息采集系统设计

张志坚，唐跃平，刘 敏，智永明，2，尹新沆

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心江苏 南京 210012；3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

基于射频的低功耗水利水文信息采集系统设计

张志坚1，唐跃平1，刘 敏3，智永明1，2，尹新沆1

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2.水利部水文水资源监控工程技术研究中心江苏 南京 210012；3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098）

本文设计了一种基于SI4463射频芯片的无线数据采集模块。数据采集终端选用MSP430F149为核心微处理器芯片，选用SI4463作为射频通信主芯片，实现对雨量、水位、土壤水分等水文信息的短距离无线传送。本设计主要有硬件和软件两部分，软件设计部分重点讲了低功耗和时间同步问题。该数据采集终端具有低功耗、低成本、可靠性高等特点。

射频；MSP430单片机；低功耗；SI4463；时间同步

近些年国内水利水文行业信息化系统初成规模，其中包括江河流域水文站点、大型灌区等。随着科技的进步，无线传输方式已逐步代替有线传输方式完成水文、土壤墒情等信息的传送。长距离通常使用GPRS、CDMA无线通信模块完成上下位机的通信，这种方式过分依赖于电信运营商，电信运营商收费较高，成本是持续性的，不适合短距离通信。由此短距离通信技术在灌区等需要在局部范围内布置多站点构成网络的场合倍受亲睐，短距离通信技术例如Zigbee技术、WiFi技术、射频通信技术等，由于Zigbee和WiFi技术传输距离通常在200～300米左右，而基于SI4463的射频模块通信距离为1 000 m以上，在水利水文信息的短距离通信系统中应用前景广阔。

随着电子科技的飞速发展，嵌入式系统的低功耗设计已经成为相关电子产品

最重要的指标之一。节能、环保是国家和社会普遍关注的问题，为了提高产品的市场竞争力，提高电的使用效率，全世界范围内，从芯片制造商到应用商，从芯片设计到嵌入式外围电路设计都在努力实现低功耗，低功耗设计已然成为电子产品设计的终极目标之一。

1 采集系统设计

采集系统结构图如图1所示。

从系统结构图中可以看出整个系统中PC机处在最上层，也是数据传输的最终节点。远程数据传送终端（RTU）通过GPRS网络与主控机通信，RTU通过232串口与上位机（中心模块）通信［1］。

中心模块（上位机）的作用是通过射频通信方式接收终端模块（下位机）采集到的数据，存储后通过RTU发送至主控机。一个中心模块理论上可以同多个终端模块通信，将所在网络的下位机采集到的数据汇集、存储并最终发送到主控机。

图1 无线数据采集系统结构图Fig.1 Wireless data acquisition system structure diagram

下位机电路具有多种接口，可以接收频率信号，模拟量信号，脉冲信号等，下位机通过中断方式接收上位机发送的数据请求命令，接到命令后将采集到的数据通过SI4463射频模块发送到上位机。上位机和下位机的微处理器均选择MSP430F149单片机，该单片机性能强大且功耗很低。

中心节点和终端节点在MCU的控制下同步唤醒，完成数据采集、发送和接收，MCU基于时钟芯片完成同步校时，保证终端节点和中心节点的同步唤醒，确保数据的正常采集、发送和接收。

2 系统硬件设计

系统硬件设备包括主控机、RTU以及RTU后端的上位机和下位机，其中主控机和RTU分别选用PC机和大品牌的RTU模块即可。RTU后端的上位机（中心模块）和下位机（终端模块）在硬件电路设计上没有区别，使用同样的电路板，但实现功能所运行程序不同。上下位机电路设计结构图如图2所示。

图2 上下位机电路设计结构图Fig.2 Master and slave machine circuit design assumption diagram

2.1 数据采集模块电路构成

数据采集模块硬件结构图如图2所示，MCU选用超低功耗单片机MSP430F149，MCU配有存储芯片和时钟芯片［2］，存储芯片选用AT24C512C，512K的存储空间弥补单片机存储空间较小的缺陷，其通过I2C总线连接到单片机；时钟芯片选用常用的DS1393为终端模块和中心节点的同步唤醒做时间基准。数据采集模块集成了雨量计信号采集电路、AD信号接口、水位计信号接口（频率信号）、土壤墒情传感器接口、RS232和RS485串口等信号接口，方便多种水利水文信息的采集。

