摘 要： 介紹一種采用TI公司16位超低功耗單片機MSP430F149設計的在線水質監(jiān)測系統(tǒng)。利用單片機內部自帶的12位A/D對水質各項指標進行數(shù)據(jù)轉換，然后利用串口并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送至水質監(jiān)控中心。本系統(tǒng)具有功耗小、成本低、實時在線等優(yōu)點。
關鍵詞： MPS430； 在線監(jiān)測； GPRS； 低功耗
在線水質監(jiān)測系統(tǒng)是一種自動檢測儀器，它能夠實現(xiàn)水質的實時連續(xù)監(jiān)測和遠程控制。該系統(tǒng)以TI公司16位超低功耗單片機MSP430F149為核心，通過GPRS模塊進行無線通信，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿|監(jiān)控中心，監(jiān)控中心軟件對數(shù)據(jù)進行實時分析、存儲。
1 系統(tǒng)工作原理與總體構架
本系統(tǒng)是針對目前在線水質監(jiān)測系統(tǒng)的市場現(xiàn)狀，分析監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展要求而設計出的一種基于GPRS的多參數(shù)實時在線水質監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的主體部分是基于單片機的水質監(jiān)測系統(tǒng)，能即時或定時進行水質數(shù)據(jù)采集，并對信號進行A/D轉換，然后將轉換結果通過GPRS模塊傳輸至水質監(jiān)控中心，實現(xiàn)實時在線水質監(jiān)測。本系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測、網(wǎng)絡通信、中心管理三部分構成。
現(xiàn)場監(jiān)測部分是在選定的監(jiān)測點用數(shù)據(jù)采集單元對水質傳感器進行水質各參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)絡通信部分基于中國移動公司的GPRS平臺，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)剿|監(jiān)控中心；中心管理部分是由監(jiān)控中心軟件、數(shù)據(jù)庫和服務器組成的管理平臺，監(jiān)控中心軟件用VC結合SQL server進行編寫，將采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析、存儲，并在水質指標出現(xiàn)異常時報警。系統(tǒng)總體構架如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
由于水質監(jiān)測點比較分散，分布范圍也較廣，而且大多設置在野外，因此，低功耗與無線傳輸是在線水質監(jiān)測系統(tǒng)必須考慮的問題。本系統(tǒng)選用TI公司的MSP430F149作為控制核心，選用BENQ公司的M22模塊進行無線傳輸來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。
采集終端采用MSP430F149單片機。這款單片機是TI公司生產的16位超低功耗單片機，其低電源電壓范圍為1.8 V~3.6 V,在1 MHz時鐘條件下工作時，工作電流為0.1 μA~400 μA；共有5種低功耗模式，6 μs內從待機模式喚醒;具有60 KB+256 B的閃速存儲器和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轉換，兩個內置16位定時器,兩個通用串行同步/異步通信接口(USART)和48個I/O 引腳。這些都比較符合本系統(tǒng)的設計要求。
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采用無線傳輸,基于其設計要求，選擇GPRS作為無線數(shù)據(jù)通信平臺，M22作為GPRS通信模塊。
2.1 電源模塊
由于系統(tǒng)設備安裝在野外，沒有可靠的交流電保證，電池也不易進行頻繁更換，而系統(tǒng)的應用場合要求該系統(tǒng)能夠在連續(xù)20天陰天的情況下依然能正常供電，因此，采用蓄電池加太陽能的供電方法。
白天在光照條件下，太陽能電池組產生一定的電動勢，通過充放電控制器對蓄電池進行充電，整個系統(tǒng)由蓄電池進行供電；另外，本系統(tǒng)具有智能的電源管理，能夠根據(jù)電池的容量對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸?shù)饶K進行電源的分級管理與控制。這樣設計為系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性提供了可靠保障。
2.2 信號調理電路設計
水質監(jiān)測的指標有多種，包括pH、溫度、電導、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)的水質在線監(jiān)測僅包括5個參數(shù)：pH值、溶解氧、電導率、濁度和溫度。本系統(tǒng)只對最基本的5個水質參數(shù)來進行檢測。
而合適的水質傳感器是水質監(jiān)測系統(tǒng)重要的組成部分。本系統(tǒng)選用美國GLOBAL WATER公司的WQ系列水質傳感器作為整個監(jiān)測系統(tǒng)的前端。WQ系統(tǒng)水質傳感器的輸出電流均為標準的4 mA-20 mA，因此，信號調理電路較為簡單，只要將標準輸出電流轉換成電壓，并使該電壓信號在單片機的轉換范圍內即可，具體電路設計如圖2所示。
圖2所示是其中一路水質信號的調理電路。該電路通過一個電阻將電流信號轉換成電壓信號。選用精度為1%的金屬膜電阻來提高采樣精度。由于選用的A/D轉換范圍為0~2.5 V，選用124 Ω的電阻，簡單計算可知將4 mA~20 mA電流轉換成了0.496 V~2.48 V的電壓，在電壓轉換范圍之內。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保護電路，并且用電容C1進行濾波處理。
2.3 串口通信電路設計
在基于GPRS的在線水質監(jiān)測系統(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數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，同時還可以接收水質監(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電平間的轉換，外部電路比較簡單。具體的電路設計如圖3所示。
圖3中0.1 μF的電容能夠實現(xiàn)充電作用，以滿足相應的充電泵的要求。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0.1 μF的瓷片電容和一個10 ?滋F的電解電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。
2.4 擴展SD卡（Secure Digital Card）電路設計
雖然本系統(tǒng)是基于GPRS的在線水質監(jiān)測系統(tǒng)的研究，水質參數(shù)的各項數(shù)據(jù)似乎無需存儲而直接遠程傳輸至水質監(jiān)控終端，但是必須考慮到特殊情況。如果無線鏈路出現(xiàn)中斷，就要先將水質參數(shù)各項數(shù)據(jù)保存在存儲介質中。因此，本系統(tǒng)預留了足夠的數(shù)據(jù)存儲空間。
