基于ARM Cortex-M4 的水利遥测终端机设计

盛雪瓯，沈 冰，屠佳恒

（1.永嘉县水利局，浙江 永嘉 325100；2.浙江滴石信息技术有限公司，浙江 杭州 310052）

1 问题的提出

随着社会经济和科学技术的不断发展，水利信息化在国内已经普及，特别是大中型水利工程的信息化建设和管理已达到国外先进水平。但是小型水利工程（包括小型水库、山塘、小型水闸、农村供水站、农村污水处理点等）存在数量多、分布广、地处偏远、基础设施差、投入资金巨大等不利条件，无法简单模仿大中型水利工程的建设和管理方案，很难实现全面监管。

为了满足小型水利工程的信息化建设和管理，本文提出一种基于ARM Cortex-M4 的水利遥测终端机，不仅自带摄像头专用接口，可实现小型水利工程的实时图像监控并通过4G 网络进行传输，而且数据接口丰富，能够采集包括翻斗式雨量计、格雷码式水位计和闸位计、串口式超声波和雷达水位计、模拟量输出式水位计、水质分析仪、通讯式开度仪以及开关量模块等常用水文仪表数据[1]。综合考虑运算速度、外围接口丰富程度、稳定性等要求，选用STM32F4 系列ARM Cortex-M4 内核单片机作为遥测终端机的MCU 芯片，工作频率高达168 MHz，运算速度快，高达1 MB Flash/（192+4）KB RAM，同时具备USB OTG HS/FS、以太网、17 个TIM、3 个ADC、15 个通信接口以及1 个摄像头专用接口，完全满足水利工程数据采集的功能需求[2-3]，同时具有成本低、可实施性强等优点。

2 硬件设计

基于ARM Cortex-M4 内核设计的遥测终端机硬件总体架构见图1。选用STM32F407ZGT6 芯片作为处理器，该处理器具有较多的 I/O 接口和硬件串口等资源，能更好地兼容更多数量和类型的水文仪表[2-3]。与上位机进行无线通信时有2 种方式，即通过 RS232 口外接无线4G/5G 模块和北斗模块，此2 种方式互为冗余，确保水情测报系统能稳定收到偏远地区的水文数据[4]。

图1 硬件总体架构图

2.1 电源电路

遥测终端机电源电路见图2～4。

12.0 V 转5.0 V 工作电路见图2。为减少外围器件，提高电源稳定性，该电路采用德州仪器（TI）生产的3 A 电流输出降压开关型集成稳压芯片LM2596，其内含固定频率振荡器（150 KHz）和基准稳压器（1.2 V），并具备完善的保护电路、电流限制、热关断电路等，有助于保护设备安全。

图2 12.0 V 转5.0 V 工作电路图

STM32F407ZGT6 芯片供电电路见图3。该电路利用AMS1117-3.3 正向低压降稳压器直接将5.0 V电压转变为3.3 V，为核心处理器供电，从左至右依次是输入、接地、输出。此外，C10 和C11 是输出滤波电容，能够抑制自激振荡，如果不接入这2 个电容，通常线性稳压器的输出会是振荡波形。C7和C8 是输入电容，对于交流电压整流输入，可将单向脉动电压转换为直流电压。而在图3 中输入已经是+5.0 V 直流电源，此时C7 和C8 的作用是防止断电后出现电压倒置。

图3 STM32F407ZGT6 芯片供电电路图

4G/5G 模块供电电路见图4。模块工作电压3.3～4.3 V，设计中使用推荐工作电压3.8 V，不建议用边缘值电压，电压波动会造成模块工作不稳定。MIC29302 是一种高精度、低漏电稳压器件，其输出电流达800 mA，满足4G/5G 模块电源要求。

图4 4G/5G 模块供电电路图

2.2 开关量输入电路

遥测终端机开关量输入电路见图5，采用PC817 光耦隔离电路，可以有效克服输入端引起的外界干扰。当输入电压达到3.5～30.0 V 时，光耦导通，LED1 亮，输出低电平；反之当输入低于3.0 V时，光耦不导通，LED1 灭，输出高电平。

图5 开关量输入电路图

2.3 串口电路

水利基础数据采集过程中，很多仪表采用串口通信，因此有必要设计RS485 电路（见图6）。SP3485 是+3.3 V 低功耗半双工收发器，完全满足RS-485 和RS-422 串行协议的要求，而且数据传输速率高达10 Mbps（带负载）。驱动器输出最大250 mA 的限制使SP3485 可以承受-7.0～+12.0 V 共模范围内的任何短路情况，保护IC 不被损坏，提高数据采集的稳定性。

