摘 要: 針對(duì)高緯度低海拔地區(qū)的特殊地理環(huán)境,,為了降低凍土對(duì)管道的危害,,設(shè)計(jì)了由監(jiān)測(cè)終端和上位機(jī)監(jiān)控軟件組成的低功耗低成本的土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)土壤溫度,、濕度及位移參數(shù),,測(cè)試精度為溫度0.1℃,濕度3%RH,,位移3 mm,。監(jiān)測(cè)終端可對(duì)自身工作狀況進(jìn)行查詢和檢測(cè),方便與計(jì)算機(jī)連接,,可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,、檢測(cè)和查詢,具有U盤(pán)存儲(chǔ)功能,;通過(guò)GPRS模塊將監(jiān)測(cè)參數(shù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,。上位機(jī)具備電源管理功能,尤其是指示剩余電量,;查詢結(jié)果可以用數(shù)據(jù)表格及圖形表示,,報(bào)表可打印,;能夠監(jiān)測(cè)記錄終端工作的狀況,,人機(jī)界面友好,操作簡(jiǎn)便,。
關(guān)鍵詞: 低成本,;低功耗;監(jiān)測(cè)系統(tǒng),;GPRS,;遠(yuǎn)程監(jiān)控
在0℃或0℃以下的環(huán)境中,,含水的松散巖石或土壤膠結(jié)了松散的固體顆粒或轉(zhuǎn)變成結(jié)晶狀態(tài),,通常稱為凍土,。我國(guó)的常年凍土主要分布在帕米爾高原、青藏高原,,祁連山,、天山等西部高山地區(qū)及長(zhǎng)白山、東北的大興安嶺及內(nèi)蒙古的部分山區(qū),。據(jù)有關(guān)資料[1]表明,,在新疆地區(qū)冬季凍土層最深達(dá)2.53 m,黑龍江地區(qū)冬季凍土層最深達(dá)2.94 m,,內(nèi)蒙古滿洲里地區(qū)冬季凍土層深達(dá)3.92 m,。這種地區(qū)凍土現(xiàn)象對(duì)長(zhǎng)輸管道存在明顯的影響[2],處理不好會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的惡果,,在工程項(xiàng)目施工中應(yīng)引起高度注意,。近幾年,我國(guó)長(zhǎng)輸管道施工項(xiàng)目較多,,管道需穿越不同的地段和地域,。本文設(shè)計(jì)的土壤檢測(cè)系統(tǒng)適應(yīng)多年或冬季季節(jié)周期較長(zhǎng)的寒冷地區(qū)的凍土地段。為了更好地了解凍土對(duì)管道的影響,,必須了解凍土的溫度,、濕度和凍土在0℃左右融化時(shí)的基本信息。
1 土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用MSP430作為監(jiān)測(cè)終端的微控制器(MCU),,PC作為服務(wù)器,,數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)GPRS的SIM卡借用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸有兩種方案,,一是SIM[3-4]卡通過(guò)運(yùn)營(yíng)商提供的短信方式傳輸數(shù)據(jù),,另一種是采用運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上網(wǎng)計(jì)流量方式傳輸數(shù)據(jù)。綜合考慮到傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的通信費(fèi)用,,本設(shè)計(jì)不采用短信形式,,而采用移動(dòng)數(shù)據(jù)計(jì)流量的方式傳輸數(shù)據(jù)。土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖1所示,。
1.1 監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)
監(jiān)測(cè)終端采用MSP430F2619[5-6]微控制器為核心控制芯片,。GPRS模塊采用SIM300,將信息上傳到Internet,,供管理人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢,。恒溫箱里溫度采集采用18B20,根據(jù)恒溫箱里溫度實(shí)測(cè)情況控制加熱裝置,,以便在恒溫箱不能正常工作時(shí),,維持終端設(shè)備工作環(huán)境的恒定,。與PC通信采用串口RS-232/RS-485,方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,、檢測(cè)和查詢各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤信息,。考慮到低溫-40℃時(shí)LCD不能正常顯示,,終端顯示采用點(diǎn)陣數(shù)碼管,,通過(guò)按鍵切換顯示各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。顯示部分只在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中應(yīng)用,,正常工作狀態(tài)不帶顯示,以降低功耗,。溫度,、濕度和位移各10路模擬信號(hào)分別通過(guò)電子開(kāi)關(guān)CD4067在MCU的控制下循環(huán)送入MSP430F2619內(nèi)置的12 bit ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時(shí),,核心控制芯片采集電源基本信息,,包括電壓、電流和電池剩余電量,。通過(guò)MSP430F2619進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,,將各種數(shù)據(jù)封裝好送到GPRS模塊連入Internet。監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)方案框圖如圖2所示,。
