应用于智慧灌溉等信息化系统的遥测终端机设计

张 丽，唐有为

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

0 引言

近年来，随着科学技术的进步，我国的农业模式由传统型、机械化向智慧型发展。智慧农业就是利用电子信息技术、网络技术，对农业生产过程进行智能监测，通过分析监测数据，远程控制、按需供给实现智能化管理，促进农业可持续发展。

我国虽然是水资源大国，但是人均占有量相对较少，属于缺水国家。而农业用水占据了用水总量的80%。由于我国农业灌溉长期采用粗放式灌溉，造成了大量的水资源浪费，节水灌溉问题长期限制着我国农业的发展。智慧灌溉将成为解决我国农业水资源浪费的必经之路，具有广阔的发展前景和市场需求[1]。

遥测终端机作为监测数据采集及设备控制端，广泛运用于智慧灌溉、山洪灾害防治及水资源监控系统中，以智慧灌溉为例，遥测终端机能够对农业生产过程的雨量、流量、土壤墒情等要素进行实时监测，通过GPRS 网络将数据发送给中心站。中心站通过分析相关数据，对农业生产区域灌溉设备进行远程控制，合理地对水资源灌溉调度分配，实现智慧灌溉的目的。

1 智慧灌溉系统结构

智慧灌溉系统主要由传感器（包括雨量、流量、墒情等）、遥测终端机、通信设备、中心站组成（见图1）。系统中数据传感器负责采集相关信息数据，遥测终端机通过接口与各传感器连接，读取各传感器采集的实时监测数据，通过GPRS网络，发送至中心站，中心站计算机系统对接收的数据进行分析处理，判断农业生产现场需水情况，按照设定程序向遥测终端机发送指令，遥测终端机根据所接收的中心站指令，对相关传感器进行控制操作，达到智慧灌溉的目的[2]。

图1 智慧灌溉系统结构框图

2 遥测终端机结构

遥测终端机作为各种数据的连接终端，是智慧灌溉系统的核心组成部分之一。不仅需要将传感器采集到的相关数据发送给中心站，还需要接收中心站发送的控制指令执行相关控制操作，起着上传下达的枢纽作用，是连接原始数据与计算机系统的桥梁。

随着计算机、电子信息、通信技术的发展，遥测终端机也不断朝着智能化、小型化、低功耗及多功能等方向发展。针对智慧灌溉系统等信息化系统中遥测终端机工作环境的特殊性，为解决目前大部分遥测终端机需要携带笔记本电脑进行维护的问题，本遥测终端机设计有蓝牙模组，当现场工作人员需要对遥测终端机进行相关操作时，可通过触发按钮激活蓝牙功能，然后通过手机或平板电脑的APP 进行访问操作，方便用户进行现场巡检运维工作。结构框图见图2。

图2 遥测终端机结构框图

其中，微处理器是遥测终端机的核心处理元件，负责遥测终端机的整体控制、工作流程、数据处理等；实时时钟模块负责为微处理器提供工作时钟；电源管理模块负责为遥测终端机整体提供电源及电压监测等工作；USB 接口模块能够提供遥测终端机与其他设备通过USB接口通信；键盘可以对遥测终端机进行相关操作；LCD显示屏负责显示操作界面和数据；传感器接口模块负责提供与各种传感器的连接接口；蓝牙模块可以为其他设备提供蓝牙通信功能；Flash 存储模块负责存储相关数据；通信模块负责遥测终端机与中心站进行远程无线通信。

3 遥测终端机硬件设计

3.1 微控制器及外围设备

本遥测终端机选用超低功耗32 位高性能处理器，可高速采集摄像头图像，通过外置的钮扣电池，可确保断电存储和实时时钟的不间断，内置A/D 转换器，满足采集模拟信号需求。

通过外置石英晶振的方法，确保遥测终端机实时时钟工作的准确性，减少误差。

3.2 电源管理模块

为满足遥测终端机的低功耗要求，本设计通过电源管理模块和工作模式设计的方法降低整机功耗。其中非常供电模块由常供电模块进行管理，只有在需要工作时才给它们加电。常供电模块包括微控制器、LCD 显示屏、蓝牙模块等、通信模块；非常供电模块包括传感器接口模块、Flash 存储模块等。电源管理模块结构图见图3。

图3 电源管理模块结构图

常供电模块和非常供电模块的低压差线性稳压器芯片选用MAX1659 芯片。该芯片在提供稳定电压输出的同时，功耗较低，控制简单。通过SHDN端口的高低电平输入即可控制工作状态，在关断状态下，消耗电流仅为1uA。

同时，为保证遥测终端机低功耗，常供电模块在不需要工作的时候将会进入超低功耗的休眠状态，既满足低功耗的要求，也可以快速被唤醒激活，立即进入工作状态。如LCD显示屏，遥测终端机检测用户在30 s 内没有任何操作指令，LCD 显示屏将熄灭，进入休眠状态。若检测到用户有按键操作，LCD显示屏将被点亮；蓝牙模块在非维护状态下都处于休眠状态，只有当LCD 显示屏点亮时才被唤醒，此时可以被搜索并保持连接，若LCD 显示屏熄灭且2 min 内无其它蓝牙设备连接，蓝牙模块将进入休眠状态；通信模块只有在遥测终端机进行数据发送和接收的时候保持在工作状态，其他时间将根据参数设置，可处于常工作状态或进入休眠状态。

3.3 蓝牙模块

蓝牙模块芯片具有高性能、低功耗以及外部元件少的特点，休眠模式下，功耗仅1uA，体现出遥测终端机低功耗的优势。

4 工作模式设计

根据使用要求，本遥测终端机通信标准可执行水文或水资源监测数据通信规约，标准可包含有自报模式、查询应答模式。

（1）自报模式不受中心站控制，由遥测终端机主动上报监测要素数据，主要包括定时报、加报报和小时报。定时报可按照设定的时间定时将设定的监测要素上报给中心站；加报报是当监测要素在一定时间内量值变化超过设定阈值，立即加报设定的监测要素给中心站；小时报是时间到达整点，即将设定的监测要素上报给中心站。

（2）查询应答模式是遥测终端机不主动发送监测数据，由中心站发起查询召测命令，遥测终端机根据中心站指令，返回对应的数据信息给中心站。

两者特点是：自报模式由于只有当需要上报数据给中心站的时候通信模块才需要工作，其它时间处于休眠状态，功耗较低；查询应答模式需要遥测终端机始终保持在线，才能接收到中心站的指令，功耗较大[3]。

为适应多种使用需求，在常规通信模式基础上设计增加兼容模式，即遥测终端机可按照自报模式、定时自报和加报相关监测数据信息。发送成功后，遥测终端机始终与中心站保持连接，中心站此时可下发操作指令给遥测终端机修改相关参数，达到切换不同控制模式的目的。且用户可根据需要，设置建立连接后遥测终端机保持在线的时间长度。待到达保持在线时间后，遥测终端机将退出工作模式，进入休眠模式。

5 结语

本文针对智慧灌溉等信息化系统中遥测终端机工作环境的特殊性，设计的低功耗多功能遥测终端机，方便用户进行现场巡检运维工作。通过将遥测终端机各模块划分为常供电、非常供电两类和设计兼容工作模式，大大降低了遥测终端机的功耗，达到了节能的目的。