CN111653079A - 一种高适用性遥测终端机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高适用性遥测终端机，包括微控制器、用来保存历史过程数据的固态存储器、LCD全彩液晶屏、降雨量脉冲中断计数输入模块、数据处理模块、用来数据传输的通信系统、嵌入式以太网控制器、用来向传感器供电的12V DC可控电源、用来对蓄电池的充放电进行管理的太阳能充电控制电路；所述以太网控制器内嵌TCP/IP通信协议栈，利用接入至局域网或者互联网，作为网络的一个节点进行高速通信；所述数据处理模块包括降雨量处理模块、水位采集数据合法性判定模块。该高适用性遥测终端机具有集成度高、功耗低、标准化程度高、智能联网程度高等优点，适合大规模应用。

Description

一种高适用性遥测终端机

技术领域

本发明涉及一种高适用性遥测终端机，属于水利水文信息化技术领域。

背景技术

随着水利水文信息化技术的飞速发展，水文自动测报技术经过近些年大批系统的建设而获得长足进步，而作为水文自动测报系统中的关键设备遥测终端机仍然存在着以下不足和问题：

1、集成度低、功耗高

遥测终端机作为遥测站的核心设备，长期运行在偏远野外地区，无人值守，一般采用太阳能、蓄电池供电，因此系统的续航能力是衡量遥测站性能的关键指标之一。目前的遥测终端机首先由于集成度不高，有些组件比如：太阳能充电控制器、无线通信模块没有集成在终端机内部由MCU直接控制；其次由于采用的微控制器MCU功能限制，导致遥测站的整体休眠功耗比较高，基本都在10mA以上。

2、标准化程度不高

遥测站作为水文自动测报系统的基本单元，硬件和软件的设计所遵循的标准决定了系统结构的复杂性和可扩展性。

目前，市场上大部分遥测终端机选用的MCU和元器件，有些遵循的接口不是通用的标准或者遵循的是生产厂家特有的标准，导致遥测终端机与外界不兼容，系统的可操作性和可扩展性比较差。

3、智能联网程度不高，方式单一

随着物联网的深入发展和规模应用，具有网络功能的传感器和设备越来越多，现有遥测终端机由于没有以太网络接口，无内嵌TCP/IP协议，不能实现物物联网，设备的应用受到限制。

4、缺乏新技术的应用，不能适应新形式和新业务的发展需求

近年来，NB-IoT物联网、4G移动通信网络、LoRa低功耗长距离无线通信、蓝牙

通信、智能手机APP、二维码等新技术的涌现和大规模应用，催生出新的业务需求，现有的遥测终端机由于没有充分考虑到新技术的发展和新形式的业务需求，导致功能越来越不能满足要求。

5、遥测站能测得准数据，但图像采集能力弱

市场上所使用的遥测终端机侧重于监测数据，而对于监测图像的采集接口没有针对性设计，基本都是采用串口采集摄像机图像，传输速度慢，采集时间长，导致测站获取图像的实时性不高、清晰度差。

6、功能可扩展性不高

目前市场上应用的遥测终端机所使用的微控制器基本是采用8位/16位MCU，片内RAM、ROM、通信接口等硬件资源较少，主频较低，随着业务应用的需求增多，此类MCU的资源越来越紧张，不能满足进一步的业务需求，可扩展性差。

由于资源有限，所接入的传感器类型比较少，当增加新的传感器时，不能通过远程升级实现传感器驱动的动态增加。

7、无远程升级、远程维护、远程调试功能

遥测站的大量建设以及现代通信技术的发展，使得遥测终端机的远程升级固件程序、远程维护、远程调试功能需求变得越来越迫切，这些技术可以极大地节省水文自动测报系统维护、维修的人力，现有市场上的遥测终端机由于硬件资源的限制，并不能实现终端机远程升级固件程序、远程维护、远程调试功能。

8、数据不可追溯

由于传统遥终端机硬件资源限制，对于系统运行状态的监控和日志记录比较单一，当出现数据异常时，不具备可追溯性。

9、与智能手机不能通信，可操作性差

随着智能手机业务的应用越来越丰富，二维码、微信小程序成为人们生活中必不可少的工具，传统遥测终端机的参数设置和数据获取需要采用笔记本计算机通过串口连接才能完成，不能与智能手机APP相结合，可操作性差。

