黃安貽，徐心怡

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

我國(guó)對(duì)油氣輸送站場(chǎng)安全監(jiān)管要求越來(lái)越嚴(yán)，隨著引入的監(jiān)控設(shè)備數(shù)量不斷增多，整體監(jiān)控系統(tǒng)耗電量逐漸增大，而站場(chǎng)地理位置特殊，導(dǎo)致供電系統(tǒng)較差甚至無(wú)供電系統(tǒng)，常采用太陽(yáng)能蓄電池供電。太陽(yáng)能蓄電池的使用主要考慮太陽(yáng)能板組件大小及蓄電池容量?jī)煞矫鎇1-2]，均受限于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況及設(shè)備的功耗問(wèn)題。因此筆者以溫濕度監(jiān)控為例，設(shè)計(jì)了一種低功耗油氣輸送站場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。

目前油氣輸送站場(chǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)采集常采用PLC(programmable logic controller)系統(tǒng)、SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)、或設(shè)計(jì)功能型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸。PLC系統(tǒng)及SCADA系統(tǒng)適用于多數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制，系統(tǒng)的功耗較大，并不適用于一些無(wú)供電系統(tǒng)的偏遠(yuǎn)站場(chǎng)[3-5]。功能型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更多研究利用無(wú)線傳輸技術(shù)來(lái)降低系統(tǒng)功耗，如LoRa(long range radio)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS(general packet radio service)技術(shù)、及NB-IoT(narrow band internet of things)等技術(shù)[6-8]。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端設(shè)備不止無(wú)線傳輸模塊，還包括傳感器、主控器等模塊，目前針對(duì)主控器的低功耗設(shè)計(jì)利用STM系列或51單片機(jī)居多。程恩路等[9]利用低功耗ARM9單片機(jī)作為自動(dòng)氣象站主控器，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)來(lái)降低氣象站功耗。肖漢光等[10]利用STM32系列單片機(jī)結(jié)合DS18B20溫度傳感器設(shè)計(jì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。程艷等[11]針對(duì)常用的STM系列、51單片機(jī)與TI公司研發(fā)的MSP430系列單片機(jī)進(jìn)行功耗對(duì)比，相較STM系列或51單片機(jī)而言，MSP430系列單片機(jī)的運(yùn)行功耗更低，更適用于偏遠(yuǎn)站場(chǎng)無(wú)供電情況。因此筆者選擇MSP430F149單片機(jī)作為主控器，結(jié)合DHT11溫濕度傳感器通過(guò)單總線連接設(shè)計(jì)低功耗溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，配以單片機(jī)16位定時(shí)器Timer_A精準(zhǔn)定時(shí)采集上傳溫濕度數(shù)據(jù)，具有功耗低、電路簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)[12]。

1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的方案設(shè)計(jì)

為在無(wú)供電系統(tǒng)情況下實(shí)現(xiàn)站場(chǎng)溫濕度監(jiān)控，現(xiàn)設(shè)計(jì)站場(chǎng)低功耗溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能蓄電池進(jìn)行供電，選用低功耗MCU(microcontroller unit)采集站場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)，并利用4G RTU(remote terminal unit)模塊實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

4G RTU模塊主要負(fù)責(zé)匯總溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并發(fā)送至遠(yuǎn)端上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，便于后端上位機(jī)對(duì)站場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。

溫濕度采集節(jié)點(diǎn)主要由溫濕度傳感器、MCU微控制單元組成，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集以及定時(shí)上傳功能。

2 低功耗設(shè)計(jì)

