陈德顺，曹年红，曹翊军，朱华明

（南京南瑞集团公司 国网电力科学研究院，江苏 南京 211106）

水情遥测站是通过传感器采集水位、雨量、流量、气象等信息，经通信终端将信息上传给信息中心，目的是及时、准确掌握区域水情、汛情，为实现洪水预报，最大限度减少洪涝灾害损失以及优化调度，提高水资源利用率达到兴利增效效果提供基础信息[1]，因此遥测站的安全稳定可靠运行，是整个水情自动测报系统工作的基础。

但是，大多数水情遥测站建设在人烟稀少的荒山野岭、河流上游、湖泊边缘，环境恶劣，现场一般不具备线供电源，即使具备线供电源，也存在供电稳定性低、雷电和电涌保护困难等问题，需要建立独立的供电系统。目前遥测站大多数仍采用蓄电池供电，辅以太阳能充电[2-3]，因此遥测站的低功耗设计[4-5]尤为重要。低功耗设计不仅可以减少测站能耗，减低电源配置，还可以减少测站的热耗，提高系统的稳定性和可靠性。

1 遥测站基本功耗分析

遥测站作为水情信息采集、现地显示和远程传送单元，常见的水情遥测站主要有数据采集器、通信终端、传感器、人机交互设备、电源系统构成，如图1所示。下面依次分析它们的能耗：

1．1 数据采集器

图1 水情遥测站构成Fig.1 Structure diagram of the remote measurement station

数据采集器作为遥测站的主控设备，低功耗的管理平台，提供数据采集、处理和远程通信。它的功耗可分成两部分：

1）值守功耗，即数据采集器值守时功耗，功耗为数百微安，上电后一直保持。

2）工作功耗，即数据采集器工作时功耗，功耗可达百毫安，但耗电时间短，总能耗与它工作时间和工作频度有关。

1．2 通信终端

通信终端是遥测站与信息中心之间的远距离通信设备，通过它上传水情信息。水情系统支持各种通信组网方式，如GPRS、VHF、PSTN、Inmarsat-C、北斗卫星等，因此各种通信终端功耗存在很大差异。目前GPRS和VHF为水情系统二种主用信道，它们典型的功耗为：

1）GPRS终端接收功耗为：10 mA@5 V，发信功耗为：100 mA@5 V。

2）VHF电台接收功耗为：100 mA@12 V，发信功耗为：5 A@12 V。

通信终端总功耗与发信时间和发信频度有关。

1．3 传感器

水情信息测量传感设备。水情信息主要包含雨量、水位、流量以及与水情信息密切相关的风速风向、温度、蒸发、闸门开度等，待测参数的种类和数量因系统需求而异。因测量原理不同导致传感器也有所不同，如水位测量有浮子式、压阻式、超声波式、气泡式等，水情传感器种类繁多。

目前最常见、使用最频繁的传感器有翻斗式雨量计、浮子水位计、压阻水位计等。翻斗式雨量计，为开关量输出，功耗可忽略不计；浮子式水位计和压阻式水位计及其适配器功耗在1毫安之下；大功耗传感器如气泡式水位计功耗可达2 A@12 V。

1．4 人机交互设备

用户与系统之间互动的设备，主要包含人工置数、本地显示装置、本地通信计算机等。受环境制约，水情遥测站一般无人值守，通常交互设备不需接入，只有在维修维护时才会使用，而例行维护仅在汛前讯后各发生1次。使用系统供电的交互设备如人工置数、本地显示装置功耗为数百毫安，单次工作时长为数分钟，工作频度很低，功耗可不予考虑。

1．5 电源系统

电源系统典型配置为蓄电池加太阳能浮充，蓄电池为主电源设备，太阳能为补充电能的设备。

蓄电池自身存在自放电，但能耗很小，可以不予考虑；太阳能电池在设计时一般都有防反充电功能，防止夜晚等光线不足时，蓄电池向太阳能电路反向充电。

1．6 功耗的估算

遥测站功耗与集成的设备、上报通信方式、采集信息种类、数量和方式等因素有关，因此很难给出遥测站准确的功耗数据，只能粗略地给出功耗在各设备之间分布情况。根据上述分析，遥测站功耗主要分布在数据采集器、通信终端和传感器及其适配器上，通过计算和现场统计，它们的占比大概为 15%、65%、20%。