10、无嵌入式实时操作系统，各个功能模块耦合性高

传统遥测终端机由于采用的微控制器MCU资源限制，程序实现都是基于中断驱动的前后台系统进行实现，没有加载实时操作系统RTOS，各个功能模块耦合性高，对于任何一个功能模块的修改都会导致其它模块的改动，开发比较麻烦，出现故障时排查比较繁琐。

11、存储能力有限，无文件系统

传统遥测终端机由于资源的限制，存储能力有限，不能加载文件系统，数据的存储和读取全部基于Flash存储器的原始扇区进行操作，没有针对嵌入式系统存储器特点考虑磨损平衡、故障安全(Fail-Safe)等功能，如果针对某一扇区的频繁操作将会导致Flash存储器的物理损坏。

12、自建组网能力差，无法自组网

有些应用场景下，采集传感器距离遥测站有一短距离，中间可能有高楼或者小山头阻挡而不方便布设信号传输电缆，而传统的遥测终端机没有无线方式接入，不能采用无线方式自建组网传输数据。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种高适用性遥测终端机，具体技术方案如下：

一种高适用性遥测终端机，包括微控制器、用来保存历史过程数据的固态存储器、LCD全彩液晶屏、降雨量脉冲中断计数输入模块、数据处理模块、用来通信的通信系统、嵌入式以太网控制器、用来向传感器供电的蓄电池(可控12V DC电源)、用来对蓄电池充放电进行管理的太阳能充电控制电路；所述的以太网控制器内嵌TCP/IP通信协议栈，可接入至局域网或者互联网，作为网络的一个节点进行高速通信；所述数据处理模块包括降雨量处理模块、水位采集数据合法性判定模块、数据存储校验模块。

作为上述技术方案的改进，所述通信系统包括4G全网通通信模块、蓝牙通信模块、串行或者并行通信接口、USB通信接口。

作为上述技术方案的改进，所述降雨量处理模块处理参数包括翻斗式雨量计精度c、脉冲终端计数n、时段长度t，每间隔5分钟作为最小的计数时段，每个小时总共12个计数时段；为每一小时申请一个含有12个元素的字节数组，当设备的降水量中断脉冲计数发生时，读取系统时间，判断时间的分钟数在那个区间窗口，就将相应区间的数组数值增加1；随着时间滑动，计数区间窗口也随之增加，一直到下一个小时，就得到该小时以5分钟为间隔的12个脉冲中断计数；

PN_05x＝n_x*c；

其中，PN_05x为5分钟时段降水量；n_x为中断计数，x为正整数；c为翻斗式雨量计精度；

Ph_m＝(n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇+n₈+n₉+n₁₀+n₁₁+n₁₂)*c；

其中，Ph_m为1小时时段降水量，m为该时段的小时数；

日降水量从当日早上8时到次日早上8时的时段降水量为日降水量，因此日降水量的计算公式：

Pd＝Ph₉+Ph₁₀+Ph₁₁+Ph₁₂+Ph₁₃+Ph₁₄+Ph₁₅+Ph₁₆+Ph₁₇+Ph₁₈+Ph₁₉+Ph₂₀+Ph₂₁+Ph₂₂+Ph₂₃+Ph₂₄+Ph₁+Ph₂+Ph₃+Ph₄+Ph₅+Ph₆+Ph₇+Ph₈；

Pd为日降水量。

作为上述技术方案的改进，定义一个16位的降水量脉冲中断累计变量Total_rainVal，遥测终端机在第一次启动或者初始化后，该变量被初始化为0，每当翻斗式降水量脉冲中断发生时，该变量增加1；在每年的零时零分零秒时和Total_rainVal增加到65535数值时，该变量被复位为0，再次重新计数。

定义一个昨日8时的累计降水量累积数值变量Total_rainVal_yesterday，每日8点整，首先计算当前累计降水量与昨日累计降水量之差，再将累计降水量Total_rainVal赋值给昨日累计降水量变量Total_rainVal_yesterday，类C代码为：

