单位文秘网 2022-03-01 08:07:34 点击: 次
【摘要】文章根据笔者多年来的工作经验,结合当前技术,就新技术条件下如何提高RTU数据的完整性也就是产品的硬件可靠和软件可靠性发表几点看法。
【关键词】水文数据;完整性;RTU;设计
随着社会经济的发展,水资源的重要性变得越来越重要,如何更合理地利用好现有水资源成为推动经济持续发展的直接需求,合理调度的前提条件是及时准确的获取水文数据,离开数据,一切都是空谈。水文遥测终端机(以下简称RTU)是水文遥测系统的重要基础单元,作为遥测系统中承上启下的一个环节,RTU承担了采集各水文要素,实现数据的预处理、存贮、传输以及各种状态报警等工作,当前,电子技术发展迅猛,新技术新材料推动着电子产品以几个月为更新周期,RTU也随之获得了长足的进步。国内各厂家都在不断推出新的产品,但由于许多厂家进入水文行业时间短,对RTU的需求理解不深,导致产品良莠不齐。根据多年来的使用经验,结合当前技术,就新技术条件下如何提高RTU数据的完整性也就是产品的硬件可靠和软件可靠性,发表几点看法。
一、硬件和结构要求
组成RTU的硬件是RTU完成各种功能的基础和保障,也是RTU发挥各种性能的前提条件,因此高性能器件的选择和各器件之间的良好配合就显得非常必要,如何在纷繁复杂的众多器件中挑选出适合本行业的集成电路,并设计合理的桥接电路最能体现一个优良设计师的智慧。不仅需要设计师了解各种集成电路的性能而且要求熟悉水文行业的特点和要求,两者缺一不可。
1、功耗需求
大家知道,水文监测设备都很分散,所有设备都是24小时连续工作,无人值守,并且大部分监测站都是采用太阳能电池供电,对功耗的要求必然严格,在满足各项功能指标的前提下需要尽可能节省电能。在南方地区,连续半个月的阴雨天是经常出现的,阴雨天更需要保证水文遥测系统正常工作,节约电能意味着RTU可以在相同电池容量下工作更长时间,从而提高RTU在极端气象条件下生存能力,保证数据的完整性。全世界都处于降低能耗的时代,给RTU的设计带来了机遇。美国MICROCHIP的PIC系列单片机和德州仪器公司的MSP430系列单片机将微处理器引领到低功耗时代,其中MSP430在低功耗的基础上集成了高速数字信号处理器(DSP)的诸多性能,流水线指令队列和灵活多变的定时器结构使其在非常低的工作频率上获得了高性能,集成的模数和数模转换器大大简化了简单应用下的硬件复杂性,多种时钟源可随意变换,使CPU可以由用户在各种工作频率下随意切换,更有低至0.1微安的睡眠模式和快速退出机制,使得设计一款高性能低功耗的RTU成为可能。同样,其它诸如存贮器、MODEM、显示部件、数字通信IC以及各类接口IC都有低耗器件可供选择,辅以外围电路的正确设计、绝缘处理,完全可以达到用户的要求。
2、存贮媒介和数据安全
RTU采集到的数据需要存贮到一个安全的媒介,同时各种运行参数也需要安全保存。现有存贮介质有随机存取存贮器RAM、电改写存贮器EEPROM、闪存FLASH以及铁电存贮器,RAM因掉电易丢失和造价高不宜使用,铁电存贮器兼有RAM的性能和非易失存贮器的稳定性,但造价高,容量低,需要多片组合才能满足RTU的使用,也不宜采用,在可供选择的EEPROM和FLASH中,FLASH以其超大容量和长达100年的挥发期成为首选的高性价比产品,同时其待机电流小也适宜完成RTU的低功耗设计,而铁电存贮器则适合保存运行中随时变化的少量参数,例如:报文发送进度、存贮器指针等关键信息,以备突然停电后再运行时恢复原运行状态。
3、电源自我管理能力
利用有限的资源干尽可能多的事,这是水文遥测系统永远的课题,节约每一点电能是RTU应遵循的原则,据此,CPU应在满足系统功能的前提下尽可能低速运行或不运行,有任务时立即高速运行。各外围IC只有在需要使用的时候才启用,使用完毕立即关闭。RTU随时监测供电电源,并推算电池的剩余电量,在整点报文中将电量信息一同报送到监控中心,在监控中心软件的配合下给出电池评估报告,便于管理人员及时发现电池的异常状况,必要时提前介入,防止因供电问题导致RTU停止工作。另一方面,RTU可以根据当前电池情况自适应调整工作状态,比如电量不足时只采集水文要素,不发送到监控中心以便节省电能,待电量恢复安全值时再一并发送,当系统工作在召测模式时,RTU可以临时切换到自报模式,关闭通信单元,最大限度地保证水文数据的连续性。当电量严重不足时降低水文要素的采集密度。只有RTU各功能部件的功耗可控,系统软件才有可能发挥自适应管理的可能,所以必然要求RTU内部IC功耗可编程控制,外设供电全部可由RTU来控制,也就是说RTU还必须具有控制所有外设电源的能力。
