潘娟1 ，王吉星1 ， 李凌2 

（1．水利部南京水利水文自动化研究所, 江苏 南京  210012；  
2.  河海大学机电工程学院，江苏  南京213022）

    摘  要：根据建设国家防汛抗旱指挥系统的技术要求，结合近几年来系统实施和运用，遥测站配备数据在站存贮及远程批量传输技术可行。描述水文遥测终端RTU内集成SPI串行固态存贮电路的技术设计思路，给出设计案例。现地存贮的数据由GPRS传输通道进行远程提取。
    关键词：  水文参数；固态存贮；串行Flash；GPRS远程数据批量提取；

1    国家防汛抗旱指挥系统与常规水文报汛系统的技术区别
1.1     水文报汛系统现状
   据统计，截止20世纪90年代末，全国建设了水文自动测报系统400多个，全部实现了常规自动报汛，但限于通讯条件与存贮技术的实现，无一实现数据的远程提取。2000年以来，随着国家防汛指挥系统水情分中心示范区工程的建设，逐步引入了RTU与固态存贮相结合的技术。早期的系统以PSTN远程数据提取为多。到目前为止，全国水文站网使用固态存贮、自动报讯、GPRS远程提取的站点还没有全部普及，不少省级站点及以下的雨量观测站等还没有固态存贮装置，有的虽然有了水文数据固态存贮器，但没有实现远程自动报汛和远程下载，因而不能完全满足国家防汛抗旱指挥系统水情分中心建设的业务需求，全国水文系统中对现场数据存贮和转发的要求目前已非常迫切。
1.2     国家防汛抗旱指挥系统水情分中心建设的业务需求
   国家防汛抗旱指挥系统水情分中心项目建设指导书中，对水情信息采集系统已有明确要求，将水文数据在站存贮和水文数据双信道传输列为系统建设的必备内容，这一点也在新颁布的SL61-2003《水文自动测报系统技术规范》中得到了体现。规范所指的水文传感器与固态存贮器的三种连接方式，将通过技术整合而向方式三的连接方式转变，即遥测终端机和固态存贮一体化的结构。这种技术转变是从20世纪90年代及以前水情自动测报系统的单一报讯向现代的数据报讯和数据整编相结合的转变，因而将影响着现代水文遥测终端的技术设计方向，以及水文报汛和水文资料整编的技术革新。并将进一步方便水文行业数据应用，增加了水文数据传输、保存的双重可靠性。
   现地水文参数固态存贮成为新建水文遥测系统的重要技术措施后，促进了RTU研发在这个方面的技术扩充。从目前多家厂商主流产品来看，存贮容量已达到至少为512 kB 以上，现地可存贮数据1～2年。
   在报讯体制上，国家防汛抗旱指挥系统水雨情信息采集系统已经突破了常规应用中的自报式、应答式的单一报汛体制，全面向兼容式的方面发展，以应对公网通讯或应用第三方通讯信道进行主备信道组网的技术需求。
   此外，国家防汛抗旱指挥系统现地监测项目还包括旱情信息采集、工情信息采集等采集项目，这些采集项目将来都与固态存贮和远程传输有关。
2    水文数据固态存贮与传输的技术设计要求
   按照国家防汛抗旱指挥系统水情分中心项目建设的要求，针对GPRS应用业务，水文参数固态存贮和数据传输应实现如下的技术需求：
    (1)RTU与固态存贮须共用同一的传感器。现地数据采集源统一。
    (2)RTU支持雨量和水位数据的固态存贮，存贮时间间隔依照规范要求基本定为5 min。
    (3)能可靠保存1～2年的水文数据。
   (4)分中心远程下载遥测站的数据，通过GPRS网络远地获取RTU存贮器中的数据，在水情分中心形成下载数据库文件或文本文件，以利整编。
   (5)GPRS网络故障应急时，或GPRS网络不能覆盖站点时，本地下载数据，通过RTU  RS-232接口本地获取存贮器中的数据，在移动PC中形成数据库或文本文件。
   (6)可以选择单下载雨量、单下载水位或全部下载。数据下载的时间段由现场本地设定或由分中心远程指定。
    (7)数据自报和数据下载能互为备份。
3    固态存贮与传输技术设计
3．1  硬件设计
   近几年来存贮芯片技术有两个方面的突破，一是容量大功耗低，二是重复可擦写次数高，掉电时不丢失存贮数据，这些特性非常适合于水文数据固态存贮以及其他无纸记录场合。
    存贮芯片与CPU的接口有并行和串行两种方式：
    (1)采用并行存贮芯片，通讯速度快，但占用CPU硬件资源多。
   (2)采用串行存贮芯片，串行芯片由于是对芯片进行串行数据读取的操作，速度相对慢了许多，但速度也可达到400 kbps ～ 1 Mbps，对于水文数据固态存贮业务处理来说已经不成问题，较低的速度带来了低功耗和低EMI的优点。
    部分产品使用U-DISC作为RTU外挂固态存贮器件，只要在电路上增加USB接口即可。
   远程传输采用GPRS DTU模块，可供选择的产品有多种。不论采用哪一种DTU模块，均需要做好TCP/IP协议转换。YDH-1水文遥测终端发送一次水情数据时，长度约为70个字节。通过DTU RS-232的数据接口， DTU向数据中心实时发送。DTU的数据传送是透明的，不需要后台计算机支持，不需要对数据添加任何多余的协议和对水情报文做协议转换。
   本文的设计采用串行方式，以单片机为主控芯片，配接大容量SPI Flash ROM芯片为主要数据载体，实现水文数据现地固态存贮；利用 GPRS DTU 作为远传连接部件，完成固态存贮数据的远程批量提取，原理图参见图1。 
    关键器件选择如下：
    (1)　单片机：选择主流单片机，要求有较大容量的内部RAM；
    (2)　固态存贮芯片：串行Flash，容量为4 MB，可扩展。可擦写次数高；
           串行固态存贮芯片的主要功能如下： 
    ①　2线或3线同CPU接口，硬件连接简单； 
    ②　串行SPI协议抗干扰性能强，不符合协议的干扰信息无法进入固态存贮芯片；
    ③　支持芯片全部擦除和页擦除；
    ④　值守功耗要求低。
（３）GPRS模块：自带远程传输协议，串行口交换数据，电源可控制。
    GPRS模块的作用与主要功能为：
   通过GPRS 网络以VPN专用虚拟网方式登录到远程数据接收中心服务器，沟通水情分中心与水文遥测站的数据传输链路。
   GPRS电源控制电路是为了降低功耗，使GPRS模块在平时掉电，当有任务产生时将GPRS模块上电沟通与分中心的连接，工作完毕后再进入掉电状态。
3．2  软件设计
   为了降低功耗，微处理器平时要用软件控制在休眠工作模式以降低功耗。有事件产生时，如5 min时间到，执行一次固态存贮的操作，或外部命令到来时，由软件识别并进入相应的执行流程，如本地下载、GPRS远程下载等操作流程。CPU严格按照时间顺序排列锁存数据，以月日时分为索引进行固态存贮。下载时，也是根据上位机的全部时段，或部分时段，按照时间顺序输出数据。
软件流程见图2。 