Pad＝(Total_rainVal-Total_rainVal_yesterday)*c；

Total_rainVal_yesterday＝Total_rainVal；

其中Pad为通过累计数值计算的日降水量，c为翻斗式雨量计精度。

判断Pd与Pad是否相等，如果相等，证明降水量采集处理正常，如果不相等，证明降水量数值存在问题，需要排查。通过该算法保证降水量数据的准确性。

作为上述技术方案的改进，所述水位采集数据合法性判定模块对测量水位值进行判定是否处于最高水位和最低水位两个数值区间，最高水位是历史水文资料中水位值的最大值，最低水位是历史水文资料中水位值的最小值，所述测量水位值是测量传感器数值和测量点高程之和；

将当前采集的传感器数据与上一次采集的传感器数据相减的结果的绝对值小于最大变幅；在给定时间5分钟的间隔内，水位的变幅存在一个最大幅度，该数值从历史水文资料中获取。

作为上述技术方案的改进，根据铅酸蓄电池的充放电特性，遥测终端机通过内部高精度模拟量接口实时采集蓄电池供电电压BatV，当蓄电池电压超过13.8V时，停止太阳能充电，随着设备的耗电量增加，当电压降低到13.8V以下时，启动太阳能充电；当蓄电池电压低于10.8V，遥测终端机进入深度休眠，除了每间隔1小时启动一次采集电压外，停止所有外设以节省功耗，太阳能持续充电，当电压高于12.6V时，系统恢复正常工作，主要有以下条件：

1)、BatV>13.8V，停止太阳能充电；

2)、BatV<13.8V，启动太阳能充电；

3)、Bat<10.8V，系统进入深度休眠，极低功耗；

4)、Bat>12.6V，系统恢复正常工作。

本发明的有益效果：

1)、通过采取提高系统集成度、选择低功耗元器件、开发合适的业务应用软件模型等多种措施降低遥测终端机的设备功耗，遥测终端机在休眠状态下，最低功耗小于100uA。由于遥测终端机通常工作在偏远地区，环境条件比较恶劣，采用蓄电池、太阳能供电，因此设备的低功耗特性极为重要。

2)、在设计时重点考虑设备的通用型和可移植性，坚持采用开放式的硬件架构，在设计时考虑到未来的升级，所有模块均遵循通用标准进行设计开发，同时充分利用上一代产品已应用的成熟技术，保持产品技术的继承性。

3)、在设计实现时，将NB-IoT物联网、4G移动通信、LoRa低功耗长距离无线通信、蓝牙

智能手机APP等新技术融入到设备中，以适应新形式和新技术的发展。

4)、可通过以太网口接驳IPC网络摄像机，实现分辨率1280×720(或者更高分辨率)图像实时获取，一幅250K Bytes左右的图像获取仅仅需要3～5秒左右，使得遥测站采集传输图像的能力大大增强，既能测得准数据，又能看得到现场实况。

5)、主控MCU选用意法半导体(STMicroelectronics)基于ARM架构32位超低功耗Cortex^TM-M4微控制器，资源丰富，可扩展性强，主频高达100MHZ。

6)、集成有以太网控制器，内嵌TCP/IP通信协议，可将设备接入至以太网络中，作为网络的一个节点，极大地扩展遥测终端机的通信传输控制能力和使用范围，实现物物互联。

7)、可通过内嵌4G全网通移动通信模组或者以太网口远程连接云服务器，实现了远程升级固件程序、远程维护、远程调试功能。

8)、能将系统日常运行状态信息和数据保存成日志文件，定期上传至服务器，使得遥测终端机的运行状态具有可追溯性，提前预判设备的运行状况；同时由于本发明能连接网络摄像机快速拍摄传输现场图像，因此可以通过查看遥测站历史图像追溯数据的准确性。

9)、可通过智能手机扫描二维码进入APP程序，实现智能手机与遥测终端机的互联互通，可以通过智能手机设置运行参数和提取数据。

10)、采用32位微控制器，系统加载uC/OS-III嵌入式实时操作系统，各个任务逻辑上是独立的，在uC/OS-III操作系统上移植市场上广泛使用的系统组件，使得系统具有很好的可扩展性和可移植性。

11)、内嵌两颗32M Bytes大小的SPI Flash存储芯片，系统内嵌与Windows兼容的文件系统，系统兼容性好。

12)、预留USART接口，可根据应用需求选择接入LoRa低功耗长距离通信模组，自组网无线传输数据。

13)、设计开发采用开放式的架构，最大程度提高系统的开放性和兼容性，可以根据业务应用需求通过对硬件资源和软件功能模块裁剪得到一个既满足实际需要，又非常紧凑的应用系统，从而实现一种平台多种业务应用的搭载。

