摘 要： 介紹一種采用TI公司16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149設(shè)計(jì)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),。利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的12位A/D對(duì)水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后利用串口并通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送至水質(zhì)監(jiān)控中心,。本系統(tǒng)具有功耗小,、成本低、實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn),。
關(guān)鍵詞： MPS430,； 在線監(jiān)測(cè),； GPRS； 低功耗
在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種自動(dòng)檢測(cè)儀器,，它能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制,。該系統(tǒng)以TI公司16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心，通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線通信,，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)控中心,，監(jiān)控中心軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ),。
1 系統(tǒng)工作原理與總體構(gòu)架
本系統(tǒng)是針對(duì)目前在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)現(xiàn)狀,，分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展要求而設(shè)計(jì)出的一種基于GPRS的多參數(shù)實(shí)時(shí)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體部分是基于單片機(jī)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，能即時(shí)或定時(shí)進(jìn)行水質(zhì)數(shù)據(jù)采集,，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)GPRS模塊傳輸至水質(zhì)監(jiān)控中心,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè),。本系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)通信,、中心管理三部分構(gòu)成,。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)部分是在選定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)用數(shù)據(jù)采集單元對(duì)水質(zhì)傳感器進(jìn)行水質(zhì)各參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡(luò)通信部分基于中國(guó)移動(dòng)公司的GPRS平臺(tái),，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)剿|(zhì)監(jiān)控中心,；中心管理部分是由監(jiān)控中心軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器組成的管理平臺(tái),，監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server進(jìn)行編寫(xiě),，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ),，并在水質(zhì)指標(biāo)出現(xiàn)異常時(shí)報(bào)警,。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散,，分布范圍也較廣,，而且大多設(shè)置在野外，因此,，低功耗與無(wú)線傳輸是在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須考慮的問(wèn)題,。本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149作為控制核心，選用BENQ公司的M22模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能,。
采集終端采用MSP430F149單片機(jī),。這款單片機(jī)是TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機(jī)，其低電源電壓范圍為1.8 V~3.6 V,在1 MHz時(shí)鐘條件下工作時(shí)，工作電流為0.1 μA~400 μA,；共有5種低功耗模式,，6 μs內(nèi)從待機(jī)模式喚醒;具有60 KB+256 B的閃速存儲(chǔ)器和2 KB的RAM；具有豐富的片上資源,，包括最多8路12位的快速A/D轉(zhuǎn)換,，兩個(gè)內(nèi)置16位定時(shí)器,兩個(gè)通用串行同步/異步通信接口(USART)和48個(gè)I/O 引腳。這些都比較符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,。
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸,基于其設(shè)計(jì)要求,，選擇GPRS作為無(wú)線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，M22作為GPRS通信模塊,。
2.1 電源模塊
由于系統(tǒng)設(shè)備安裝在野外，沒(méi)有可靠的交流電保證,，電池也不易進(jìn)行頻繁更換,，而系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合要求該系統(tǒng)能夠在連續(xù)20天陰天的情況下依然能正常供電，因此,，采用蓄電池加太陽(yáng)能的供電方法,。
白天在光照條件下，太陽(yáng)能電池組產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì),，通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,，整個(gè)系統(tǒng)由蓄電池進(jìn)行供電；另外,，本系統(tǒng)具有智能的電源管理,，能夠根據(jù)電池的容量對(duì)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸?shù)饶K進(jìn)行電源的分級(jí)管理與控制,。這樣設(shè)計(jì)為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供了可靠保障,。
