基于MSP430F5438A的工業(yè)排污督察管理終端設計

趙呈強, 王文虎, 彭琛, 聶超凡

基于MSP430F5438A的工業(yè)排污督察管理終端設計

趙呈強, 王文虎, 彭琛, 聶超凡

(湖南文理學院 計算機與電氣工程學院, 湖南 常德, 415000)

工業(yè)排污占環(huán)境污染高達70%, 傳統(tǒng)水質監(jiān)測方法效率低且排污企業(yè)暗自偷排、突排污水問題嚴重, 為此設計了一款基于MSP430F5438A和北斗的工業(yè)排污督察管理終端。工業(yè)排污督察管理終端以MSP430F5438A為核心控制器, 利用北斗定位模塊定位排污口位置并借助水質檢測單元實時采集pH值、溫度、渾濁度、溶解氧、氨氮濃度等信息, 再通過帶有注冊包和心跳包功能的GPRS通信模塊傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)測中心。實現(xiàn)了對分散式工廠排污的實時遠程動態(tài)監(jiān)測, 提供實時的水質、位置等信息。實際運行表明, 終端運行穩(wěn)定, 相對于其他設計, 功耗更低, 通信更加靈活, 更方便, 更安全。

工業(yè)排污; 實時督察; 微處理器; 北斗; GPRS

近年來, 工業(yè)廢水不達標排放造成飲用水源污染嚴重, 生態(tài)環(huán)境惡化, 因此對工業(yè)廢水的達標排放進行有效的監(jiān)測非常有必要。目前, 我國在水質監(jiān)測領域主要采用現(xiàn)場水體采樣——實驗室化驗檢測的傳統(tǒng)方法, 運用該方法的監(jiān)管人員必須到場, 面對眾多的工廠有很大的局限性, 且存在水質采樣不足、水質監(jiān)測信息處理時效性差等問題。此外, 監(jiān)管部門通常采樣檢測時間固定, 排污企業(yè)容易掌握監(jiān)管部門采樣規(guī)律, 導致不誠信企業(yè)存有僥幸心理偷排、突排未達標廢水[1]。文獻[2]采用由監(jiān)測中心及若干監(jiān)測子站組成的基站式架構和實時數(shù)據(jù)庫, 實現(xiàn)地表水水質實時監(jiān)測; 文獻[3]和[4]采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡技術和GPRS技術, 實現(xiàn)大面積水域水質信息的全面采集和采集數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。這類技術方案容易破壞監(jiān)測區(qū)域的生態(tài)環(huán)境, 且投資成本高, 另外, 不能防止工廠企業(yè)私自挪動監(jiān)測終端, 改變被測區(qū)域。

鑒于以上分析, 提出基于MSP430F5438A和北斗的工業(yè)排污督察管理終端設計, 工業(yè)排污督察管理系統(tǒng)由工業(yè)排污督察管理終端、GPRS通信網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)測中心組成, 工業(yè)排污督察管理終端通過GPRS網(wǎng)絡及互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)測中心連接在一起。工業(yè)排污督察管理終端將工廠排污口水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和坐標信息(位置、時間等)等信息按自定義傳輸協(xié)議格式封裝成數(shù)據(jù)包, 經 GPRS網(wǎng)絡以及Internet上傳至監(jiān)測中心, 實現(xiàn)對分散式工廠排污的實時遠程動態(tài)監(jiān)測, 能夠提供實時的水質、位置、海拔等信息, 且具有安全、低功耗、定位精度高的特點[4]。

1 終端硬件

工業(yè)排污督察管理終端由MSP430F5438A微處理器、北斗定位模塊、水質檢測單元、GPRS通信模塊組成, 終端結構如圖1所示。采用MSP430- F5438A低功耗單片機為核心控制器, 通過水質檢測單元實時采集各類水質參數(shù)信息; 并借助北斗定位模塊抗遮擋能力強及多頻信號組合方式高服務精度的優(yōu)勢, 精準定位排污口位置; 水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和位置信息由處理器協(xié)議解析后進行數(shù)據(jù)打包, 再經GPRS通信模塊發(fā)送至監(jiān)測中心。工業(yè)排污督察管理終端電路如圖2所示。