附图说明

图1为本发明所述高适用性遥测终端机的硬件结构图；

图2为本发明所述高适用性遥测终端机的算法结构图；

图3为本发明所述高适用性遥测终端机的实施流程图；

图4为本发明所述降雨量处理计数的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述高适用性遥测终端机包括微控制器MCU、SPI Flash固态存储器、太阳能充电控制电路、3.5寸LCD全彩液晶屏、按键、通信接口(RS232\RS485\AI等)、12V可控电源、降雨量脉冲中断计数输入模块、4G全网通通信模块、蓝牙

通信模块、USB2.0通信接口、嵌入式以太网控制器、数据处理模块。其中，所述数据处理模块包括降雨量处理模块、水位采集数据合法性判定模块。4G全网通通信模块、蓝牙通信模块、通信接口、USB通信接口均属于通信系统。

1、主控制器MCU

本发明选用ST意法半导体公司生产的STM32F4作为系统的主控MCU，这款MCU资源丰富，支持高达100MHz的系统主频。

2、外部串行和并行接口

终端机拥有以下通信接口：

(1)、2个独立编程的RS232接口，2个独立编程的RS485接口；

(2)、1个脉冲中断计数输入接口；

(3)、USB2.0/SDIO通信接口，接插入U盘或者大容量SD卡导入和导出数据；

(4)、12个数字输入量状态采集接口，可用于输入捕获。

3、通信模组

终端机内嵌全网通4G通信模组，支持中国移动、中国电信、中国联通的4G/3G/2G移动通信网络，根据现场的网络状况自动选择最优网络进行数据通信。

4、太阳能充电控制器

遥测终端机内部集成太阳能充电控制电路，对使用太阳能、蓄电池的充放电系统进行精确调控，提高蓄电池的续航时间和使用寿命。

5、USB2.0接口

遥测终端机集成有USB2.0通信接口，可以插入普通U盘进行数据的导入和导出。

6、LCD全彩屏和按键

遥测终端机集成有3.5寸全彩LCD屏幕和6个按键，系统移植LittleVGL6.1图像GUI组件进行屏幕菜单设计，仿安卓智能手机操作界面，易于用户学习和掌握。

7、独立看门狗

遥测终端机MCU内嵌独立看门狗，独立时钟，可防止系统死机。

8、蓝牙

通信模组

遥测终端机内嵌低功耗蓝牙

通信模组，用户可以通过智能手机APP与遥测终端机连接设置运行参数和提取历史数据。

9、LoRa低功耗长距离通信模组

有些应用场景下，需要接入多个传感器或者传感器距离遥测终端机有一短距离，不方便布设信号传输电缆，就需要采用无线方式自建组网传输数据到终端机，再由终端机发送出去。

终端机内部可根据需要集成LoRa低功耗长距离通信模块，多个终端机LoRa模组可以自由组网，实现了传感器的安装地点可以在以遥测主站为中心的3～5公里范围内的任何位置，替代有线电缆信号传输，有效地扩展了监测系统的数据采集范围。

10、Flash固态存储器

为了保存历史过程数据，终端控制机集成2颗32M Bytes的Flash存储器，系统通过文件系统模块对其进行管理，支持与Linux、Unix、Windows等主流操作系统兼容的FAT12、FAT16和FAT32文件的读、写和控制。

11、以太网控制器

遥测终端机集成以太网控制器，内嵌TCP/IP通信协议栈，可接入至局域网或者互联网，作为以太网的一个节点进行网络高速通信。

本发明所述高适用性遥测终端机采用分层模块化开发实现，底层是硬件设备驱动层，中间层是系统软件层，上层是业务应用软件层，体系结构如图2所示，业务应用程序各任务在嵌入式实时操作系统uC/OS-III的调度下实现多任务的并发执行，软件编程采用汇编语言与C语言混合编程，底层关键驱动程序采用汇编语言编写，其它部分采用ANSI C开发。