2 遥测站低功耗的总体设计

2.1 设计原则

水情遥测站长期运行在野外无人值守环境，现场条件复杂，因此设计时必须遵循如下原则：

1）可靠性

系统的可靠性是系统的生命，系统设计必须保证各设备长期稳定可靠运行，适应现场运行环境，满足客户需求，具备抗干扰、防雷和防愚能力，具有智能化检测和报警功能。

2）通用性

设计研发一种通用的水情数据采集器，作为遥测站集成的平台，该平台应契合水情需求和运行环境，具有操作方便、功能完备，可采集各种水情信息、并可利用各种合适的信道远程上传数据。

3）低功耗

全方位减低功耗。从器件级、线路级、系统级硬件以及与之协同的软件四个层面设计减低功耗，满足45天无日照情况下全天候稳定工作；

4）先进性

设计思想应保证前瞻性和先进性，系统硬件选型应保证合理性、实效性，适当考虑可扩展性，软件选型应易于维护、修改和升级。

2.2 低功耗流程管理

1）数据采集器设计；调研水情需求和运行环境，研制一种通用型低功耗水情数据采集器，作为数据采集、处理和远程通信的平台，为实现客户各种需求提供前提保障。

2）根据水情信息测量需求和现场运行环境，完成通信方式和传感器测量方式设计，在满足需求和可靠性的前提下，权衡维护、成本、功耗等因素，选择最合理的集成方式。

3）通信终端、传感器的选型；

4）通信方式、采集方式的设计；

5）选择配套的软件，合理的参数设置。

2.3 遥测站低功耗设计策略

低功耗设计是一个系统问题，必须在电路设计、软件编制、功耗管理等各个环节综合应用不同的设计策略，在满足规范[2.3]的基础上，达成维持系统高性能需求同时降低功耗。

2.3.1 器件级

1）尽量选用新型低功耗器件。如低功耗MCU（Micro Control Unit）、CMOS 芯片等

2）选用高集成度专用电路，取代低集成度门电路和可编程芯片。

3）优选低电压低频率芯片；

4）选用低功耗的电源转换器件。

2.3.2 线路级

1）模块化设计实现电路分区和分治：合理划分电路模块，根据其性能要求不同采用不同电源供电；

2）多元的控制电路：可根据模块的忙闲情况，合理调度电源供给，及时关闭不工作电源；利用片选信号停止不工作芯片运转；控制门控时序切断处于空闲状态的模块和冗余信号；

3）标准的采集接口：通过设计各种专用采集模块，将各种常见的传感器接口信号转换成标准接口，接入数据采集器，目的可以适应采集各种传感器数据，同时可以针对测站配置，合理选配各种接口模块，减少因通用性而增加的无用电路模块接入。

4）优化模块布局：将模块划分为内部模块和外部模块，将必需实现的基本功能和基本采集量模块划分为内部模块，将部分必须具备但种类繁多如采集模块、远程通信模块划分为外部模块，这样既可以适应变化，满足通用性原则，又可以避免无用模块接入，避免能量无谓损耗。