基于SD卡小巧、容量大、傳輸速度快、安全性高等特點，本系統(tǒng)選用其作為存儲介質。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公司提出來的，是一種同步串行外設接口，能使單片機與其外圍設備以串行方式進行通信和數(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，因此設計采用SPI模式來進行數(shù)據(jù)傳輸。
2.5 實時時鐘電路設計
在該系統(tǒng)中，時間作為測量的參考數(shù)據(jù)是必不可少的一部分，因此，在水質監(jiān)測系統(tǒng)中選用的DS3231作為本系統(tǒng)的實時時鐘芯片。該芯片具有+3.3 V的工作電壓，能保存秒、分、時、星期、日期、月和年信息，能進行閏年補償與老化修正，是一款低成本、低功耗、高精度的I2C實時時鐘芯片。
DS3231能夠提供商用級和工業(yè)級溫度范圍,采用16 引腳、300 mil 的SO封裝。其各個模塊可以劃分為四個功能組：TCXO（溫補晶體振蕩器）、電源控制、按鈕復位功能和RTC（實時時鐘）。實時時鐘模塊的硬件電路如圖5所示。
3 軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計包括監(jiān)控中心軟件設計和數(shù)據(jù)采集終端MCU程序設計。
單片機部分的程序實現(xiàn)A/D轉換與串口通信，該部分程序用C語言編寫,在IAR Embedded Workbench For MSP430平臺上進行代碼編寫。水質監(jiān)控中心軟件用VC結合SQL server編寫。
3.1下位機部分
通信部分是連接水質監(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系統(tǒng)的性能。下位機的軟件部分主要介紹單片機與M22的通信過程。
對M22模塊的控制是通過AT指令來實現(xiàn)的。在MCU發(fā)送AT指令前首先要對串口進行初始化,再通過AT指令與M22模塊進行通信。利用AT指令控制M22模塊建立無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E如下：
(1)AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”：是設置GPRS接入網(wǎng)關的AT命令，其中“1”是定義PDP(分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型)上下文，“IP”表示采用IP協(xié)議，接入點名稱(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驗證，默認的用戶名和密碼。
(3)AT$NOSLEEP=1：設置模塊處于非休眠狀態(tài)。
(4)AT$DESTINFO=“219．228．79．10”，1，8080：設置登錄的IP地址和端口號，其中“219．228．79．10”是為了調試本設備所申請的公網(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。
為了方便以后更改IP地址，并不將IP直接寫入程序，而是將IP存入SIM卡的電話本里，通過一條讀電話本的命令來獲取所設置的IP地址。因此需先通過AT+CPBR=1這條AT指令來查詢電話本中索引號為1的電話號碼的相關信息。
(5)ATD*97#：發(fā)送撥號命令連接，進行數(shù)據(jù)傳輸模式。
按以上步驟與水質監(jiān)控中心進行連接后，就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸了。
3.2 上位機部分
水質監(jiān)控中心軟件對遠程數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時接收、顯示、存儲和統(tǒng)計分析等，總體實現(xiàn)以下功能：實時顯示各監(jiān)測終端各項監(jiān)測指標的當前值；實時顯示各監(jiān)測終端監(jiān)測設備的當前狀態(tài)；對水質自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行查詢、編輯、統(tǒng)計分析等。上位機軟件的功能框圖如圖6所示。
4 系統(tǒng)可靠性設計
由于該系統(tǒng)的水質監(jiān)測終端均處于野外環(huán)境，因此對系統(tǒng)可靠性要求很高。本系統(tǒng)設計方案主要從以下幾方面采取相關措施來實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行。
(1)由于水質監(jiān)測終端沒有可靠的交流電保證，因此設備均選用低功耗設備。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)電池的容量對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸?shù)饶K進行電源的分級管理與控制，以保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行。
(2)該系統(tǒng)還采用了防潮、防雷擊措施。由于系統(tǒng)設備可能安裝在空氣濕度大的地方，測量終端設備要求在高濕度環(huán)境保證系統(tǒng)正常運行；又由于設備處于湖面，雷電較多，水質監(jiān)測終端所有接口都有雷電保護和防浪涌措施。
(3)水質監(jiān)測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運行和管理的基礎，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，當無線鏈路中斷時，可先將監(jiān)測數(shù)據(jù)和監(jiān)測時間保存于本地SD卡中；當恢復鏈路連接時，再分時將SD卡中保存的數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測終端；另外，所有實時數(shù)據(jù)在中心服務器中都存有數(shù)據(jù)備份，所有寫入水質數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)也均有備份。
(4)單片機的復位電路一般采用R-C復位電路，然而這種方式雖然成本低，但可靠性不高。本設備要求長時間穩(wěn)定工作，因此系統(tǒng)中采用MAX809作為復位芯片，以提高系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻
[1] 吳一多，曹亮.基于MSP430與GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].國外電子測量技術，2006，25(11):74-75.
[2] 張朝龍，江巨浪.基于MSP430的無線采集系統(tǒng)設計[J]. 安慶師范學院學報，2009，15(2):29-31.
[3] 秦飛.MSP430單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)實例精讀[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.
[4] 魏芬.GPRS模塊M23在無線數(shù)據(jù)傳輸方面的應用設計[J].工業(yè)控制計算機，2009，22(5):5-6.
[5] 劉洪建,劉婧然.基于GPRS 的水資源數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].節(jié)水灌溉，2009,9:55-57.