基于实时操作系统uC/OS-III，遥测终端机业务应用程序主要由以下中断服务函数和任务组成：

1)、脉冲计数中断服务程序ISR；

2)、脉冲中断关联任务；

3)、主循环任务，负责定时功能的执行，包括传感器数据采集、定时发送数据、增量数据的生产等功能；

4)、LCD操作显示和按键任务；

5)、LTE全网通发送数据任务，包括数据发送、固件升级、时钟同步等功能；

6)、蓝牙通信任务，与智能手机通信；

7)、分中心取数、无线短传LoRa通信任务；

8)、低功耗休眠唤醒任务。

除此之外，实时操作系统uC/OS-III内部还至少包含有uC/OS-III Tick Task、uC/OS-III Timer Task、uC/OS-III Stat Task、uC/OS-III IdleTask等4个内部任务。

12、降雨量处理模块

降雨量处理模块对时段降水量的处理与以下参数有关：翻斗式雨量计精度c、脉冲终端计数n、时段长度t。每间隔5分钟作为最小的计数时段，每个小时总共12个计数时段，如图4所示；其中，每个方框内数值n代表1小时内每间隔5分钟降水量脉冲中断的计数，例如，某日9时的降水量是从9：05分钟开始，表示9：00～9：05之间的时段降水量，因此该小时时段共有12个数据：0--5分、5--10分、10--15分、15--20分、20--25分、25--30分、30--35分、35--40分、40--45分、45--50分、50--55分、55--0分(下一个小时)。

为每天的一小时申请一个含有12个元素的字节数组，类C代码如下：

uint8_t Rain_val[12]；

初始化为0，当设备的降水量中断脉冲计数发生时，读取系统时间，判断分钟在那个区间窗口，就将相应区间的数组数值增加1，随着时间滑动，计数区间窗口也随之增加，一直到下一个小时，就得到该小时以5分钟为间隔的12个脉冲中断计数。

(1)、5分钟时段降水量计算

PN_05x＝n_x*c；

其中，PN_05x为5分钟时段降水量；n_x为中断计数，x为正整数；c为翻斗式雨量计精度；

(2)、1小时时段降水量计算

Ph_m＝(n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇+n₈+n₉+n₁₀+n₁₁+n₁₂)*c；

其中，Ph_m为1小时时段降水量，m为该时段的小时数；例如Ph₉即为9点时测得的降水量。

日降水量从当日早上8时到次日早上8时的时段降水量为日降水量，因此日降水量的计算公式：

Pd＝Ph₉+Ph₁₀+Ph₁₁+Ph₁₂+Ph₁₃+Ph₁₄+Ph₁₅+Ph₁₆+Ph₁₇+Ph₁₈+Ph₁₉+Ph₂₀+Ph₂₁+Ph₂₂+Ph₂₃+Ph₂₄+Ph₁+Ph₂+Ph₃+Ph₄+Ph₅+Ph₆+Ph₇+Ph₈；

Pd为日降水量。

13、日降水量正确性判定模块

定义一个16位的降水量脉冲中断累计变量Total_rainVal，遥测终端机在第一次启动或者初始化后，该变量被初始化为0，每当翻斗式降水量脉冲中断发生时，该变量增加1；在每年的零时零分零秒时和Total_rainVal增加到65535数值时，该变量被复位为0，再次重新计数。

定义一个昨日8时的累计降水量累积数值变量Total_rainVal_yesterday，每日8点整，首先计算当前累计降水量与昨日累计降水量之差，再将累计降水量Total_rainVal赋值给昨日累计降水量变量Total_rainVal_yesterday，类C代码为：

Pad＝(Total_rainVal-Total_rainVal_yesterday)*c；

Total_rainVal_yesterday＝Total_rainVal；

其中Pad为通过累计数值计算的日降水量，c为翻斗式雨量计精度。

判断Pd与Pad是否相等，如果相等，证明降水量采集处理正常，如果不相等，证明降水量数值存在问题，需要排查。通过该算法保证降水量数据的准确性。

14、水位采集数据合法性判定模块

对水位采集数据的合法性判定

水位数据的采集按照每间隔5分钟采集一次数据，为了保证采集的数据是正确的，采取以下算法对水位数据进行合法性检验：

1)、最大值、最小值判定

对于自然河道或者水库的测量点水位，一般都会有水文资料，其中有最高水位W_max和最低水位W_min两个数值，因此测量的水位首先判定必须在这两个数值区间内；

W_min≤WaterVal+Atd＜W_max；

其中，WaterVal为测量传感器数值，Atd为测量点高程。

2)、过程变幅判定

在给定时间5分钟的间隔内，水位的变幅一定小于最大幅度值Apd，该数值可以从多年的水文资料中获取。水位数据的过程变幅判定，需要将当前采集的传感器数据与上一次采集的传感器数据相减，结果的绝对值必须小于最大变幅Apd，算式为：

