基于MSP430F149的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳博行，馬 俊，方衛(wèi)強(qiáng)，劉承橋

(青海師范大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海 西寧 810008)

0 引言

隨著工業(yè)化和信息化進(jìn)程的加快，自然資源過(guò)度開(kāi)發(fā)利用，生產(chǎn)生活用水不斷增加[1]，致使地下水位下降、水污染加劇、自然災(zāi)害頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理問(wèn)題日益突出[2]。如何對(duì)水環(huán)境作出科學(xué)、合理的評(píng)估，以保護(hù)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全，已經(jīng)成為當(dāng)前水環(huán)境保護(hù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)大多采用人工實(shí)地采樣或串口通信的方式[3-4]，雖然可以在一定程度上解決以上問(wèn)題，但存在覆蓋范圍低、布線難和成本高等缺點(diǎn)[5]，達(dá)不到預(yù)期的效果。本文以MSP430F149為控制核心，設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水環(huán)境信息的目的。該系統(tǒng)具有同步性好、體積小、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。由圖1可知，系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)采集當(dāng)前水環(huán)境的pH、溫度和渾濁度數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至Internet后，經(jīng)服務(wù)器處理，發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)客戶(hù)端，以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的目的。同時(shí)，系統(tǒng)在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有RS-232串口，用于傳感器節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)交互。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、傳感器模塊、存儲(chǔ)模塊、調(diào)理電路、核心處理器和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成[6]。傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器模塊包括pH、溫度和渾濁度傳感器。核心處理器選用MSP430F149芯片。該微控制器是由TI公司生產(chǎn)，具有低電壓、超低功耗和自帶12位A/D轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)[7]。數(shù)據(jù)傳輸模塊采用RS-232串口和GPRS模塊。其中：GPRS模塊選用SIM900A模塊[8]，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸功能。電源模塊由太陽(yáng)能電池板與鋰電池組成，電壓選擇與穩(wěn)壓電路產(chǎn)生系統(tǒng)所需的±5 V電壓，可為系統(tǒng)在野外長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作提供電壓保障。此外，系統(tǒng)還增設(shè)了SD卡存儲(chǔ)模塊，以防止系統(tǒng)出現(xiàn)意外時(shí)造成的數(shù)據(jù)丟失。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

表1給出各傳感器主要參數(shù)[9]。

表1 傳感器主要參數(shù)

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

針對(duì)數(shù)據(jù)采集終端需要長(zhǎng)時(shí)間工作在野外的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖3所示的系統(tǒng)供電電路，以解決數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)野外工作時(shí)的系統(tǒng)掉電問(wèn)題。

圖3 系統(tǒng)電源電路

考慮調(diào)理電路設(shè)計(jì)采用集成運(yùn)放為OP07，該運(yùn)放需要±5 V電源供電。因此，系統(tǒng)電源在設(shè)計(jì)時(shí)選用LM7805穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的+5 V電壓，選用MC34063芯片產(chǎn)生的-5 V電壓，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)兩種供電方式的自動(dòng)切換。在電路設(shè)計(jì)中，首先利用Multisim進(jìn)行模擬仿真[10]，采用開(kāi)關(guān)的閉合與打開(kāi)模擬12 V與9 V電源兩種不同供電方式。仿真結(jié)果表明，兩種電源供電方式均可以得到穩(wěn)定的±5 V電壓。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中：12 V電源可采用太陽(yáng)能光伏板，9 V電源可采用鋰電池等。選用12 V工作電壓繼電器，當(dāng)太陽(yáng)能光伏板電壓低于12 V時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)選擇鋰電池供電方式，以確保傳感器節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

2.3 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

調(diào)理電路集成運(yùn)放選用OP07，設(shè)計(jì)四級(jí)放大電路。第一級(jí)為電壓跟隨，用于提高輸入阻抗，同時(shí)避免前后級(jí)電壓干擾[11]；第二、三級(jí)均為反向放大電路，具有一階低通濾波作用，可避免將噪聲信號(hào)放大；第四級(jí)為二階有源低通濾波器，主要濾除噪聲信號(hào)，提高信號(hào)質(zhì)量。

假設(shè)所有電容開(kāi)路，可得調(diào)理電路通帶放大倍數(shù)[12]為：

式中:Au為放大倍數(shù)。

在電路設(shè)計(jì)中，R5、R7為可變電阻，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，以增強(qiáng)調(diào)理電路的靈活性。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)采用MSP430F149作為主控芯片。該芯片具有超低功耗和靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)主要是對(duì)MSP430F149的程序設(shè)計(jì)。程序開(kāi)發(fā)環(huán)境選用IAR for 430，編程選用C語(yǔ)言。

程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程。首先，分別完成對(duì)溫度、pH和渾濁度各個(gè)模塊的編程。以溫度為例，編寫(xiě)程序包括MSP430F149的A/D轉(zhuǎn)換程序初始化和電壓值的獲取等。以下為溫度采集模塊部分程序。

if (usCRCVal != usBufferVal)