5）电路优化和时序优化，减少时钟线电容和相互干扰；要尽量使器件处于确定的工作状态，减少因不必要的跳变和翻转引起能耗，如没有使用的管腿直接接电源或地。

2.3.3 系统级

1）权衡设备价格、性能需求、使用环境、使用习惯、维护方便等因素，在满足需求和可靠性基础上，以适当减低某些次要功能或需求，换取低功耗。

2）外围设备电源管理：预留丰富的外部设备电源控制接口，方便对通信终端等大功耗设备的供电控制；

2.3.4 软 件

1）在低功耗的硬件平台上，充分利用软件控制，调度硬件资源，关闭空闲模块，启动工作模块，做到工作有序、动作合理、避免额外能耗。

2）模块化软件设计，将软件模块划分为标配软件和选配软件，目的使软件与测站功能更加匹配，减少无用软件运行。

3）低功耗软件设计：具有丰富的远程通信、数据采集和处理方式，在必需使用高能耗通信终端和传感器时，设计采用有别于常用的节电通信和采集方式。

3 数据采集器的低能耗设计与实现

数据采集器作为遥测站的主控设备，承担遥测站整体功耗控制，设计时需要在芯片的选择、电路的设计和程序规划中，在维持系统功能的基础上尽可能减低系统功耗。

3.1 器件的选用

3.1.1 微控制器（MCU）

目前，MCU技术发展突飞猛进，各种高性能低功耗MCU层出不穷，为设计水情数据采集器提供了极大方便，综合考虑低功耗、通用性、可靠性和方便性，本设计的数据采集器选用ATMEL公司生产的MEGA128L-8AI作为核心芯片[6]，该芯片是AVR 8位微处理，具有高性能、低电压、超低功耗等特点，内部集成了大量扩展电路和外部接口，方便电路设计。芯片具有多达6种睡眠模式可供选择，电源供给和工作状态实现可控制，这就在硬件上为减低功耗提供可能。低功耗设计措施是：

1）根据水情遥测站数据处理量不大、测量对象变化相对缓慢的特点，适当减低MCU的主时钟频率，减低功耗。

2）尽可能采用睡眠运行模式以缩短MCU的运行时间，因为系统功耗与MCU工作长短成正比。

3）尽量关闭MCU内部不用的资源。MEGA128L-8AI内部的大多数资源都可以在不用的时候用软件关闭。

3.1.2 其他器件

MCU外围电路全部采用CMOS芯片和表面封装的阻容器件。在满足可靠性的基础上，优选低电压和低频工作芯片，可减低线路功耗。因为电源电压与功耗成平方关系，减低电源电压可以大幅度减低功耗；而CMOS的功耗主要是动态功耗，减低工作频率，可明显减低CMOS功耗。

用高集成度专用芯片取替各种门电路和分立电路是减低功耗的一种重要手段，优选高集成度芯片不仅可以简化电路，方便设计、提高可靠性，还可以减低器件的负载电容、减少器件间相互通信，实现低功耗。

3.2 电路功耗管理方式

模块化电路设计，根据功能和运行特点将数据采集器电路划分成个各类模块，分类控制。

按供电时长可分为：常供电模块和受控电源模块；

按模块区位分为：内部模块和外部模块，外部模块包含通信模块（Moderm）、显示模块、人工置数模块、接口模块等。

3.2.1 常供电模块及功耗管理

常供电模块即值守模块平时一直处于值守状态，承担着数据采集器监测功能，一旦检测到电路有事件（如雨量、水位发生超阈值变化、定时器触发、人机交互触发等）发生，触发电路启动，唤醒MCU（MCU值守时处于睡眠模式），系统转入工作状态。

值守模块主要包含：随机事件检测模块、定时器模块、常供电源及其转换模块等。这些电路由于上电后一直处于供电状态，因此应选用功耗低的元器件如CMOS芯片等。

功耗管理：主要是停止模块内部件的无效操作，通过对时钟和信号流进行控制和调度，禁止它们进入无效电路，使电路中CMOS芯片处于静止状态。

3.2.2 受控供电模块及功耗管理

受控供电模块主要是指平时处于睡眠或掉电状态，当值守电路检测到有事件发生，唤醒MCU，MCU器退出睡眠状态转为工作状态，全面接管受控电路，MCU根据唤醒原因，转入下列相应功能：

1）传感器超阈值触发，对超阈值传感器进行采集和处理并带时标储存；符合上报条件，发信给信息中心；

2）人机交互触发：人机交互指在遥测现地，用户与遥测站之间通过操作实现互动。该触发包含本地人工检测（TEST）、本地通信（如数据处理器与人工置数器、显示器、本地计算机通信）触发等；本地人工检测指按下TEST按钮，自动测量遥测站内外参数，并将测试结果上报信息中心；本地通信触发后唤醒本地通信电路，根据人机交互命令，完成相应任务（如显示当前或历史数据、向信息中心发送数据、提取历史数据等），直至接收到结束命令。

3）定时事件触发：指内部时钟超时触发，它可分为定时测量、定时接收和定时上报等。定时测量是指根据预设的时间间隔对水情信息进行测量、处理并带时标储存；定时接收，主要是针对电源受控的通信设备如北斗卫星、VHF电台等，设置接收时间窗口，定时打开通信终端电源，等待远程指令。若接收到指令，响应指令完成任务，否则超出接收时间窗口后结束任务。定时接收主要应用于系统校时、遥测参数远程更改等。定时上报是根据预设的时间间隔和条件，向信息中心上报数据；