Abs(Cur_WaterVal-Pre_WaterVal)≤最大变幅Apd；

15、降水量、水位数据的历史数据存放

由于嵌入式系统的存储空间有限，对于采集数据的存放按照以下算法进行：

1)、降水量历史数据的存放

每当一个脉冲中断发生时，记录该脉冲量的发生时间，并将脉冲计数累计数值(降水量累积值)增加1，并按照如下方式组织成一条记录，存放在历史数据文件中：

记录索引Index，Rain_Happen_time(发生时间),Total_RainVal(降水量累计值)；

每整点的零时零分，无论是否有脉冲中断发生，都将降水量累积值按照以上组织成一条记录，并存放在历史数据文件中。

16、水位历史数据的存放

系统每间隔5分钟采集一个水位数据，和上一个5分钟数据相比，如果相同就不存放该条水位数据；如果两者之间差值的绝对数值大于等于1厘米，就按照如下方式组织成一条记录，存放在历史数据文件中：

记录索引Index，Water_Sample_time(采集时间),WaterVal(水位数据)

每整点的零时零分，无论水位是否变化，都将水位采集数据按照以上组织成一条记录，存放在历史数据文件中。

17、太阳能充电控制

根据铅酸蓄电池的充放电特性，遥测终端机通过内部高精度模拟量接口实时采集蓄电池供电电压BatV，当蓄电池电压超过13.8V时，停止太阳能充电，随着设备的耗电量增加，当电压降低到13.8V以下时，启动太阳能充电；当蓄电池电压低于10.8V，遥测终端机进入深度休眠，除了每间隔1小时启动一次采集电压外，停止所有外设以节省功耗，太阳能持续充电，当电压高于12.6V时，系统恢复正常工作，主要有以下条件：

1)、BatV>13.8V，停止太阳能充电；

2)、BatV<13.8V，启动太阳能充电；

3)、Bat<10.8V，系统进入深度休眠，极低功耗；

4)、Bat>12.6V，系统恢复正常工作。

本发明所述高适用性遥测终端机的主要性能指标

1)、高集成度，采用一体化设计，系统主板内嵌太阳能充电控制器、4G通信模块，蓝牙

通信模块、以太网络接口。

2)、2个独立的RS232串口，支持独立编程，支持1200bps～921600bps的波特率。

3)、2个独立的RS485串口，支持独立编程，支持1200bps～921600bps的波特率。

4)、1个USB2.0接口，可插入普通U盘。

5)、1个独立的脉冲中断源，支持休眠/唤醒功能。

6)、13个带有防雷隔离功能的数字输入量状态采集接口。

7)、1个蓝牙模组，支持与智能手机建立连接。

8)、2个继电器DO可控输出，2个MOS管DO可控输出。

9)、1个12V可控电源输出，最大负载电流5A。

10)、1个3.5寸LCD全彩屏，6个独立的按键。

11)、主板内嵌4G全网通(移动、电信和联通),可选内嵌GNSS(全球卫星导航系统)芯片。

12)、集成太阳能充电控制器，支持最大充电电流可达8A。

13)、供电及功耗：采用12V DC供电。

4G模块常开，工作状态下，整机平均电流在30mA左右；

4G模块待机，休眠状态下，整机功耗电流小于5mA。

4G模块关闭，休眠状态下，整机功耗电流80uA。

14)、内置高精度实时时钟：运行精度年漂移不超过1min。可采用GNSS全球定位系统、网络NTP或者中心站校时。

15)、内嵌2颗32M Bytes固态SPI Flash存储器。

16)、内嵌独立的硬件看门狗电路。

17)、自建组网功能，支持LoRa模组、Zigbee或者433MZH超短波电台自组网。

本发明所述高适用性遥测终端机的主要优点：

1)、功耗低

本发明的遥测终端机采12V DC供电，在休眠状态下，整机功耗为80uA。

2)、集成度高

遥测终端机内部集成全网通4G通信模组、蓝牙通信模组、LoRa通信模组、太阳能充电控制电路等，集成度高，系统结构简单，安装方便，成本低，性能稳定可靠。

3)、资源丰富，系统可扩展性强

遥测终端机采用32位MCU芯片，主频100MHZ，片内SRAM为320K Bytes，片内Flash存储器为1024K Bytes。接口丰富，拥有多种外设包括：I2C、SPI、USART/UART、QSPI、SDIO、USB2.0、Waterdog、Timer定时器、PWM发生器等等。

