0 引言

无论是灌溉还是防洪，水利部门需要实时掌握河流渠道的水文数据，如水位、流量、雨量等，水情测报终端即是在现场完成数据采集并传输数据到中心站的设备，统称为远程终端单元（Remote Terminal Unit，RTU）。关于嵌入式RTU的设计已有很多报道^[1][2][3]，这些文献主要讨论系统基本功能的实现。

然而，水情测报终端通常工作在野外，环境恶劣，如雷电干扰、缺乏市电等，仅仅实现基本系统功能，设备在实际环境中将很难真正地应用；因此，在系统设计上必须重点考虑低功耗和稳定性。本文首先进行水情测报需求分析，然后描述基于ARM9内核芯片S3C2410的硬件系统设计，以及基于实时操作系统μCOS-Ⅱ的软件系统设计，在设计中提出系统稳定性和低功耗的解决方案。

1 系统需求

1.1 水情测报特点

1，环境特点

RTU工作在野外，如山区河流，大多无人值守；一般只有无线通讯网络信号，如卫星、GPRS、GSM等；绝大部分没有市电；在恶劣的天气状况下，往往更需要RTU正常工作，因而容易受到雷电感应、电磁干扰等影响。

2，工作特点

没有市电的时候，采用蓄电池给RTU供电，一般考虑应用太阳能板充电，要求能连续无日照运行约45天，水利行业通常采用10AH蓄电池，这要求RTU的功耗非常小；通信一般采用无线方式，需要双信道备份，如卫星信道加GPRS或GSM。

3，维护考虑

由于工作在野外，RTU需要很高的稳定性，长期免现场维护；可进行远程维护，如远程升级、远程配置、设备状态巡检、设备状态中心站监控等。

1.2 水情测报功能需求

1，基本功能

RTU主要采集水位、流量、雨量等水文数据，可外接不同类别的传感器；能进行数据存储、计算、分析等；通过无线方式将数据传输到中心站，能响应中心站下发的指令。

2，外接输入信号类别

RTU主要任务之一是采集水文数据，需要外接能够获取数据的传感器或设备，共四类信号：4-20mA或0-5V模拟信号；脉冲信号；数字编码信号；总线信号。

3，RTU工作模式

1）招测模式：RTU响应由中心站下发的指令，这种方式需要RTU一直处于监听状态，即需要一直上电工作，功耗非常大，在没有市电的情况下无法采用这种工作模式；2）自报模式：RTU定时、定条件（如：变幅）向中心站上报数据，这种方式RTU大部分时间处于休眠状态，这时CPU工作在掉电模式，外围设备和系统内部芯片电源关断，以节约功耗，但缺点是缺乏实时性，不能及时响应外部指令；3）综合模式：通过增加系统配置文件，可使RTU在招测模式和自报模式之间进行切换，结合招测模式实时性和自报模式低功耗的优点。本文在设计时即使用综合模式。

1.3 工程应用拓扑

1，点对点方式

图1 点对点组网方式

工作在点对点方式的RTU通过无线通信网络组网，无线通信方式采用GSM、GPRS，或者卫星通信方式；通常在无人值守的野外，一般无市电，需要蓄电池供电，应该重点考虑系统的低功耗。

2，总线方式

图2 总线组网方式

工作在总线方式的RTU通过现场总线组网，通信方式采用总线协议。总线方式RTU一般有市电供电，功耗不是主要问题，应该重点考虑雷电感应、电磁干扰等问题。

3，数据节点方式

图3 数据节点组网方式

工作在数据节点方式的RTU，一方面与中心站采用点对点方式通信；另一方面与其它RTU可以采用电缆总线（485/CAN）或者微波短距离无线方式组网。数据节点是笔者总结应用需求提出的一种组网方式，这种方式要求RTU具有智能处理能力，能根据指令要求完成中继、数据采集、通信等功能，同时系统的低功耗和抗干扰性能都需要重点考虑。