典型的受控供电模块有：本地通信模块、远程通信模块、数据存储模块、大功耗传感器采集模块，远程通信设备控制模块、人工置数/本地显示装置控制模块等。

功耗管理：根据功能实现需求，分区管控电源供给控制它的工作与掉电，或控制芯片片选端口来控制它的工作与休眠，从而节约电流。

3.2.3 接口电路

根据统计，绝大多数水情测站都进行雨量测量，因此在线路设计时，将翻斗雨量计设计为数据采集器内部采集接口，其它传感器采集全部划为外部接口。

雨量计采集接口设计时，使用RS触发器消除干簧管抖动对采集的影响，防止雨量伪增量发生引起误报。

对于外部采集接口，设计采用标准的I2C （Inter-Integrated Circuit）总线，通过研发与传感器配套的接口转换模块 （适配器），将各种传感器信号转换成标准I2C总线协议，供数据采集器采集。

功耗管理：雨量接口模块避免误报，其它接口模块通过合理选配减少模块接入及对大功耗传感器电源控制，控制能耗。

3.2.4 电源电路

为了电源管控，设计将蓄电池12 V电源转换为电路所需要的常供电5 V、3.3 V和受控电源12 V、5 V等，根据模块需求分区控制。

1）选用MAX603ESA作为将12 V转换为常供电5 V电路芯片，该芯片典型的静态电路仅15 μA，并且具有反向电路保护和热过载保护功能。

2）选用XC6206P3ESA作为将5 V转换为常供电3.3 V电路芯片，该芯片典型的静态电路仅1 μA。

图2 常供电转换电路Fig.2 Change-over circuit for constant power supply

3）选用IPF5305S场效应管作为常供5 V转换为受控5 V和常供12 V转换为受控12 V开关电源，该场效应管导通时源极与漏极间阻抗仅0.06 Ω，驱动的时候几乎不产生功耗，在小电流的时候器件自身发热也小。

图3 受控电源转换电路Fig.3 Change-over circuit for controlled power supply

4）选用IPF4905S功率场效应管作为蓄电池12 V直接转换为受控12 V开关电源，控制外围大功率通信终端和传感器，该场效应管导通时源极与漏极间阻抗仅0.02 Ω，可以允许通过最大电流74 A，最大允许表面热耗2 W。

图4 大功率受控电源转换电路Fig.4 Change-over circuit for large power controlled power supply

电源电路功耗管理主要体现在选用低功耗电源转换器件，为模块分区分治提供平台。

3.3 远程通信方式及功耗管理

远程通信是遥测站能耗关注重点，如何让通信更有效率，减少不必要的发信和接收等待，不需要通信时，尽快进入掉电状态是远程通信方式重点考虑的问题。目前水情系统远程通信方式有3种：自报式、应答式及自报应答兼容式。

1）自报式分为实时条件报和定时无条件报、定时条件报。自报式的一般工作过程为：定时或水情超阈值触发后自动测量，自动数据处理，自动向信息中心上报。自报式工作状态时，通信终端一般是关闭的，只有向信息中心报告时，才自动打开，所以自报式遥测站功耗很低。实时条件报是指超水情阈值报，定时无条件报是指超时间阈值报，定时条件报是指超时间阈值的同时也要超预设水情阈值才报。因此，一般实时条件报报信次数最少，功耗最低。

2）应答式分为随时应答和定时应答。随时应答指可随时接收信息中心的指令并作出响应。此种方式，通信终端必须时刻保持在接收状态，一直监听信道的情况，检查是否有招测指令发给自己，功耗大，装置配备高，通信规约复杂，只适用通信终端守候功耗不大且电源供给与补充方便的情况下使用。对于遥测站因条件限制，必须使用某些信道（如VHF、卫星信道），因其通信终端功耗大，一般可采用定时应答方式，即在指定时段自动开机等待信息中心指令。