4、程序远程升级
随着软件复杂程序的提高,漏洞和缺陷成为无法回避的问题,微软的WINDOWS就是典型的例子。软件升级有脱机升级、在线升级和远程升级,脱机升级因为要拆解RTU,慢慢被淘汰,在线升级可以在设备使用状态下利用厂家的软件或编程工具完成升级,是一种快捷的升级方法,缺点是必须由技术人员在现场完成。远程升级则可以将文件交给电脑,由电脑将新的程序传送到RTU完成升级,是最方便最节省的升级方式。所以当代RTU应当具有远程升级功能以适应不断发展的功能升级要求。利用现有信道,将新的程序代码远程传送到RTU,RTU收到完整的代码后经校验无误,在工作间隙便可以将新的代码替换旧代码,然后在新代码支持下继续原来的工作,升级在悄无声息中完成。要完成这一功能需要一系列前提条件:一是CPU必须支持在线编程,支持自我擦写,这一功能在MSP430系统单片机得到很好的支持;二是RTU内部必须有足够的非易失存贮器来存放待升级的新代码;三是RTU与监控中心的通信必须是双向的,便于建立代码传送和纠错机制;
5、合理的结构
合理的结构不仅是美观的需要,同时也是提高整机可靠性,从而进一步保证数据完整性的有利条件,RTU外壳足够的刚性可以保护内部脆弱的集成电路免受冲击;尽可能少的连接器一方面可以降低RTU成本,另一方面可以有效减少故障,统计表明电子产品故障最多的就是连接器,它的故障表现除了松动,接触不良,疲劳外,还有长期使用后生锈、灰尘影响和潮气侵入。因此减少连接器很有必要,特别是内部连接器尽可能不用,采用单板结构就是最理想的选择。外部连接器除了防锈镀层外,必须有足够的接触面和连接压力,以保证接线的长期可靠性。最外层的机箱还需要一定的密封性来隔开外部潮气和灰尘的侵入,给电缆留有密封接头,这些措施看似与性能无关,实则影响着RTU的运行安全。
6、多种传输媒介支持
RTU的测量数据需要及时传输到监控中心,常用的传输媒介有超短波、GPRS(CDMA)、SMS、卫星终端通信、光纤等,为保证数据传输的可靠性,系统一般设有一个或多个备用信道,用于在主信道故障或阻塞时的应急通信,RTU必须具备控制和切换各个信道的能力,并能按不同信道的传输要求控制其工作状态,从而完成信道的切换。
二、软件要求
1、运行速度的可编程控制
CPU的功耗与其工作频率具有近似线性的关系,如前所述,功耗直接影响水文遥测系统应对恶劣气象的能力,传统单片机使用固定频率的时钟,要么什么也不干进入休眠,要么全速运行,为了保证最恶劣的条件下正常工作,设计人员一般选择较高的时钟,这就导致在一般任务下CPU大部分时间在空转,浪费电能。近年出品的单片机已经有厂家考虑到避免这种资源的浪费,使用了一种可编程控制的时钟或多个时钟源可选择,软件编制人员根据当前运行的任务及时调整时钟频率,使得任务及时执行的同时电流消耗做到最低。
2、高效的代码
完成同一任务需要的代码量可能完全不同,而代码是否精简直接关系到程序的执行效率,即完成任务所需的时间节拍。这就需要设计人员挑选合适的语言和编译工具,同时对编译器的工作原则有透彻的了解,对程序的结构进行整体规划,以及实践中的不断尝试才能编写出精练的代码。
3、软件可靠性设计
软件可靠性是与硬件可靠性同等重要的,不合理的硬件设计可以导致硬件故障减少硬件的使用寿命。有缺陷的软件设计轻则导致系统出错,重则造成系统瘫痪。一个软件从定义、开发、使用和维护,直到最终被废弃,经历了一个缓慢成长的时期,这就如同一个人要经过胎儿、儿童、青年、中年、老年,通常把软件经历的这个漫长的时期称为生存周期。只有按照先分析需求,后进行一般设计,再进行详细设计,然后编写代码,最后经过大量测试的程序才是合格的软件。
4、多任务管理
现代设备的显著特点就是多任务机制,RTU也不例外,用户最常看到的外在任务如:面板操作、采样、报文发送进程管理,其实内部任务比外在表现的任务要多得多。很多任务是并行处理的,需要一个很好的多任务机制平衡分配各种资源,根据各任务的重要程度进行调度,优先安排重要任务,及时处理不可等待的任务等。
5、抗干扰和抗死锁设计
