基于嵌入式的水利信息監(jiān)測(cè)站智能供電系統(tǒng)研究

王銘銘

（安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000）

1 引言

根據(jù)最嚴(yán)格水資源管理制度與防汛抗旱應(yīng)急管理的實(shí)際需要，水資源取水監(jiān)測(cè)、山洪災(zāi)害預(yù)警監(jiān)測(cè)等各類水利信息在線監(jiān)測(cè)已逐漸成為水利領(lǐng)域業(yè)務(wù)管理的關(guān)鍵技術(shù)手段。水利信息監(jiān)測(cè)站一般地處偏遠(yuǎn)且站點(diǎn)分散，常出現(xiàn)無(wú)法提供市電供電的現(xiàn)象。太陽(yáng)能供電技術(shù)日益成熟，為解決電源問(wèn)題提供了解決方案，近年太陽(yáng)能供電已成為水利信息監(jiān)測(cè)站常用的一種供電方式。在實(shí)際應(yīng)用中，出現(xiàn)連續(xù)陰雨等惡劣天氣時(shí)，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)卻難以正常工作。對(duì)于水利信息監(jiān)測(cè)尤其是山洪災(zāi)害預(yù)警信息監(jiān)測(cè)而言，設(shè)備能否正常工作是山洪預(yù)警與防治的關(guān)鍵所在，特別是處于山區(qū)中的水文及山洪預(yù)警信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)惡劣天氣時(shí)預(yù)示著爆發(fā)山洪、泥石流等災(zāi)害的危險(xiǎn)等級(jí)較高，在此關(guān)鍵時(shí)期，若無(wú)法保障監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的正常供電，將給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

本文在深入分析水利信息監(jiān)測(cè)需求的基礎(chǔ)上，研究太陽(yáng)能供電充放電過(guò)程和站點(diǎn)實(shí)際供電情況，利用嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)出交替智能供電控制系統(tǒng)。系統(tǒng)增配蓄電池，實(shí)現(xiàn)根據(jù)蓄電狀態(tài)與太陽(yáng)能供電狀態(tài)選擇供電方式的智能解決方案；根據(jù)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分時(shí)采集的工作模式，設(shè)計(jì)智能休眠與喚醒的間歇式工作方案，實(shí)現(xiàn)降低監(jiān)測(cè)站點(diǎn)功耗的目的，為水利信息監(jiān)測(cè)站正常發(fā)揮效益提供保障。

2 水利監(jiān)測(cè)站供電方式分析

水利監(jiān)測(cè)設(shè)備常用供電方式主要包括市電供電、低功耗蓄電池供電、太陽(yáng)能供電三種供電方式。其中市電供電具有供電穩(wěn)定、不受天氣影響的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具備供電條件時(shí)優(yōu)先選用此方式；低功耗蓄電池供電方式具有安裝方便、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，一般適用于設(shè)備耗電量較小、數(shù)據(jù)采頻次要求不高的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需要定期更換蓄電池，且不易維護(hù)；太陽(yáng)能供電方式是通過(guò)太陽(yáng)能控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的供電，可以較為方便地解決無(wú)市電問(wèn)題，但對(duì)于耗電量稍大的水利監(jiān)測(cè)站點(diǎn)或?qū)τ谝壮霈F(xiàn)連續(xù)惡劣天氣的山區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能供電方式難以保障站點(diǎn)全天候的連續(xù)供電，影響監(jiān)測(cè)站的正常工作。綜上三種常用供電方式各存在優(yōu)缺點(diǎn)，均不能很好地解決連續(xù)陰雨天氣下水利信息監(jiān)測(cè)站的供電問(wèn)題。水利信息監(jiān)測(cè)站供電示意如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)抓住降低功耗和增加電量?jī)?chǔ)備兩個(gè)方向，依據(jù)水利信息監(jiān)測(cè)站工作特點(diǎn)和需求，采用優(yōu)化充電與供電方式、升級(jí)水利信息監(jiān)測(cè)站工作模式等技術(shù)手段，利用嵌入式技術(shù)對(duì)太陽(yáng)能供電模塊進(jìn)行創(chuàng)新改造，達(dá)到有效延長(zhǎng)水利信息監(jiān)測(cè)站惡劣天氣下正常工作時(shí)長(zhǎng)的目的。本文一方面研究系統(tǒng)休眠與喚醒控制模塊，減少設(shè)備的無(wú)效工作時(shí)間，降低設(shè)備功耗；另一方面研究智能交替充電、供電控制系統(tǒng)，提高太陽(yáng)能充電的有效利用，增加電量?jī)?chǔ)備。

4 智能供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 水利監(jiān)測(cè)站供電方式示意圖