   CPU对串型 Flash存贮芯片的操作按SPI串行总线的标准进行，实现与SPI存贮芯片的交互。
   Flash存贮的数据采用时间映衬地址技术，存贮时间就是地址的原始的数据地址指针。根据时间与地址的唯一对应关系，计算存贮单元的位置，得到可靠的存贮数据结构；为了提高数据存贮的可靠性，软件采用了写入—校验—重写的技术措施。
   GPRS远程下载时也是根据水情服务器发来的时间段，利用时间映射地址的技术，生成下载指令，在遥测站与分中心沟通GPRS链路时下发指令，完成批量数据下载任务。这个命令是自动执行的。
    软件还设计了数据召测，可以通过定点时刻的数据召测，复核以前系统自报来的水情数据。
4结语
   根据以上设计原理研发出来的遥测站水文数据固态存贮及GPRS远程传输模块已经装备到YDH-1A水文遥测终端中，并且已在国家防汛抗旱指挥系统水情信息采集工程中应用，系统除正常报讯外，还能远程访问遥测站点的水情数据，并实现了最短为1天，最长为1年的水文数据远程批量提取，方便了水情分中心的操作，也为远程设备控制提供了技术手段。
    此技术也适用于CDMA移动传输网，数据传输的速度高于GPRS应用速度。

参考文献
[1] SL61-2003.水文自动测报系统技术规范〔S〕.
 [2] 王吉星.利用GPRS网络进行水情报汛的应用实践〔J〕.水利水文自动化，2005（1）.