2.2 电源控制模块

芯片的工作电压和工作频率是实现低功耗的两大主要因素。为了实现低功耗，电源电路设计了3.3 V供电电压，单片机及其外围接口芯片均选用3.3 V的工作电压标准，整个电路板采用4节1.5 V电池供电，电源控制模块核心芯片选用AMS1117-3.3 V稳压器。

2.3 无线通信模块

以SI4463是一款高性能的射频芯片（RFIC），输出功率为20 dBm，灵敏度为-126 dBm，通信距离达1 000 m以上，超低功耗表现为，在掉电模式30 nA（4.21 ms），待机模式50 nA；接收电流10/13 mA、最大发射电流85 mA。以SI4463为核心的射频模块已经有成熟的产品可以购买使用，需要注意的是在主板绘制PCB时预留间距为1.27 mm的12孔插口与单片机相连接，特别注意的是插孔应预留在主板的边缘，远离单片机等其他芯片，SI4463与单片机的通信方式是模拟SPI，模拟SPI即不用在硬件上连接单片机的SPI口而是通用IO口模拟SPI串口的工作方式实现数据通信，这种方式特点是具有很高的可扩展性［3］。

2.4 几种信号采集电路设计

2.4.1 雨量计信号采集电路

MCU接收到雨量计信号是开关量信号，信号调理电路选择74HC123D单稳态多谐振荡器作为信号处理芯片，作用是将输入的开关量信号整形为方波信号以便单片机读取。其电路图如图3所示。

2.4.2 频率信号采集电路

频率信号主要是水位计信号，频率信号从先通过锁存芯片 74HC373锁存，之后通过 5.0～3.3 V的电平转换芯片SN74LVC4245将信号电平转换为与单片机相匹配的电平，电路图如图4所示。

图3 雨量计信号采集电路Fig.3 Gauge signal acquisition circuit

图4 频率信号采集电路Fig.4 Frequency signal acquisition circuit

3 软件设计

3.1 前后端模块软件设计

软件架构主要分为两个模块，第一个是前端通信模块，第二个是后端通信模块，分别对应于硬件电路中的终端节点和中心节点，其硬件设计完全相同，软件功能各异。前端模块负责雨量计、水位计、土壤墒情信息的采集和接收以及数据的发送；后端模块负责前端模块数据的接收与存储，并发送到数据采集终端，同时发出校时命令与对前端模块的时间进行校准。

后端模块和前端模块以主从关系进行通信，即后段通信模块为主机，前端通信模块为从机。

3.2 低功耗模式控制

3.2.1 单片机低功耗模式控制

MSP430F149单片机是一款低电压［4］，超低功耗单片机，在正常工作模式下280μA@1 MHz，待机模式下1.6 μA，掉电模式下0.1 μA，具有5级节电模式［4］。

MSP430单片机提供了一种活动模式和 5种低功耗模式，分别为：活动模式AM，低功耗模式0（LPM0）、低功耗模式1（LPM1）、低功耗模式2（LPM2）、低功耗模式3（LPM3）、低功耗模式4（LPM4）。

以上6种工作模式由CPU的状态寄存器SR的控制位SCG0、SCG1、OscOff、CPUOff配置决定。通常情况下通过软件设定CPU于某种低功耗状态下，当需要时即可使用中断将CPU唤醒，完成工作后又可以进去休眠状态［5-6］。

各种工作模式下单片机的耗电情况如图5所示。

图5 单片机各种工作模式下的耗电情况Fig.5 Power consumption of the microcontroller under various working mode

3.2.2 SI4463射频模块低功耗模式控制

射频模块主芯片SI4463是一款具有多种工作模式的射频芯片，包括发送模式（TX State）、接收模式（RX State）、准备模式（Ready State）、SPI工作模式（SPI Active State）、睡眠模式（Sleep State）、待机模式（Standby State）、掉电模式（Shutdown State）。

射频模块核心芯片SI4463的各种工作模式下耗电情况如图6所示。

基于SI4463的射频模块软件上配有封装好的低功耗模式函数，方便调用。当主板CPU处于低功耗状态时，射频模块也处于低功耗状态，主板CPU被唤醒之后，由主板CPU唤醒射频模块，使模块进入准备模式，完成工作后，CPU设置射频模块进入睡眠模式，最后主板CPU进入相应的低功耗模式。

唤醒射频模块程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（0）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（0）；

设置进入睡眠模式程序：

GoToReadyOrSleepModeAfter_WUT（1）；

EnableOrDisableWakeUpTimer（1）；

图6 射频模块各种工作模式下的耗电情况Fig.6 Power consumption of RF module under various operating modes

