基于ARM Cortex-M4 的水利遙測終端機設(shè)計

盛雪甌，沈 冰，屠佳恒

（1.永嘉縣水利局，浙江 永嘉 325100；2.浙江滴石信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052）

1 問題的提出

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水利信息化在國內(nèi)已經(jīng)普及，特別是大中型水利工程的信息化建設(shè)和管理已達到國外先進水平。但是小型水利工程（包括小型水庫、山塘、小型水閘、農(nóng)村供水站、農(nóng)村污水處理點等）存在數(shù)量多、分布廣、地處偏遠、基礎(chǔ)設(shè)施差、投入資金巨大等不利條件，無法簡單模仿大中型水利工程的建設(shè)和管理方案，很難實現(xiàn)全面監(jiān)管。

為了滿足小型水利工程的信息化建設(shè)和管理，本文提出一種基于ARM Cortex-M4 的水利遙測終端機，不僅自帶攝像頭專用接口，可實現(xiàn)小型水利工程的實時圖像監(jiān)控并通過4G 網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，而且數(shù)據(jù)接口豐富，能夠采集包括翻斗式雨量計、格雷碼式水位計和閘位計、串口式超聲波和雷達水位計、模擬量輸出式水位計、水質(zhì)分析儀、通訊式開度儀以及開關(guān)量模塊等常用水文儀表數(shù)據(jù)[1]。綜合考慮運算速度、外圍接口豐富程度、穩(wěn)定性等要求，選用STM32F4 系列ARM Cortex-M4 內(nèi)核單片機作為遙測終端機的MCU 芯片，工作頻率高達168 MHz，運算速度快，高達1 MB Flash/（192+4）KB RAM，同時具備USB OTG HS/FS、以太網(wǎng)、17 個TIM、3 個ADC、15 個通信接口以及1 個攝像頭專用接口，完全滿足水利工程數(shù)據(jù)采集的功能需求[2-3]，同時具有成本低、可實施性強等優(yōu)點。

2 硬件設(shè)計

基于ARM Cortex-M4 內(nèi)核設(shè)計的遙測終端機硬件總體架構(gòu)見圖1。選用STM32F407ZGT6 芯片作為處理器，該處理器具有較多的 I/O 接口和硬件串口等資源，能更好地兼容更多數(shù)量和類型的水文儀表[2-3]。與上位機進行無線通信時有2 種方式，即通過 RS232 口外接無線4G/5G 模塊和北斗模塊，此2 種方式互為冗余，確保水情測報系統(tǒng)能穩(wěn)定收到偏遠地區(qū)的水文數(shù)據(jù)[4]。

圖1 硬件總體架構(gòu)圖

2.1 電源電路

遙測終端機電源電路見圖2～4。

12.0 V 轉(zhuǎn)5.0 V 工作電路見圖2。為減少外圍器件，提高電源穩(wěn)定性，該電路采用德州儀器（TI）生產(chǎn)的3 A 電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，其內(nèi)含固定頻率振蕩器（150 KHz）和基準穩(wěn)壓器（1.2 V），并具備完善的保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等，有助于保護設(shè)備安全。

圖2 12.0 V 轉(zhuǎn)5.0 V 工作電路圖

STM32F407ZGT6 芯片供電電路見圖3。該電路利用AMS1117-3.3 正向低壓降穩(wěn)壓器直接將5.0 V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V，為核心處理器供電，從左至右依次是輸入、接地、輸出。此外，C10 和C11 是輸出濾波電容，能夠抑制自激振蕩，如果不接入這2 個電容，通常線性穩(wěn)壓器的輸出會是振蕩波形。C7和C8 是輸入電容，對于交流電壓整流輸入，可將單向脈動電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。而在圖3 中輸入已經(jīng)是+5.0 V 直流電源，此時C7 和C8 的作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置。

圖3 STM32F407ZGT6 芯片供電電路圖

4G/5G 模塊供電電路見圖4。模塊工作電壓3.3～4.3 V，設(shè)計中使用推薦工作電壓3.8 V，不建議用邊緣值電壓，電壓波動會造成模塊工作不穩(wěn)定。MIC29302 是一種高精度、低漏電穩(wěn)壓器件，其輸出電流達800 mA，滿足4G/5G 模塊電源要求。

圖4 4G/5G 模塊供電電路圖

2.2 開關(guān)量輸入電路

遙測終端機開關(guān)量輸入電路見圖5，采用PC817 光耦隔離電路，可以有效克服輸入端引起的外界干擾。當輸入電壓達到3.5～30.0 V 時，光耦導(dǎo)通，LED1 亮，輸出低電平；反之當輸入低于3.0 V時，光耦不導(dǎo)通，LED1 滅，輸出高電平。

圖5 開關(guān)量輸入電路圖

2.3 串口電路

水利基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集過程中，很多儀表采用串口通信，因此有必要設(shè)計RS485 電路（見圖6）。SP3485 是+3.3 V 低功耗半雙工收發(fā)器，完全滿足RS-485 和RS-422 串行協(xié)議的要求，而且數(shù)據(jù)傳輸速率高達10 Mbps（帶負載）。驅(qū)動器輸出最大250 mA 的限制使SP3485 可以承受-7.0～+12.0 V 共模范圍內(nèi)的任何短路情況，保護IC 不被損壞，提高數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