{

ucRet = 0;

}

else

{

usTemp = (uint16_t)(RxBuffer[3] << 8)| RxBuffer[4];

usPH = (uint16_t)(RxBuffer[5] << 8)| RxBuffer[6];

usTemp = Hex2Dec(usTemp,ValueTemp);

if (usTemp> 32767)

{

usTemp = 65536 - usTemp;

ucpStr[2] = '-';

}

else

{

ucpStr[2] = '+';

}}

SD卡模塊工作方式分為SD卡模式與SPI模式兩種。為減輕CPU工作負(fù)擔(dān)，本設(shè)計(jì)采用SPI總線工作模式。該總線模式下，讀取速度可達(dá)幾Mbit/s。對(duì)SD卡編程包括SPI函數(shù)的初試化，以及向SD卡發(fā)送CS片選與SCLK時(shí)鐘信號(hào)等[13]。待各模塊程序編寫(xiě)完成后，在main函數(shù)中調(diào)用即可。下位機(jī)程序流程如圖4所示。

圖4 下位機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是NI公司開(kāi)發(fā)的主要用于儀器控制的編程軟件，其核心是采用數(shù)據(jù)流的圖形化編程方式，具有上手快、函數(shù)庫(kù)封裝度高以及編程周期短等優(yōu)點(diǎn)[14]，在工業(yè)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[15]。本文上位機(jī)程序采用LabVIEW編程，軟件設(shè)置有圖表顯示、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)保存、上限報(bào)警和查詢(xún)歷史等功能。

圖5為上位機(jī)軟件流程圖。程序首先進(jìn)行初始化，設(shè)置各個(gè)控件的初試狀態(tài)以及為報(bào)警上限賦初值；其次是配置VISA串口接收下位機(jī)上傳采集數(shù)據(jù)，判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，“是”則將采集數(shù)據(jù)保存為Excel文件，并以當(dāng)前日期命名，以便用戶(hù)查看和分析數(shù)據(jù)。圖表顯示是將采集信息以波形圖表的形式顯示。X軸為時(shí)間軸，Y軸為幅值。用戶(hù)可以直觀地觀察水環(huán)境信息實(shí)時(shí)變化情況。上限報(bào)警是當(dāng)采集數(shù)據(jù)超出設(shè)置的報(bào)警上限時(shí)，程序設(shè)置的報(bào)警信號(hào)燈點(diǎn)亮，提醒用戶(hù)采集參數(shù)異常。同時(shí)，上位機(jī)還設(shè)計(jì)了查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)功能，當(dāng)用戶(hù)輸入文件日期后，點(diǎn)擊查詢(xún)按鈕系統(tǒng)可現(xiàn)實(shí)歷史數(shù)據(jù)，供用戶(hù)分析。

圖5 上位機(jī)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)各部分開(kāi)發(fā)完成后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬測(cè)試。測(cè)試對(duì)象為自來(lái)水。將下位機(jī)與上位機(jī)通過(guò)RS-232串口連接。水質(zhì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析曲線如圖6所示。

打開(kāi)LabVIEW上位機(jī)軟件，系統(tǒng)上電，設(shè)置每間隔3 min上傳一次采集數(shù)據(jù)，將上位機(jī)保存的Excel數(shù)據(jù)在Origin2017中分析。由圖6可知，系統(tǒng)經(jīng)30 min測(cè)試后，溫度、pH值、渾濁度值變化范圍分別在0.5 ℃、0.3和0.2%內(nèi)，各組數(shù)據(jù)波動(dòng)在可接受范圍，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析曲線如圖6所示。

圖6 水質(zhì)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MSP430F149，設(shè)計(jì)了一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、pH和渾濁度等水質(zhì)參數(shù)的采集；結(jié)合SIM900A，將采集數(shù)據(jù)以短信的方式發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)端，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采用LabVIEW開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)上位機(jī)，并通過(guò)RS-232串口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至LabVIEW上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為系統(tǒng)調(diào)試提供了便利。電源電路可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏供電與鋰電池供電自動(dòng)轉(zhuǎn)換。模擬仿真結(jié)果表明，兩種供電模式下均可產(chǎn)生穩(wěn)定的±5 V電壓，為系統(tǒng)在野外穩(wěn)定工作提供電源保障。同時(shí)，采用SD卡存儲(chǔ)模式，可避免系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)引發(fā)數(shù)據(jù)丟失。最后，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)該水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有適用范圍廣、可靠性高和運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。

該系統(tǒng)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但仍存在不足之處。后續(xù)研究可在此基礎(chǔ)上，增加采集參數(shù)、設(shè)計(jì)自組織網(wǎng)、加入云服務(wù)等；同時(shí)，可針對(duì)地域環(huán)境需要，設(shè)計(jì)適應(yīng)性更好的水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)。