水文遥测RTU一般都是无人值守,正常运行时工作的电磁环境相对还是良好的,但雷电的干扰机会仍然很大,手机死机可以人工干预重开机。RTU死机就是致命的问题,因此一方面要求RTU具有较强的硬件和软件抗干扰能力,自动检测各种错误状态并消除错误,另一方面对于无法纠正的错误必须由硬件看门狗强行复位系统运行。如果缺乏这种机制,在灾难性气候下将出现灾难性后果,养兵千日用兵一时,却连一时也没有用到。
6、恢复原始状态
良好的人机界面是方便使用的基础,中文界面和各种直接了当的参数设置方式是必不可少的,各种常见的状态应该用LED灯直接了当地显示,方便用户了解。但用户错误地设置了各类参数导致系统无法正常工作的事仍时有发生,为避免这类错误,恢复“出厂状态”和“安装状态”就显得友好而快捷,大多情况下恢复出厂状态后只要设置几项就可以正常工作,这种修改便于用户电话与厂家沟通和对比,不会漏掉需要修改的参数,而恢复安装状态则可以直接恢复到上一次的正确运行状态。
三、资源的调度能力
1、数据传输资源的调度
如前所述,常用的数据传输媒介有超短波电台,GPRS(CDMA),SMS,卫星等,根据可靠性要求和系统造价有不同的组合方式,原则是主信道优先费用低的信道,不论如何组合,需要软件具备调度和管理各种设备的能力。下面就两种常见组合模式说明一个软件管理流程,第一种是超短波为主信道,GPRS作为备用信道,这种组合是平时不产生通信费,超短波在同频配置时同一时间只能有一台RTU发报,为防止冲突首先在各个测报的发报时间上需要错开,但测站的时钟会有误差,同时考虑到监测中心召测时间的不确定性,时间冲突在所难免,这就需要每台RTU在发报前侦测一下本信道是否忙,遇忙自动等待。有了这种机制就可以大大降低报文冲突的风险,辅以重发机制(同一条报文发送完成后等待中心的确认,如果没有收到确认报,则重发本报文,重复3次)则报文发送成功率会大大提高。如果重复3次仍然没收到确认报则很有可能是信道故障,立即启动GPRS通信设备,并以GPRS方式重发此报文,仍使用重发机制重复3次,如仍然不成功则将此报文归入到发送失败队列,这个队列足以存贮1000条以上报文,所有发送失败的报文均按先进先出的原则排列,一旦RTU下一次成功发送一次报文则启动失败重发机制,将历史上没有发送出去的报文全部发送出去。第二种组合是GPRS为主信道,卫星为备用信道,GPRS发报也等待监控中心的回执,如果没有收到回执或GPRS链接不成功则断电重启GPRS通信设备并再一次链接,如此重复3次,如果仍然不成功则查看一下GSM网络信号是否正常,如有GSM网络则启用短消息(SMS)方式发送报文,发送成功后结束本次报文发送。如GSM网络信号也不正常或短消息发送失败(如欠费)则启动卫星终端,找到卫星信号后通过卫星终端直接向监控中心发送此报文,相反如果卫星终端无信号或发送失败则将此报文存贮到发送失败队列,如前所述,此队列空间至少需要1000条存贮空间以应对长时间的故障。在下一次发送成功后RTU自动启动失败重发机制,将历史失败报文全部发送出去。其它各类通信方式的组合都可以据此按排,确保各种异常状况报文无丢失传输到监控中心。
2、传感器兼容性
任何仪器都会故障,传感器也不例外,为方便用户及时排除故障,应允许用户临时或长期更换不同类型的传感器,这就要求RTU能够兼容市面上的尽可能多的传感器,用户在更换新的传感器后不需要新购RTU或升级RTU便可以投入工作。
3、永远在线和低功耗的平衡
传统遥测系统大多采用自报方式,平时关闭通信设备以节电,随着现代技术的进步,各类通信设备都在向着更低功耗发展。典型的例子是数据通信终端DTU利用一种快速休眠唤醒的技术使得在线(GPRS在线或GSM在线)电流降到1毫安的水平,这样的功耗水平就达到了太阳能供电系统的承受范围,使用这种技术就可以让RTU永远在线,监控中心可以随时访问每一个终端而不必为电能消耗而发愁。相信不远的将来,其它通信方式也会有类似的或更优良的产品出现,只有研发人员不断跟踪新技术,及时利用全球发展的成果,便可以不断推出新的水文产品,造福国人。
总之,一台小小的RTU也同样涉及到机械、电子、软件等各方面的技术,受到时代技术制约的同时也享受着技术进步带来的便捷和改进,新技术已经渗透到社会的各个方面,只要我们充分利用好它,就能给我们的水文监测带来新的革命。
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