2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
水質(zhì)監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有多種，包括pH,、溫度,、電導(dǎo)、溶解氧,、COD,、TOC、葉綠素,、礦物油,、色度、濁度,、酸度,、氯鹽、溶氧硫化合物、重金屬含量等,。但常規(guī)的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)僅包括5個(gè)參數(shù)：pH值,、溶解氧、電導(dǎo)率,、濁度和溫度,。本系統(tǒng)只對(duì)最基本的5個(gè)水質(zhì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
而合適的水質(zhì)傳感器是水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重要的組成部分,。本系統(tǒng)選用美國(guó)GLOBAL WATER公司的WQ系列水質(zhì)傳感器作為整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端,。WQ系統(tǒng)水質(zhì)傳感器的輸出電流均為標(biāo)準(zhǔn)的4 mA-20 mA，因此,，信號(hào)調(diào)理電路較為簡(jiǎn)單,，只要將標(biāo)準(zhǔn)輸出電流轉(zhuǎn)換成電壓，并使該電壓信號(hào)在單片機(jī)的轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)即可,，具體電路設(shè)計(jì)如圖2所示,。
圖2所示是其中一路水質(zhì)信號(hào)的調(diào)理電路。該電路通過(guò)一個(gè)電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),。選用精度為1%的金屬膜電阻來(lái)提高采樣精度,。由于選用的A/D轉(zhuǎn)換范圍為0~2.5 V，選用124 Ω的電阻,，簡(jiǎn)單計(jì)算可知將4 mA~20 mA電流轉(zhuǎn)換成了0.496 V~2.48 V的電壓,，在電壓轉(zhuǎn)換范圍之內(nèi)。另外,，為了防止ESD（靜電釋放）,，提高電路的抗干擾能力，采用二極管D1作為ESD保護(hù)電路,，并且用電容C1進(jìn)行濾波處理,。
2.3 串口通信電路設(shè)計(jì)
在基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，串口通信部分具有雙向通信功能,，它既能將采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,，同時(shí)還可以接收水質(zhì)監(jiān)控中心發(fā)出的控制命令。本系統(tǒng)選用MAX3232作為串口通信芯片,。它能夠完成TTL電平和232電平間的轉(zhuǎn)換,，外部電路比較簡(jiǎn)單。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3所示,。
圖3中0.1 μF的電容能夠?qū)崿F(xiàn)充電作用,，以滿(mǎn)足相應(yīng)的充電泵的要求。另外,，考慮到減小電源的干擾,，還需要在芯片的電源輸入管腳加一個(gè)0.1 μF的瓷片電容和一個(gè)10 ?滋F的電解電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波,，以減小輸入端受到的干擾。
2.4 擴(kuò)展SD卡（Secure Digital Card）電路設(shè)計(jì)
雖然本系統(tǒng)是基于GPRS的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究,，水質(zhì)參數(shù)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)似乎無(wú)需存儲(chǔ)而直接遠(yuǎn)程傳輸至水質(zhì)監(jiān)控終端,，但是必須考慮到特殊情況。如果無(wú)線鏈路出現(xiàn)中斷,，就要先將水質(zhì)參數(shù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中,。因此，本系統(tǒng)預(yù)留了足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,。
基于SD卡小巧,、容量大、傳輸速度快,、安全性高等特點(diǎn),，本系統(tǒng)選用其作為存儲(chǔ)介質(zhì)。SD卡與MCU連接的電路如圖4所示,。
SD卡支持兩種傳輸模式：SPI模式和SD模式,。SPI接口協(xié)議首先是由Motorola公司提出來(lái)的，是一種同步串行外設(shè)接口,，能使單片機(jī)與其外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。MSP430F149有現(xiàn)成的SPI接口硬件模塊,，另外考慮本系統(tǒng)需節(jié)省電路空間的要求,，因此設(shè)計(jì)采用SPI模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中,，時(shí)間作為測(cè)量的參考數(shù)據(jù)是必不可少的一部分,，因此，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中選用的DS3231作為本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,。該芯片具有+3.3 V的工作電壓,，能保存秒、分,、時(shí),、星期、日期,、月和年信息,，能進(jìn)行閏年補(bǔ)償與老化修正，是一款低成本,、低功耗,、高精度的I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。
DS3231能夠提供商用級(jí)和工業(yè)級(jí)溫度范圍,采用16 引腳,、300 mil 的SO封裝,。其各個(gè)模塊可以劃分為四個(gè)功能組：TCXO（溫補(bǔ)晶體振蕩器）,、電源控制、按鈕復(fù)位功能和RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）,。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的硬件電路如圖5所示,。
3 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集終端MCU程序設(shè)計(jì)。
單片機(jī)部分的程序?qū)崿F(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換與串口通信,，該部分程序用C語(yǔ)言編寫(xiě),在IAR Embedded Workbench For MSP430平臺(tái)上進(jìn)行代碼編寫(xiě),。水質(zhì)監(jiān)控中心軟件用VC結(jié)合SQL server編寫(xiě)。
3.1下位機(jī)部分
通信部分是連接水質(zhì)監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)采集終端的紐帶,，其通信的可靠性和穩(wěn)定性直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能,。下位機(jī)的軟件部分主要介紹單片機(jī)與M22的通信過(guò)程。