由于内部资源丰富，系统可以根据业务需求增加功能，使得系统拥有很强的功能可扩展性。

4)、标准化程度高

系统所有模块均采用通用标准进行设计开发，采用标准的优先级顺序一般为：国际标准、国家标准、行业标准；开发设计遵循STM32全生态链，使得系统功能扩展方便，可裁剪性强。

5)、支持远程升级、远程维护、远程调试

本发明的遥测终端机内嵌4G全网通通信模组，数据传输速度快，系统支持远程升级固件程序、远程下载历史数据、远程修改运行参数，可以极大地节省系统维护的人力投入。

6)、内嵌大容量存储器，支持与Windows系统兼容的数据存储和交换

遥测终端机内嵌2颗32M Bytes大小的Flash存储器，系统采用与主流操作操作系统(Windows、Unix、Linux等)兼容的文件系统进行管理和操作存储器，方便数据的导入和导出。

终端机集成一个USB2.0标准的接口，可以识别普通U盘。

7)、集成RJ45网口，内嵌TCP/IP通信协议栈，可接入IPC网络摄像机，实现高清图像的“秒拍秒传”功能。

本发明所述高适用性遥测终端机的集成度高，结构简单，实施安装方便，主要安装流程方式如图3所示：

1)、将遥测终端机固定在机箱内，保证遥测终端机不晃动。

2)、按照终端机接口的标识将传感器、太阳能板、蓄电池等依次接入遥测终端机接线端子；

3)、插入SIM卡，将设备上电。

4)、进入LCD菜单，依次设置遥测终端机时间、系统初始化、设置遥测站运行参数，返回首页观察系统初始化状况，查看全网通4G通信模块的网络状况，包括手机信号强度、接入通信网络、IMSI号码等。

5)、通过LCD屏幕设置进入“测试状态”，模拟降水量，查看LCD屏幕首页观察传感器采集的数据是否正确。

6)、根据采集结果调整系统运行参数。

7)、设置系统工作状态为“正常工作状态”，返回首页。

在上述实施例中，所述高适用性遥测终端机通过采取提高系统集成度、选择低功耗元器件、开发合适的业务应用软件模型等多种措施降低遥测终端机的设备功耗，遥测终端机在休眠状态下，最低功耗小于100uA。

所述高适用性遥测终端机在设计时重点考虑设备的通用型和可移植性，所有模块均遵循通用标准进行设计开发，同时充分利用上一代产品已应用的成熟技术，保持产品技术的继承性。

所述高适用性遥测终端机在设计实现时，将NB-IoT物联网、4G移动通信、LoRa低功耗长距离无线通信、蓝牙

智能手机APP等新技术融入到设备中，以适应新形式和新技术的发展。

所述高适用性遥测终端机可通过以太网口接驳IPC网络摄像机，实现分辨率1280×720(或者更高分辨率)图像实时快速获取，一幅250K Bytes左右的图像获取在3～5秒以内完成，使得遥测站既能测得准数据，又能看得到现场状况。

所述高适用性遥测终端机的主控MCU选用意法半导体(STMicroelectronics)基于ARM架构32位超低功耗Cortex^TM-M4微控制器，资源丰富，可扩展性强，主频高达100MHZ。

所述高适用性遥测终端机的集成有以太网控制器，内嵌TCP/IP通信协议，可将设备接入至以太网络中，作为网络的一个节点，极大地扩展遥测终端机的通信传输控制能力和使用范围，实现物物互联。