2 系统硬件设计

整个系统是以S3C2410为核心，总的实现框架如图4所示。

图4 系统硬件结构框图

本系统主要包括：1）电源管理部份，主要对系统内部电源进行管理、监视，并对外围设备进行供电；2）传感器输入部分，能将各种传感器输入信号接入CPU；3）总线接口部分，提供485和CAN两种总线方式；4）通信部分，通过UART接口外接GSM/GPRS/卫星MODEM进行通信，或通过SPI接口外接2.4G通信模块进行短距离无线通信（一般在500米范围），主要应用在数据节点无线组网方式中；5）用户操作接口部分，提供数字键盘和LCD显示；6）状态提示部份，提供系统状态异常报警和状态指示灯显示；7）扩展接口部分，提供USB接口、I2C接口、IP接口等。

在硬件系统的设计中，由于采用ARM9内核芯片S3C2410^[4]，其强大的功能对于实现系统基本功能得心应手。本文重点分析RTU的低功耗策略以及稳定性方案。

1，低功耗

ARM9内核芯片S3C2410是低功耗的，但仅仅采用低功耗芯片是不够的。在系统中，增加电源管理电路，能够控制外围器件电源通断，以及RTU内部芯片的电源通断；通过CPU指令，可以关断外围设备及系统内部暂不使用器件的电源，从而使系统功耗降至最低。

2，稳定性

RTU与外部有馈线连接的部分为传感器输入部分和总线接口部分，当传感器信号为模拟信号时，系统极易受雷电感应从而照成系统毁坏，485及CAN总线在外部电源波动异常或雷电感应时也容易受到冲击照成故障。本系统在传感器与CPU间、总线与CPU间加入专门的保护电路，经测试能承受3000V以上的冲击。同时从软件上实现在不需要数据采集、通信时关断电源，以免受外部干扰。

3 系统软件设计

本系统采用实时操作系统μCOS-Ⅱ进行嵌入式软件开发，μCOS-Ⅱ是可剥夺抢占式操作系统，软件的设计关键是处理好任务调度、任务间的通信与同步、时间管理等，系统软件框图如图5所示。

为了保证系统的稳定性和低功耗，本文采用了配置文件的方法，根据应用的需要，将配置文件存储在FLASH中，可以选择性的创建任务，或者调整RTU工作模式。中心站可随时向RTU下发调整配置的指令，这样就可以调整RTU的工作模式，兼顾系统的实时性和低功耗。此外，非常重要的一点就是：当系统没有动作时，应该使系统处于休眠状态，可以保证系统功耗最小，此时要关断外围设备及系统内部芯片的电源，这样也就可以避免雷电感应及电磁干扰等，系统稳定性得到保证。

图5 系统软件结构框图

4 结束语

采用ARM9内核芯片S3C2410和实时操作系统μCOS-Ⅱ进行水情测报终端设计，从系统框架上描述了硬件结构及软件结构，特别强调了稳定性和低功耗的解决方案，该方案在实际应用中获得了明显的经济效益。本文的创新点是：提出了数据节点组网方式，为了保证系统稳定性和低功耗，硬件上采用电源管理模块和保护电路，软件上应用配置文件和休眠模式。

参考文献

[1] 梅运华. 基于μC/OS-II的无线监控终端设计与实现[J].微计算机信息, 2007, 2(2):71-73

[2] 刘春玲. 基于ARM的嵌入式灌区水信号遥测系统的实现[J].水利水电技术, 2006(8):74-76

[3] 魏德华. 基于GPRS的小流域水情自动测报系统[J].中国农村水利水电, 2006(7): 18-19

[4] S3C2410X 32-BIT RISC MICROPROCESSOR USER'S MANUAL Revision 1.2, Samsung Electronics Co., Ltd.

[5] 田泽. 嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005

[6] 劭贝贝. 嵌入式实时操作系统μC/OS-II[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003