3.2.3 功耗计算

1）工作模式下：

2）休眠模式（低功耗）下：

单片机MSP430低功耗模式选择LPM3，此模式下电流为1.6 μA。

3）更换电池时间计算：

一个小时内整个模块每15分钟启动一次，即一个小时启动4次，每次工作时间10 s，即总工作时间是40 s，其他时间模块均处于低功耗状态。

供电电池选用4节容量为2 050 mAh的5号电池。设H为小时，Y为年，计算结果如下：

即4节容量为2 050 mAh的5号电池可以供给数据采集模块约1年半的时间。

3.3 前后端模块时钟同步实现

时钟同步是射频通信实现低功耗运行的关键技术，通过时钟同步来实现多台射频通信模块同时上电工作，工作完成后即进入休眠模式，降低设备功耗。时钟同步由后端通信模块为主，通过校时命令对前端通信模块进行校时操作，从而实现时钟同步。其软件流程如图7所示。

前端模块和后端模块时间同步需要加时间补偿，设补偿时间为T，补偿时间由两部分组成：第一部分是后端模块发送时间参数时加的延时时间，设此时间为Td；第二部分为数据的传输时间设为Tt，包括单片机与射频模块的SPI通信时间和信号在空中传输的时间，分别设为Ts和Ta。

图7 时钟同步流程图Fig.7 Clock synchronization flow chart

即补偿时间为0.2 s。

4 结束语

本文设计的低功耗数据采集系统主要讲了上位机和RTU后端部分的设计，上位机和RTU部分搭配现有的平台即可。

中心模块和终端模块在硬件设计上并无大区别，区别在软件上，中心模块相当于中继端，一个中继端可以带多个终端模块。在硬件设计上有几点要注意。

1）调试实验阶段，电路板的供电使用变压器供电，即电路板上预留5 V的直流电源接口，以节省试验阶段的开支。产品阶段则使用电池供电，去掉实验阶段的直流电源接口。

2）SI4463射频模块是封装好的标准模块，设计电路母版时在距离电源电路、时钟电路较远的电路板边缘预留射频模块接口，避免信号干扰。

3）射频模块天线采用外接式天线安装到设备箱外部，方便安装同时保证信号强度和抗干扰性。

本设计选用超低功耗单片机MSP430F149和低功耗射频模块SI4463模块，同时通过软件控制单片机和射频模块的工作模式使各个模块在工作模式和低功耗模式之间有效切换，以实现整个下位机部分的低功耗设计。

［1］张胜波，马小军，詹俊.基于nFR401的无线多点数据采集系统［J］.单片机开发与应用，2007（23）:96-98.

［2］谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［3］王志勇，孙顺远，徐保国.基于SI4463的低功耗无线窖池测温系统的设计与应用［J］.计算机测量与控制，2014（22）: 519-524.

［4］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［5］杜娟.基于MSP430F149低功耗模式的设计与应用［J］.低压电器，2006（10）:21-24.

［6］潘盛辉，郭毅锋，黄丽敏，等.基于MSP430F149的手持式RFID读写器低功耗设计［J］.电子技术应用，2008（11）: 51-53.

Design of low power consumption of hydrological information collection system based on radio frequency

ZHANG Zhi-jian1，TANG Yue-ping1，LIU Min3，ZHI Yong-ming1，2，YIN Xin-hang1
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，Nanjing 210012，China；2.Research Center on Hydrology and water resources monitoring of the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；3.College of Water and Hydropower Engineering of Hohai University Nanjing 210098，China）

This paper describes the design of a wireless data acquisition module based on SI6643 RF-chip.Data acquisition terminal uses MSP430F149 as the main microprocessor chip，SI4463 is chose as the main chip of RF communication，achieve the short distance transmission of the hydrological information which include the rainfall，water level，Soil moisture and so on.This design mainly has two parts:hardware and software，the software design part focus on low power consumption and time synchronization.This data acquisition terminal has some characteristics as follow:low power consumption，low cost，high reliability and so on.-

RF；MSP430；low power consumption；SI4463；time synchronization

TN98

A

1674－6236（2016）04-0175-04

2015-05-19 稿件编号：201505171

水利部公益性行业专项（ZA1513001）；河海大学中央高校基本科研业务费项目（2014B26014）作者简介：张志坚（1987—），男，甘肃环县人，助理工程师，硕士。研究方向：自动化、嵌入式研究。