所述高适用性遥测终端机可通过内嵌4G全网通移动通信模组或者以太网口远程连接云服务器，实现了远程升级固件程序、远程维护、远程调试功能。

所述高适用性遥测终端机能将系统日常运行状态信息和数据保存成日志文件，定期上传至服务器，使得遥测终端机的运行状态具有可追溯性，提前预判设备的运行状况；同时由于本发明能连接网络摄像机快速拍摄传输现场图像，因此可以通过查看遥测站历史图像追溯数据的准确性。

所述高适用性遥测终端机可通过智能手机扫描二维码进入APP程序，实现智能手机与遥测终端机的互联互通，可以通过智能手机设置运行参数和提取数据。

所述高适用性遥测终端机采用32位微控制器，系统加载uC/OS-III嵌入式实时操作系统，各个任务逻辑上是独立的，在uC/OS-III操作系统上移植市场上广泛使用的系统组件，使得系统具有很好的可扩展性和可移植性。

所述高适用性遥测终端机内嵌两颗32M Bytes大小的SPI Flash存储芯片，系统内嵌与Windows兼容的文件系统，系统兼容性好。

所述高适用性遥测终端机预留USART接口，可根据应用需求选择接入LoRa低功耗长距离通信模组，自组网无线传输数据。

所述高适用性遥测终端机设计开发采用开放式的架构，依靠STM32生态系统，最大程度提高系统的开放性和兼容性，可以根据业务应用需求通过对硬件资源和软件功能模块裁剪得到一个既满足实际需要，又非常紧凑的应用系统，从而实现一种平台多种业务应用的搭载。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高适用性遥测终端机，其特征在于：包括微控制器、用来保存历史过程数据的固态存储器、LCD全彩液晶屏、降雨量脉冲中断计数输入模块、数据处理模块、用来通信的通信系统、嵌入式以太网控制器、用来向传感器供电的蓄电池、用来对蓄电池的充放电进行管理的太阳能充电控制电路；所述以太网控制器内嵌TCP/IP通信协议栈，通过接入至局域网或者互联网，作为网络的一个节点进行高速通信；所述数据处理模块包括降雨量处理模块、水位采集数据合法性判定模块。

2.根据权利要求1所述的一种高适用性遥测终端机，其特征在于：所述通信系统包括4G全网通通信模块、蓝牙通信模块、通信接口、USB通信接口。

3.根据权利要求1所述的一种高适用性遥测终端机，其特征在于：所述降雨量处理模块处理参数包括翻斗式雨量计精度c、脉冲终端计数n、时段长度t，每间隔5分钟作为最小的计数时段，每个小时总共12个计数时段；为每天的一小时申请一个含有12个元素的字节数组；当设备的降水量中断脉冲计数发生时，读取系统时间，判断分钟在那个区间窗口，就将相应区间的数组数值增加1；随着时间滑动，计数区间窗口也随之增加，一直到下一个小时，就得到该小时以5分钟为间隔的12个脉冲中断计数；

PN_05x＝n_x*c；

其中，PN_05x为5分钟时段降水量；n_x为中断计数，x为正整数；c为翻斗式雨量计精度；

Ph_m＝(n₁+n₂+n₃+n₄+n₅+n₆+n₇+n₈+n₉+n₁₀+n₁₁+n₁₂)*c；

其中，Ph_m为1小时时段降水量，m为该时段的小时数；

日降水量从当日早上8时到次日早上8时的时段降水量为日降水量，因此日降水量的计算公式：

Pd＝Ph₉+Ph₁₀+Ph₁₁+Ph₁₂+Ph₁₃+Ph₁₄+Ph₁₅+Ph₁₆+Ph₁₇+Ph₁₈+Ph₁₉+Ph₂₀+Ph₂₁+Ph₂₂+Ph₂₃+Ph₂₄+Ph₁+Ph₂+Ph₃+Ph₄+Ph₅+Ph₆+Ph₇+Ph₈；

Pd为日降水量。

4.根据权利要求1所述的一种高适用性遥测终端机，其特征在于：所述水位采集数据合法性判定模块对测量水位值进行判定是否处于最高水位和最低水位两个数值区间，最高水位是对历史水文资料中水位值的最大值，最低水位是对历史水文资料中水位值的最小值，所述测量水位值是测量传感器数值和测量点高程之和；

将当前采集的传感器数据与上一次采集的传感器数据相减的结果的绝对值小于最大变幅；在给定时间5分钟的间隔内，水位的变幅存在一个最大幅度，该数值从历史水文资料中获取。

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