結(jié)合油氣輸送站場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)無(wú)供電系統(tǒng)問(wèn)題，首先從硬件選型方面考慮降低功耗，選擇MSP430F149單片機(jī)作為油氣輸送站場(chǎng)溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的MCU。其次通過(guò)軟件對(duì)單片機(jī)的低功耗工作模式進(jìn)行選擇，將低功耗工作模式與定時(shí)功能結(jié)合使用從而降低功耗。MSP430F149單片機(jī)，一款由TI公司推出的超低功耗單片機(jī)，有多種低功耗工作模式可供選擇，各模式下活躍的時(shí)鐘及消耗電流量如表 1所示。選擇MSP430F149單片機(jī)LPM3低功耗工作模式作為MCU的休眠狀態(tài)，同時(shí)選擇功耗較低的DHT11溫濕度傳感器以及MAX3232芯片分別進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，二者在工作時(shí)電流分別為2.5 mA和0.3 mA。

表1 MSP430F149低功耗模式

采集節(jié)點(diǎn)能耗的大小主要與采集節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)功耗及工作時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，在工作時(shí)長(zhǎng)相同的情況下，盡量多運(yùn)用單片機(jī)的低功耗模式代替工作模式，降低單片機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的功耗，從而降低節(jié)點(diǎn)能耗。對(duì)采集節(jié)點(diǎn)程序自定義設(shè)計(jì)，利用IAR軟件進(jìn)行模塊化C++語(yǔ)言編程，利用LPM3模式配以中斷功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集功能，MSP430F149單片機(jī)在LPM3模式下電流僅1.8 μA，通過(guò)中斷事件能將單片機(jī)從任一低功耗模式中喚醒，待中斷事件完成后，單片機(jī)能在中斷程序返回時(shí)恢復(fù)至LPM3低功耗模式。對(duì)單片機(jī)LPM3低功耗模式控制、及定時(shí)中斷設(shè)置常用的程序主要有：

_BIS_SR(LPM3_bits)；//進(jìn)入LPM3低功耗模式

_EINT()；//開(kāi)總中斷

#pragma vector = TIMERA1_VECTOR

__interrupt void Timer_A(void) //中斷服務(wù)函數(shù)

溫濕度采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要包含主程序和中斷服務(wù)程序，程序流程如圖2所示，首先對(duì)串口、時(shí)鐘、定時(shí)器A、DHT11模塊初始化，利用上述控制指令使MCU進(jìn)入LPM3低功耗模式，通過(guò)自定義中斷服務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)10分鐘的定時(shí)，待10分鐘的定時(shí)結(jié)束，喚醒的MCU進(jìn)行DHT11模塊的數(shù)據(jù)采集與傳輸，數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，MCU進(jìn)入新一輪的定時(shí)，等待下一個(gè)10分鐘的喚醒，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)DB9串口發(fā)送至PC機(jī)上。

圖2 溫濕度采集節(jié)點(diǎn)程序流程

3 測(cè)試研究

3.1 測(cè)試方法與過(guò)程

取傳統(tǒng)24 h實(shí)時(shí)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)(后稱傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn))、基于MSP430F149單片機(jī)24 h數(shù)據(jù)連續(xù)上傳的采集節(jié)點(diǎn)(后稱基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn))、基于MSP430F149單片機(jī)且利用LPM3低功耗功能定時(shí)10 min數(shù)據(jù)上傳一次的采集節(jié)點(diǎn)(后稱基于MSP430F149定時(shí)采集節(jié)點(diǎn))3種傳感器置于窗臺(tái)進(jìn)行為期一周的溫濕度采集，并通過(guò)納普高精度智能電量功率計(jì)PM9817D進(jìn)行功耗測(cè)量，依據(jù)閥室的實(shí)際狀況，設(shè)定溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)上傳。設(shè)計(jì)的低功耗溫濕度采集節(jié)點(diǎn)如圖3所示。通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)與基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)二者功耗的比較來(lái)驗(yàn)證從硬件選型方面能有效降低功耗，通過(guò)基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)與基于MSP430F149定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)二者功耗的比較來(lái)驗(yàn)證從功能搭配及程序設(shè)計(jì)上能有效降低功耗。