3）自报应答兼容式是自报、应答的结合。自报应答兼容式一般工作过程为：以自报方式为主，平时自动测量，自动数据处理，自动向信息中心上报，同时，通信终端处于接收状态，等候信息中心招测指令。因此，这种通信方式功耗最高。

在满足系统功能的前提下，对于稀路由和被测数据变化相对缓慢的水情系统，应尽量选用自报式通信方式，因为它具有结构简单、功耗低、维修方便、可靠性高等特点，尽管这些特点是以牺牲人们通信习惯换取的。

对于需要校时或整点报（如早晚8:00报）的遥测站，采用定时应答兼自报式，可以在满足需求的基础上很大程度实现低功耗。

功耗管理：根据通信方式，对通信终端电源供给进行管控。

3.4 软件设计

软件是硬件动作的总调度师，低功耗的硬件平台，为软件设计控制模块、减少无效动作实现低功耗提供了空间。

1）模块化软件设计，将软件划分为基础功能软件和扩展功能软件，基础功能软件可实现测站最简单配置所必需的功能，作为标配软件提供。扩展功能软件可实现测站各种扩展功能，可以根据测站配置可以灵活选用。因此优化了测站软件运行环节，缩短运行时间。如各种传感器的采集软件、各种信道的通信软件都可作为扩展功能软件设计。

2）充分利用MCU的中断功能让MCU周期性的工作和睡眠从而大大降低MCU的工作电流。如MCU需要等待时，设置延时等待时间，进入等待模式，直至超时触发中断，避免采用软循环延时方式。

3）分区电源管理，系统运行时，仅给需要运行的模块供电，断开不用的模块电路，等其需要时加电，保证供电的效率。

4）设置最小时间间隔自报，目的是缓解自报通信的随机性引发的信道抢占或同频干扰，即两次自报时间不小于最小时间间隔，在此时间内传感器发生变化即使满足上报条件，数据采集器也不上报，仅负责采集并本地存储。因此该功能设置不仅可提高通信质量，还可以减低发信功耗。

5）测量参数预处理，避免数据伪变化，避免向信息中心无效上报。如通过水位软件消浪处理。

6）电池状态监测，一旦电池电压低于正常工作电压（本系统设置为10.8 V），强迫数据采集器进入电压告警状态。处于该状态时，遥测站仅负责数据采集、存储和告警上报，停止其它远程通信，直至太阳能补充电能，蓄电池恢复正常电压为止。

4 传感器控制

测量时，针对电源受控的传感器如压阻水位计、流量计等，打开受控电源，待传感器工作稳定后进行测量，测量完毕后，关闭传感器电源。

5 结 论

本文根据水情测报系统特点，提出遥测站低功耗设计的策略和实现方法，并据此研发出相应的数据采集器，该数据采集器在许多水利水电系统中得到应用，现场运行结果证明，由该数据采集器构建的雨量站典型电源配备为蓄电池7AH，太阳能电池10 W/17 V，完全可以满足VHF信道自报式或GPRS信道应答式数据传输的需求。该数据采集器值守时功耗不高于90 μA，工作功耗不大于50 mA，在45天无日照的情况下可稳定工作，系统各性能指标超越或达到设计要求。

[1]孙增义，吴跃.水文自动测报技术基础及其应用[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[2]SL61-2003.水文自动测报系统技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003.

[3]DL/T5051-1996水利水电工程水情自动测报系统设计规定[S].北京：中国电力出版社，1996.

[4]钱新红，吴学文.基于AT89S52的水情遥测终端设计与实现[J].电子设计工程，2011，19（2）:33-36.QIAN Xin-hong，WU Xue-wen.Design and realization of remote terminal unite for water regime information base on AT89S52[J].Electronic Design Engineering，2011，19（2）:33-36.

[5]费克铃.水情遥测终端的低功耗设计[J].自动化与仪器仪表，2011（2）:61-62.FEI Ke-ling Design of low power consumption of remote terminal unite for water regime information[J].Automation And Instrumentation，2011（2）:61-62.

[6]ATMEGA128L-8AI Datasheet （PDF）-ATMEL Corporation[EB/OL].（2014-09-03）.http://html.alldatasheet.com/htmlpdf/174748/ATMEL/ATMEGA128L-8AI/157/1/ATMEGA128 L-8AI.html.