文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.012
中文引用格式： 温立民，巨永锋，朱旭，等. 基于Cortex-M3低功耗三角形堰坡面径流采集器研究[J].电子技术应用，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
地表坡面径流数据采集在高速公路泥石流和农业灌溉土壤墒情研究及应用中起着重要作用，但目前对地表坡面径流采集、处理和控制手段存在功能简单、功耗高等诸多问题[1-2]。通常情况下坡面径流采集设备是野外无人值守，安装现场通常情况下需太阳能供电，这对采集系统的功能稳定性、功耗提出了更高要求。由于太阳能供电的设备在连雨天无法满足要求，能否设计出低功耗的坡面径流采集装置保证在连雨天存储的电量满足系统运行，成为了坡面径流采集系统稳定工作的关键[3-6]。本文以Cortex-M3为内核的STM32F103系列芯片搭建便携式坡面径流采集硬件平台，经安装测试，系统功能稳定，功耗低，适合于野外无人值守的坡面径流信息采集。
1 低功耗坡面径流采集器总体框架
1.1 三角堰坡面径流量采集模型
三角形堰的流体流量公式[7]：
式中，qv是三角形堰的径流量(m3/s)，h是实测水头(m)。若三角形开口角度θ一定，水流量由实测水头h决定，因此测量出水位h即可计算出通过三角堰界面的流量，即坡面水径流量。
1.2 采集器硬件框架设计
坡面径流采集器以STM32为主控芯片，采用STM32 的串口0（uart0）与上位机通信（通信格式如表1），串口1-4（uart1-4）由485总线接若干个传感器，用于接收传感器数据。这些传感器分为4个水位传感器组（组1-组4，如图1所示），每组中传感器的最大个数不超过8个，每个传感器有自己的节点号，各节点通过Modbus协议与主芯片通信。485通信线为4芯，其中两根是电源和地，主芯片通过I/O口控制开关管可以开启和关闭组内传感器电源，以节省功耗开销。采集器配置有一个RTC时钟生成电路，一块2.8寸TFT LCD彩屏并扩展一个SD卡。RTC时钟产生当前的时间；LCD显示与用户交互；SD用于存储采集的数据和时间，用户可方便地通过SD卡将数据上传到计算机。
水位采集传感器采用数字型传感器，其通信协议为Modbus_RTU协议。如表2所示，每个传感器可作为一个节点挂接在数据RS485总线。
2 坡面径流采集器硬件设计
2.1 采集器LCD显示模块接口硬件设计
液晶显示模块主控制器为ILI9341，其与STM32接口如图2所示，STM32可通过SPI总线对液晶初始化。STM32芯片集成了FSMC总线接口控制器，本文将LCD模块看成SRAM挂接在FSMC总线上。液晶接口模块用到了FSMC总线的16位数据总线(数据传输格式RBG为5:6:5)，片选线FSMC_NE, 写线FSMC_NE，读线FSMC_NOE和地址线FSMC_A10，FSMC_A10是 STM32对ILI9341数据和命令的区分引脚，可实现命令和数据的分时传输。
2.2 坡面径流采集器存储电路的硬件设计
本文扩展了SD存储卡作为数据存储介质，SD存储卡与STM32的接口如图3所示。STM32采用SPI总线方式与SD卡通信，SPI采用三线制，SPI2_CLK、SPI2_MISO和 SPI2_MOSI，加上一根片选和读写允许线，就可方便地实现二者之间的数据传输，且读写时钟可达2 MHz。
3 坡面径流采集器软件功能设计
（1）水位采集和存储
采集器按采集间隔设置轮询4个传感器组，采集到的节点数据经打包存储在SD卡存储器中。数据包由16 B组成（如表3所示）。数据包分为3个部分：采集包头、采集时间和数据。包头分采集序号、组号等，采集时间为7 B的BCD码，记录了当前采集时间，节点数据为2 B(低字节在前)。
（2）坡面径流采集器菜单功能
为降低功耗，坡面径流采集器设置了5个主要菜单功能，如图4所示。包括休眠时间间隔设置、存储时间间隔设置、删除数据、下位机校时、时间设置。休眠时间是根据用户需要设置休眠时间(设置范围为6 min～2 h)；数据存储时间是根据用户需要设置存储时间间隔（设置范围为30 s～1 h）。
（3）休眠选择功能
休眠流程图如图5所示，如果选择休眠功能，则采集器将按设定时间间隔自动进行休眠与唤醒。如果不选择休眠功能，采集器不进入休眠。此功能是休眠时间设置的前提，只有选择了此功能，休眠时间设置功能才能生效。
4 坡面径流采集器功能测试
采集器整体实物图如图6所示，由前面板、底板和液晶模块组成。前面板上设置有5个按键，用于功能选择；液晶模块设置两个界面，一个是采集界面，一个是菜单界面。采集界面用于显示当前水位实时值、采集间隔、系统时钟等；菜单界面设置了采集间隔时钟、休眠时间间隔设置等功能，通过按键选择可在菜单项间切换。
4.1 采集功能测试
采集器可按菜单设置的采集间隔对底层量水堰传感器进行轮询发请求，各节点传感器接到请求后将数据包上传给采集器，表4为粘土条件下4路RS485采集的坡面径流数据（记为组1，组2，组3，组4）。每路RS485总线上挂接了6个传感器，分别编号1-6，从1到6号三角堰的水槽水位逐渐增高，采集到的水位及计算得到的坡面径流量如表4所示。
4.2 坡面径流采集器功耗测试
项目以采集器挂接32路传感器进行功耗测试。采集系统在不休眠且外围设备时钟电源全部打开的情况下功率耗散约为900 mW，而现场太阳能供电为10 W，在此条件下仅能持续工作11 h；若在关闭不需要的外设时钟的情况下，能持续工作16 h，这远远达不到用户要求。因此需要为采集器设置休眠功能和传感器电源配置功能。经测试每个外部传感器功率约为240 mW，对于整个系统功耗而言所占比例较高，所以需要在采集器休眠的情况下将传感器电源一并关闭。
经过外场对系统测试，光伏充电关闭后系统工作时间如表5所示。从表5可知休眠时间越长，系统待机时间越长，当设置休眠时间为60 min，传感器电源关闭的情况下系统可连续工作62天，这可以满足系统在国内大部分地区最长连阴雨天下正常工作。
4.3 坡面径流采集器数据下载/上传测试
采集器数据存储在SD卡中，用户可直接将SD卡取出读取存储的水位数据，也可通过GPRS/RS485/RS232上传到上位机中进行处理。本文采用JBOSS搭建了上位机数据显示及处理软件，该软件为用户提供可选择的通信方式（GPRS/RS485/RS232/TCP）与采集器通信，将SD卡中的数据远程存储、显示，最多可实时接收/显示60路水位数据。图7为采集器数据经RS232方式通信后的显示界面， 本次测试采集了32路水位数据，采集时间间隔30 s，休眠5 min，数据显示单位为ms。
5 结束语
本文基于STM32设计三角堰坡面径流采集器，采集器通过RS485总线扩展4路传感器，最大可采集32路传感器数据，采集精度<0.3 mm，分辨率为0.1 mm。设计了LCD人工交互界面，可完成休眠、采集间隔设置等功能。采用多种途径减少功耗，在10 W光伏电池供电下最长稳定工作62天。经测试可满足高速公路泥石流及坡面径流小区水土流失过程监测。
参考文献
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