圖6 RS485 電路圖

2.4 圖像采集電路

圖像采集已經(jīng)在大中型水利工程管理中廣泛應(yīng)用，但大都是獨立于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的單獨系統(tǒng)，不僅成本高、投入大，而且很難與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)融合，小型水利工程無法參照使用。隨著小型水利工程信息化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢逐漸明朗以及移動通信持續(xù)進步，基于4G 網(wǎng)絡(luò)和單片機板載的圖像采集、處理已經(jīng)成為可能，因此利用STM32F407ZGT6 專用攝像頭接口連接OV2640 圖像傳感器（支持輸出最大分辨率為200 萬像素的圖像），設(shè)計圖像采集電路（見圖7），可清晰抓拍小型水利工程現(xiàn)場的圖像，例如水位尺圖像等。

圖7 圖像采集電路圖

2.5 A/D 采樣電路

目前，在水利工程各類數(shù)據(jù)的采集過程中，有相當一部分儀表采集數(shù)據(jù)后通過電流形式輸出信號，所以水利遙測終端機必須具備對4～20 mA 電流的采樣能力。因此設(shè)計基于LM358 芯片的A/D采樣電路（見圖8）。LM358 內(nèi)含2 個獨立、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適用于高端電流檢測電路，在推薦工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。根據(jù)圖中電路計算可知：傳感器電流（A）×采樣電阻 47（Ω）×2.65 放大倍數(shù)=電壓（V），故單片機PA5 端測量結(jié)果為：4 mA 對應(yīng)0.5 V；20 mA 對應(yīng)2.5 V。

圖8 A/D 采樣電路圖

2.6 4G 模塊接口電路

多數(shù)小型水利工程地處偏遠，存在運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋不均勻，導(dǎo)致數(shù)據(jù)和圖像采集產(chǎn)生中斷等問題，因此本遙測終端機無線傳輸采用EC20 全網(wǎng)通4G 模塊。該通信模塊是移遠通信最近推出的LTE Cat 4 無線通信模塊，采用LTE 3GPP Rel.11 技術(shù)，支持最大下行速率150 Mbps 和最大上行速率50 Mbps；同時在封裝上兼容移遠通信UMTS/HSPA+UC20 模塊以及移遠通信多網(wǎng)絡(luò)制式LTE Cat 3 模塊，實現(xiàn)3G 與4G 網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換。遙測終端機安裝時可根據(jù)現(xiàn)場信號情況選擇運營商網(wǎng)絡(luò)，保障數(shù)據(jù)可靠運行。

3 軟件設(shè)計

小型水利工程遙測站點地處人煙稀少的偏遠之地，一般運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋不均勻，存在傳輸信號不理想的情況。隨著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展，4G基站網(wǎng)絡(luò)建設(shè)覆蓋面擴大、資費降低，4G 通信已經(jīng)成為主流方式。為適應(yīng)運營商網(wǎng)絡(luò)的信號情況，本遙測終端機設(shè)計全網(wǎng)通模塊，方便靈活接入運營商網(wǎng)絡(luò)。同時，為保證數(shù)據(jù)通信的有效性，選用民用北斗作為備用信道[5]。正常情況下，上報、召測或現(xiàn)地觸發(fā)時，通過4G 模塊上傳數(shù)據(jù)和圖像。如果4G 信號較差，采用北斗備用信道傳輸數(shù)據(jù)；未有信號觸發(fā)時，北斗則進入空閑或者低功耗狀態(tài)。遙測終端機工作流程見圖9。

圖9 遙測終端機工作流程圖

另外，該遙測終端機的通信協(xié)議支持SL 651—2014《水文監(jiān)測數(shù)據(jù)通信規(guī)約》以及SZY 206—2016《水資源監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》，能夠應(yīng)用于水文監(jiān)測領(lǐng)域。

4 測試應(yīng)用

設(shè)備搭建完成后進行實時視頻采集和圖像抓拍等功能測試（見圖10）。測試過程中以采集水位尺圖像為例，選擇端口和波特率后，打開串口，左側(cè)數(shù)據(jù)接收區(qū)會顯示攝像頭連接成功，右側(cè)則實時穩(wěn)定顯示分辨率為640×480 的水位尺圖像信息，圖像參數(shù)可在程序中按要求修改，能夠滿足水利工程信息化應(yīng)用需求。

圖10 圖像采集測試圖

與目前市場上的遙測終端機相比，本文設(shè)計的遙測終端機自帶攝像頭專用接口，視頻和圖像傳輸更穩(wěn)定、更可靠，同時支持超低功耗運行，具有成本低、安裝方便等優(yōu)點。外殼采用IP67 防水等級，設(shè)備接地后防雷功能良好，可長期在野外惡劣環(huán)境中運行，特別適用于小型水利工程信息化建設(shè)領(lǐng)域。

5 結(jié) 語

小型水利工程的全面信息化監(jiān)管已成為發(fā)展趨勢，本文提出基于ARM Cortex-M4 的遙測終端機，配置專用攝像頭接口，可實時采集現(xiàn)場視頻、抓拍圖像，代替單獨的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。利用豐富的外圍接口實現(xiàn)開關(guān)量、串口、模擬量、脈沖等數(shù)據(jù)的采集功能，能夠無縫接入目前水利工程中的常用儀表，并通過4G 全網(wǎng)通模塊和北斗信道實時傳輸數(shù)據(jù)和圖像，可大大降低小型水利工程信息化建設(shè)的成本、縮短建設(shè)工期，具有較高的可行性，同時對未來嵌入式系統(tǒng)處理圖像、識別水位具有借鑒意義。