圖2 水利監(jiān)測(cè)站智能供電系統(tǒng)框圖

水利信息監(jiān)測(cè)站主要包括太陽(yáng)能供電、交替充電分路、水利信息監(jiān)測(cè)設(shè)備三部分?；谇度胧郊夹g(shù)，設(shè)計(jì)出智能控制模塊、分路器、休眠喚醒模塊，三者構(gòu)成智能供電系統(tǒng)的核心控制單元。其中智能控制模塊，選用EFM32TG822P32控制芯片，負(fù)責(zé)完成蓄電池電壓監(jiān)測(cè)、分路控制及系統(tǒng)休眠與喚醒的控制；分路器與休眠喚醒控制模塊均受控與智能控制模塊，分別用于太陽(yáng)能充放電方式與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作方式的控制。

圖3 交替供電智能控制系統(tǒng)流程圖

圖4 系統(tǒng)工作模式流程示意圖

如圖2所示，太陽(yáng)能電池板完成光電轉(zhuǎn)換，并可通過(guò)光伏控制器可以為監(jiān)測(cè)設(shè)備直接供電或者利用分路器控制蓄電池的充電。交替充電分路控制裝置包括兩個(gè)蓄電池充放電分路器，分路器1與分路器2互聯(lián)互鎖，用于控制器根據(jù)蓄電池充電情況，系統(tǒng)通過(guò)控制器1、2控制兩塊蓄電池的充電或供電。水利信息監(jiān)測(cè)設(shè)備是系統(tǒng)的控制中心，設(shè)計(jì)智能控制模塊，并由其完成蓄電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制交替供電與充電、控制設(shè)備工作狀態(tài)等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)水利信息監(jiān)測(cè)站的智能監(jiān)控。

5 控制流程與軟件設(shè)計(jì)

5.1 交替供電智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)水利信息監(jiān)測(cè)站的工作特點(diǎn)，采用增配蓄電池及智能切換供電模式的方案，采用交替充電與供電方式，可以充分利用太陽(yáng)能發(fā)電能力，最大限度地儲(chǔ)備電能，智能切換供電模式是水利信息監(jiān)測(cè)站點(diǎn)在夜間或連續(xù)陰雨天氣間正常工作的又一層保障。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于嚴(yán)格的蓄電池與太陽(yáng)能供電板的狀態(tài)邏輯關(guān)系，依據(jù)蓄電池充電狀態(tài)、蓄電池放電狀態(tài)以及太陽(yáng)能供電狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電與供電方式的智能選擇。

如圖3所示，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)正常工作后先進(jìn)行太陽(yáng)能供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，直到太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可正常供電。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄電池1虧電、蓄電池2不虧電時(shí)，控制分路器1與分路器2，使得蓄電池1充電、蓄電池2為供電，待監(jiān)測(cè)到蓄電池1充電完成時(shí)，系統(tǒng)控制三個(gè)分路器，實(shí)現(xiàn)兩蓄電池在充放電狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄電池1虧電、蓄電池2亦虧電時(shí)，控制分路器1、分路器2及分路器3同時(shí)動(dòng)作，使得蓄電池1同為充電與供電狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄電池1不虧電、蓄電池2虧電時(shí)，控制分路器1與分路器2，使得蓄電池2充電、蓄電池1為供電，待監(jiān)測(cè)到蓄電池2充電完成時(shí)，系統(tǒng)控制三路分路器，實(shí)現(xiàn)兩蓄電池在充放電狀態(tài)下的轉(zhuǎn)換；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)蓄電池1不虧電、蓄電池2亦不虧電時(shí)，控制三個(gè)分路器同時(shí)動(dòng)作，切換至太陽(yáng)能直接供電模式。

5.2 系統(tǒng)間歇式工作模式設(shè)計(jì)

水利信息監(jiān)測(cè)一般為非實(shí)時(shí)采集，以水資源取水監(jiān)測(cè)為例，采集頻次常為2h一次，對(duì)于水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集頻次更低。鑒于此，可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)定時(shí)采集的智能休眠喚醒控制系統(tǒng)，定時(shí)喚醒和休眠監(jiān)測(cè)設(shè)備，有效降低系統(tǒng)功耗。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)工作后即進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)采集，結(jié)束后即進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定休眠時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)喚醒狀態(tài)，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；此外，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下還具有遠(yuǎn)程喚醒功能，即遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)可通過(guò)喚醒信號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行喚醒，以滿足應(yīng)急信息采集和召測(cè)的需求。具體系統(tǒng)工作流程詳見圖4所示。

6 小結(jié)

本文利用嵌入式技術(shù)手段，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了交替供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)能供電模塊的智能控制，有效提高了太陽(yáng)能供電的利用率，對(duì)增加電能儲(chǔ)備大有裨益。此外，基于水利信息監(jiān)測(cè)站工作特點(diǎn)和需求，設(shè)計(jì)智能喚醒—休眠的工作模式，有效降低了監(jiān)測(cè)站的功耗。從“增能”“降耗”兩方面出發(fā)，完善了水利信息監(jiān)測(cè)站的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為水利信息監(jiān)測(cè)站在防汛救災(zāi)的關(guān)鍵時(shí)刻能夠發(fā)揮效益提供了保障■