图6 RS485 电路图

2.4 图像采集电路

图像采集已经在大中型水利工程管理中广泛应用，但大都是独立于数据采集系统的单独系统，不仅成本高、投入大，而且很难与数据采集系统融合，小型水利工程无法参照使用。随着小型水利工程信息化、数字化和智能化的发展趋势逐渐明朗以及移动通信持续进步，基于4G 网络和单片机板载的图像采集、处理已经成为可能，因此利用STM32F407ZGT6 专用摄像头接口连接OV2640 图像传感器（支持输出最大分辨率为200 万像素的图像），设计图像采集电路（见图7），可清晰抓拍小型水利工程现场的图像，例如水位尺图像等。

图7 图像采集电路图

2.5 A/D 采样电路

目前，在水利工程各类数据的采集过程中，有相当一部分仪表采集数据后通过电流形式输出信号，所以水利遥测终端机必须具备对4～20 mA 电流的采样能力。因此设计基于LM358 芯片的A/D采样电路（见图8）。LM358 内含2 个独立、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适用于高端电流检测电路，在推荐工作条件下，电源电流与电源电压无关。根据图中电路计算可知：传感器电流（A）×采样电阻 47（Ω）×2.65 放大倍数=电压（V），故单片机PA5 端测量结果为：4 mA 对应0.5 V；20 mA 对应2.5 V。

图8 A/D 采样电路图

2.6 4G 模块接口电路

多数小型水利工程地处偏远，存在运营商网络覆盖不均匀，导致数据和图像采集产生中断等问题，因此本遥测终端机无线传输采用EC20 全网通4G 模块。该通信模块是移远通信最近推出的LTE Cat 4 无线通信模块，采用LTE 3GPP Rel.11 技术，支持最大下行速率150 Mbps 和最大上行速率50 Mbps；同时在封装上兼容移远通信UMTS/HSPA+UC20 模块以及移远通信多网络制式LTE Cat 3 模块，实现3G 与4G 网络之间的无缝切换。遥测终端机安装时可根据现场信号情况选择运营商网络，保障数据可靠运行。

3 软件设计

小型水利工程遥测站点地处人烟稀少的偏远之地，一般运营商网络覆盖不均匀，存在传输信号不理想的情况。随着移动通信技术的不断发展，4G基站网络建设覆盖面扩大、资费降低，4G 通信已经成为主流方式。为适应运营商网络的信号情况，本遥测终端机设计全网通模块，方便灵活接入运营商网络。同时，为保证数据通信的有效性，选用民用北斗作为备用信道[5]。正常情况下，上报、召测或现地触发时，通过4G 模块上传数据和图像。如果4G 信号较差，采用北斗备用信道传输数据；未有信号触发时，北斗则进入空闲或者低功耗状态。遥测终端机工作流程见图9。

图9 遥测终端机工作流程图

另外，该遥测终端机的通信协议支持SL 651—2014《水文监测数据通信规约》以及SZY 206—2016《水资源监测数据传输规约》，能够应用于水文监测领域。

4 测试应用

设备搭建完成后进行实时视频采集和图像抓拍等功能测试（见图10）。测试过程中以采集水位尺图像为例，选择端口和波特率后，打开串口，左侧数据接收区会显示摄像头连接成功，右侧则实时稳定显示分辨率为640×480 的水位尺图像信息，图像参数可在程序中按要求修改，能够满足水利工程信息化应用需求。

图10 图像采集测试图

与目前市场上的遥测终端机相比，本文设计的遥测终端机自带摄像头专用接口，视频和图像传输更稳定、更可靠，同时支持超低功耗运行，具有成本低、安装方便等优点。外壳采用IP67 防水等级，设备接地后防雷功能良好，可长期在野外恶劣环境中运行，特别适用于小型水利工程信息化建设领域。

5 结 语

小型水利工程的全面信息化监管已成为发展趋势，本文提出基于ARM Cortex-M4 的遥测终端机，配置专用摄像头接口，可实时采集现场视频、抓拍图像，代替单独的视频监控系统。利用丰富的外围接口实现开关量、串口、模拟量、脉冲等数据的采集功能，能够无缝接入目前水利工程中的常用仪表，并通过4G 全网通模块和北斗信道实时传输数据和图像，可大大降低小型水利工程信息化建设的成本、缩短建设工期，具有较高的可行性，同时对未来嵌入式系统处理图像、识别水位具有借鉴意义。