對(duì)M22模塊的控制是通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。在MCU發(fā)送AT指令前首先要對(duì)串口進(jìn)行初始化,再通過(guò)AT指令與M22模塊進(jìn)行通信,。利用AT指令控制M22模塊建立無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：
(1)AT+CGDCONT=1，“IP”,，“CMNET”：是設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)的AT命令,，其中“1”是定義PDP(分組數(shù)據(jù)協(xié)議類(lèi)型)上下文，“IP”表示采用IP協(xié)議,，接入點(diǎn)名稱(chēng)(APN)為CMNET,。
(2)AT%CGPCO=1，“PAP,，,，”，1：用于上下文激活的PCO字符串,，表示采用PAP驗(yàn)證,，默認(rèn)的用戶(hù)名和密碼。
(3)AT$NOSLEEP=1：設(shè)置模塊處于非休眠狀態(tài),。
(4)AT$DESTINFO=“219．228．79．10”,，1，8080：設(shè)置登錄的IP地址和端口號(hào),，其中“219．228．79．10”是為了調(diào)試本設(shè)備所申請(qǐng)的公網(wǎng)IP地址,，“1”表示支持TCP協(xié)議，若為“2”則表示支持UDP協(xié)議,，“8080”為所用的端口號(hào),。
為了方便以后更改IP地址，并不將IP直接寫(xiě)入程序,，而是將IP存入SIM卡的電話本里,，通過(guò)一條讀電話本的命令來(lái)獲取所設(shè)置的IP地址。因此需先通過(guò)AT+CPBR=1這條AT指令來(lái)查詢(xún)電話本中索引號(hào)為1的電話號(hào)碼的相關(guān)信息,。
(5)ATD*97#：發(fā)送撥號(hào)命令連接,，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸模式,。
按以上步驟與水質(zhì)監(jiān)控中心進(jìn)行連接后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了,。
3.2 上位機(jī)部分
水質(zhì)監(jiān)控中心軟件對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收,、顯示、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析等,，總體實(shí)現(xiàn)以下功能：實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)終端各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的當(dāng)前值,；實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)；對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún),、編輯,、統(tǒng)計(jì)分析等。上位機(jī)軟件的功能框圖如圖6所示,。
4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)
由于該系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端均處于野外環(huán)境,，因此對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要從以下幾方面采取相關(guān)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,。
(1)由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端沒(méi)有可靠的交流電保證,，因此設(shè)備均選用低功耗設(shè)備。另外,，出于低功耗考慮,，該系統(tǒng)還具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對(duì)數(shù)據(jù)采集,、無(wú)線傳輸?shù)饶K進(jìn)行電源的分級(jí)管理與控制,，以保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)該系統(tǒng)還采用了防潮,、防雷擊措施。由于系統(tǒng)設(shè)備可能安裝在空氣濕度大的地方,，測(cè)量終端設(shè)備要求在高濕度環(huán)境保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,；又由于設(shè)備處于湖面，雷電較多,，水質(zhì)監(jiān)測(cè)終端所有接口都有雷電保護(hù)和防浪涌措施,。
(3)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行和管理的基礎(chǔ)，因此該系統(tǒng)建立后,，確保數(shù)據(jù)的完整性非常重要,。在該系統(tǒng)中，當(dāng)無(wú)線鏈路中斷時(shí),，可先將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)時(shí)間保存于本地SD卡中,；當(dāng)恢復(fù)鏈路連接時(shí)，再分時(shí)將SD卡中保存的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測(cè)終端,；另外,，所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在中心服務(wù)器中都存有數(shù)據(jù)備份,，所有寫(xiě)入水質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)也均有備份。
(4)單片機(jī)的復(fù)位電路一般采用R-C復(fù)位電路,，然而這種方式雖然成本低,，但可靠性不高。本設(shè)備要求長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,，因此系統(tǒng)中采用MAX809作為復(fù)位芯片,，以提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳一多,，曹亮.基于MSP430與GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),，2006，25(11):74-75.
[2] 張朝龍,，江巨浪.基于MSP430的無(wú)線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào),，2009，15(2):29-31.
[3] 秦飛.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精讀[M]. 北京：電子工業(yè)出版社,，2007.
[4] 魏芬.GPRS模塊M23在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),，2009，22(5):5-6.
[5] 劉洪建,劉婧然.基于GPRS 的水資源數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉,，2009,9:55-57.