1.2 上位機(jī)遠(yuǎn)程軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用C++Bulding[7]開(kāi)發(fā),,需要管道公司在通信運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)一個(gè)固定IP作為服務(wù)器的IP。服務(wù)器通過(guò)IP對(duì)各個(gè)終端的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP[8]解析,,將監(jiān)測(cè)信息顯示在屏幕上,。根據(jù)需求可以將信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),本設(shè)計(jì)采用Office自帶的Access數(shù)據(jù)庫(kù),。網(wǎng)絡(luò)模型為C/S[9]模型,,考慮到手機(jī)上網(wǎng)成為趨勢(shì),隨著技術(shù)的發(fā)展,,該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可以支持手機(jī)訪問(wèn),,但目前能實(shí)現(xiàn)的是PC訪問(wèn)。結(jié)構(gòu)框架如圖3所示,。
2 監(jiān)測(cè)終端的實(shí)現(xiàn)
2.1 傳感器及其信號(hào)調(diào)理
溫度,、濕度和位移均采用電阻值或電容值成線性變化的傳感器,采用電橋法調(diào)理電路采集微弱的電變化信息,,最后線性放大到MSP430F2619內(nèi)置12 bit A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍之內(nèi)(0~3.3 V),。例如,鉑電阻隨溫度變化的阻值經(jīng)直流雙臂電橋轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào),,一路經(jīng)儀表運(yùn)放AD620AN放大約20倍后單端輸入到MCU ADC0口,,一路直接雙端輸入到MCU ADC1口,,由MCU 內(nèi)部自帶放大電路放大20倍。另外,,ADC2口接內(nèi)部溫度傳感器,,為室溫測(cè)量提供選擇。具體電路如圖4所示,。其中,,滑動(dòng)變阻器用于電橋平衡調(diào)節(jié),電源由5 V精確穩(wěn)壓電路提供,。
2.2 通信協(xié)議——終端數(shù)據(jù)封裝格式
所有傳輸數(shù)據(jù)采用BCD碼發(fā)送和接收數(shù)據(jù),,一個(gè)字節(jié)的高4 bit和低4 bit分別采用BCD[10]的一位十進(jìn)制數(shù)。信息包括MCU采集的土壤狀態(tài)信息(10路溫度信息,,10路濕度信息和10路位移信息),、電源信息(剩余電池量)、恒溫箱信息(溫度)以及采集信息的時(shí)間(年月日時(shí)分秒),,具體幀格式如圖5所示,。
每個(gè)狀態(tài)信息采用2 B表示,高字節(jié)的高4 bit為符號(hào)位,,低4 bit表示整數(shù)部分,,低字節(jié)低4 bit表示小數(shù)。電源剩余電量用百分比表示,,同樣采用兩個(gè)無(wú)符號(hào)字節(jié),,高字節(jié)的高4 bit非零表示100%,其他與土壤的狀態(tài)信息一樣,。
2.3 GPRS模塊
數(shù)據(jù)收發(fā)器采用SIMCOM公司的SIM300 GPRS模塊,。該產(chǎn)品具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令借口,可以提供GSM語(yǔ)音,、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù),。首先,由MSP430控制并啟動(dòng)GPRS模塊,,啟動(dòng)之后開(kāi)始尋找信號(hào),,LED燈快速閃爍約20 s,LED燈閃爍頻率降低,,表明信號(hào)已找到,,此時(shí),MSP430通過(guò)UATR1串口1向GPRS發(fā)送命令,,以使GPRS處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),。同時(shí),打開(kāi)上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,等待GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送,。當(dāng)30路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)MSP430 A/D轉(zhuǎn)換后,,通過(guò)UART2串口2,MSP430將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊,,GPRS在接收到數(shù)據(jù)后,,直接發(fā)送給上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。