圖3 溫濕度采集節(jié)點(diǎn)實(shí)物

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析

測(cè)試期間，3種溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)數(shù)據(jù)掉包現(xiàn)象，經(jīng)功率計(jì)測(cè)得，傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)耗流達(dá)40 mA，基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)耗流16.719 mA，而基于MSP430F149定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)耗流12.453 mA?，F(xiàn)從每天間隔1 h進(jìn)行為期一周的功耗數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

將3種采集節(jié)點(diǎn)的消耗數(shù)據(jù)分別從每小時(shí)、每天進(jìn)行處理，得到各節(jié)點(diǎn)平均每小時(shí)的功耗情況如表2所示，各節(jié)點(diǎn)每天的功耗情況如表 3所示，各采集節(jié)點(diǎn)耗能折線圖如圖 4所示。對(duì)各采集節(jié)點(diǎn)每小時(shí)功耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先將傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)與基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，前者的每小時(shí)耗流比后者高20 mAh，且在前者供電電壓為12 V的情況下，前者的每小時(shí)耗能遠(yuǎn)高于后者，由此可見(jiàn)在硬件的選擇上，盡可能選擇供電電壓低的低功耗MCU。其次將基于MSP430F149單片機(jī)的實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)與定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)，前者每小時(shí)耗流比后者高2.3 mAh，在硬件一致的基礎(chǔ)上，通過(guò)MCU定時(shí)中斷喚醒功能將MCU從低功耗模式中喚醒至工作狀態(tài)的方法能有效降低采集節(jié)點(diǎn)的功耗，因此也導(dǎo)致基于MSP430F149單片機(jī)的定時(shí)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)每日功耗最低。在每天數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，可以看到各采集節(jié)點(diǎn)的功耗是呈現(xiàn)規(guī)律增加的，每天分別以10.550 7 Wh、1.977 9 Wh、1.428 1 Wh持續(xù)耗能，傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)耗能幅度遠(yuǎn)大于基于MSP430F149的實(shí)時(shí)、定時(shí)兩種采集節(jié)點(diǎn)的耗能幅度。

表2 各采集節(jié)點(diǎn)平均每小時(shí)功耗情況

表3 各采集節(jié)點(diǎn)平均每天能耗情況

圖4 各采集節(jié)點(diǎn)耗能折線圖

現(xiàn)取容量為30 Ah的蓄電池進(jìn)行功耗測(cè)試，在放電深度為80%的標(biāo)準(zhǔn)下，蓄電池維持3種數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)正常工作的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間分別如下：傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)下，蓄電池可供采集節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行602.516 h，即運(yùn)行25 d；基于MSP430F149實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)下，蓄電池可供采集節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行1 436.266 h，即運(yùn)行59 d；基于MSP430F149定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)下，蓄電池可供采集節(jié)點(diǎn)正常運(yùn)行1 927.246 h，即運(yùn)行80 d。

分別從硬件選型和軟件控制兩方面對(duì)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)行驗(yàn)證，證明在相同放電深度的蓄電池供電基礎(chǔ)上，蓄電池供基于MSP430F149定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)在滿足溫濕度數(shù)據(jù)定時(shí)、精確上傳的同時(shí)，使其運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為傳統(tǒng)實(shí)時(shí)采集節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的3倍。

4 結(jié)論

筆者研究了一種基于MSP430F149單片機(jī)的低功耗溫濕度采集節(jié)點(diǎn)。通過(guò)低功耗MCU硬件選型、較低用電電壓的選擇、合理使用中斷功能與低功耗模式進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。理論與測(cè)試結(jié)果均表明該設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的低功耗溫濕度采集節(jié)點(diǎn)工作電流低于13 mA，每天工作耗能僅1.428 1 Wh。通過(guò)長(zhǎng)期的環(huán)境測(cè)試，從能耗、工作時(shí)長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢砻髟摰凸臏貪穸炔杉?jié)點(diǎn)能有效、合理地對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)與管理。