3 上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)
上位機(jī)人機(jī)交互界面用C++Building 5.0實(shí)現(xiàn),,可以檢測(cè)30個(gè)終端,,可以設(shè)置用戶權(quán)限,有普通用戶和高級(jí)用戶,,普通用戶只有查看權(quán),,高級(jí)用戶有修改數(shù)據(jù)的權(quán)利。在上位機(jī)上還可以設(shè)置各路信息的報(bào)警上下限,,實(shí)現(xiàn)更人性化的管理,。監(jiān)測(cè)信息包括土壤信息10個(gè)點(diǎn)(每個(gè)點(diǎn)包括溫度、位移和濕度3路信息),,檢測(cè)終端電路板的工作環(huán)境(溫度和電池電荷剩余量),,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),。根據(jù)用戶需求不同,,監(jiān)測(cè)信息可以以表格的形式保存、打印,。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)C/S模型,,外部可以上網(wǎng)的PC可以通過(guò)Web訪問(wèn)和查看監(jiān)測(cè)信息。
4 系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)
對(duì)MCU內(nèi)的12 bit ADC進(jìn)行測(cè)試,,參考電壓3.36 V,,溫、濕度和位移測(cè)量曲線圖如圖7所示,。即每個(gè)模擬值進(jìn)行10次測(cè)量的平均值對(duì)應(yīng)的理論模擬電壓值,。
根據(jù)方差和數(shù)據(jù)分析可知,在高緯度低海拔的環(huán)境中,,土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性可以滿足一定用戶對(duì)監(jiān)測(cè)土壤參數(shù)信息的需求,。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控,動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并反饋到上位機(jī),,以便遠(yuǎn)程查詢,。經(jīng)過(guò)需求分析,選取合適的傳感器同時(shí)搭建所需要的硬件電路以滿足精度要求,。焊接電路之后進(jìn)行調(diào)試,,調(diào)通GPRS模塊后進(jìn)行上位機(jī)和監(jiān)測(cè)終端的融合,完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)很好地解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度,、濕度,、位移及其他線性參數(shù)的問(wèn)題。該設(shè)計(jì)不僅僅是針對(duì)土壤,,也可以將其推廣到其他方面,。近年興起的智能建筑也是以此為基礎(chǔ),對(duì)建筑內(nèi)的溫度或者濕度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),,對(duì)建筑內(nèi)的能耗系統(tǒng)了如指掌,,為人們營(yíng)造一個(gè)更加舒適的居住環(huán)境提供了依據(jù)。土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓人們看到了日趨智能化的生活更加簡(jiǎn)便,。
參考文獻(xiàn)
[1] 董長(zhǎng)江,,管楓車.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京:水利水電工業(yè)出版社,1985.
[2] 王洪彬,,李軍,,李燕.淺談凍土地段對(duì)管道敷設(shè)的影響及防治措施[J].天然氣與石油,2006(5):1-3.
[3] SIMCOM公司.IM300V1.5開(kāi)發(fā)板使用說(shuō)明書(shū)[Z].
[4] SIMCOM公司.IM300_HD_V1.06 SIM300硬件說(shuō)明書(shū)[Z].2005.
[5] 謝興紅,,林凡強(qiáng),,吳雄英.MSP430單片機(jī)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.
[6] 洪利,,章?lián)P,,李世寶.MSP430單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版,2010.
[7] LIPPMAN S B,, LAJOIE J,,MOO B E. C++Primer中文版(第4版)[M].李師賢,蔣愛(ài)軍,,梅曉勇,,等,譯.北京:人民郵電出版社,,2008.
[8] FOROUZAN B A.世界著名計(jì)算機(jī)教材精選:TCP/IP協(xié)議族(第4版)[M].王海,,張娟,朱曉陽(yáng),,等,,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2011.
[9] TANENBAUM A S,, WETHERALL D J.世界著名計(jì)算機(jī)教材精選:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第5版)[M].嚴(yán)偉,,潘愛(ài)民,譯.北京:清華大學(xué)出版社,,2012.
[10] 馮桂,,林其偉,陳東華.信息論與編碼技術(shù)(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2011.