圖1 終端結構

圖2 終端電路

1.1 MSP430F5438A最小應用系統(tǒng)

圖2中, U1為超低功耗微處理器MSP430F5438A集成電路, 內含4個 USCI、32位HW乘法器的16位微控制器, 實際中有利于位置信息的解析以及水質監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理[5]。Y1、C1、C2連接到MSP430F5438A的XT2_IN、XT2_OUT構成時鐘電路; SB、C0并聯(lián)與R1串聯(lián)連接到MSP430F5438A的RST構成低電平復位電路。處理器MSP430F5438A的P35、P34外接USB轉串口芯片U3(CH340G)的TX、RX端, SBWTCK、SBWTDIO外接USB轉串口芯片U3的DTS#、DTR#端; USB的2腳、3腳分別外接USB轉串口芯片U3的D-、D+端, 共同組成BSL程序下載接口, 用于下載程序和實現(xiàn)在線系統(tǒng)編程。時鐘單元、復位單元、BSL程序下載接口共同構成微處理器的最小應用系統(tǒng)。

1.2 水質檢測單元

水質檢測單元由渾濁度檢測模塊、大氣壓強測量模塊、PH值檢測模塊(含水溫測量)、氨氮檢測模塊等組成, 各模塊可直接投入水中, 響應快, 測量精度高。微處理器分別逐一監(jiān)測被測區(qū)域大氣壓強與水溫、渾濁度、PH值、氨氮濃度, 且監(jiān)測到的大氣壓強與水溫換算得到池塘溶氧量, 并將換算得到的溶氧量以及監(jiān)測到的渾濁度、PH值、氨氮濃度等數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至處理器, 由處理器協(xié)議解析后進行數(shù)據(jù)打包。

圖2中, 微處理器MSP430F5438A的P14外接渾濁度檢測模塊A6的輸出信號, 且渾濁度檢測模塊A6的輸出信號經電阻R4、電阻R5分壓后得到微處理器MSP430F5438A可識別的高電平。微處理器MSP430F5438A的P34外接PH值監(jiān)測模塊A3(D174變送器)串口的RX端, P35外接PH值監(jiān)測模塊A3串口的TX端, 實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳輸, 讀取PH值以及水溫度值。微處理器MSP430F5438A的P32外接高精度大氣壓強傳感器A4(BME280)的SCL端, P31外接高精度大氣壓強傳感器A4的SDA端, 實現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)傳輸, 讀取監(jiān)測水域大氣壓強值。微處理器MSP430F5438A的P13外接RS485接口芯片U2(MAX1480B)的邏輯數(shù)據(jù)輸人使能端DE, DE置為高電平時使能驅動器輸出, 驅動器輸出將作為線驅動器; DE為低電平時, 驅動器輸出為高阻態(tài), 輸出為高阻時將作為線接收器; P95外接U2的TX端, P94 U2的RX端; U2的A端外接氨氮濃度檢測模塊A5(ZZ-WQS-AN-U)的RS_A端; U2的B端外接氨氮濃度檢測模塊A5的RS_B端, 實現(xiàn)RS485通訊, 讀取氨氮濃度值[6]。

1.3 北斗定位單元

圖2中, 微處理器MSP430F5438A的P104外接北斗定位模塊A1串口的RX端, P105外接A1串口的TX端, 并正確連接好天線、電源等, 便可進行位置信息測試[7]。模塊A1型號為ATGM332D-5N, 具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢, 可以同時接收6個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的GNSS信號, 既支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導航系統(tǒng)的單系統(tǒng)定位及任意組合的多系統(tǒng)聯(lián)合定位, 又支持QZSS和SBAS系統(tǒng), 包含32個跟蹤通道, 跟蹤靈敏度為-162 dBm, 定位精度2.5 m, 且支持輔助GNSS(AGNSS)功能, 為模塊提供定位必需的輔助信息(粗略位置、時間等), 無論是在強信號還是弱信號環(huán)境, 首次定位時間僅需32 s, 冷啟動捕獲靈敏度為-148 dBm; 支持精確秒脈沖輸出, 脈沖上升沿與UTC時間對齊; 連續(xù)運行時工作電流小于25 mA; 內置天線檢測及天線短路保護功能。

A1模塊默認輸出8種幀數(shù)據(jù)(可在GNSS_Viewer軟件配置模塊, 僅輸出所需信息), 使用時, 首先通過GNSS_Viewer軟件對北斗定位模塊進行初始化配置。

1.4 GPRS通訊單元

圖2中, 微處理器MSP430F5438A的P56外接GPRS通信模塊A2串口的RX端, P57外接A2串口的TX端, 通過AT指令初始化GPRS模塊(設置串口參數(shù)、傳輸模式等), 使之連接在GPRS網(wǎng)絡上, 并獲得網(wǎng)絡運營商動態(tài)分配的GPRS終端IP地址, 與監(jiān)測中心建立連接, 由此建立位置信息與水質監(jiān)測數(shù)據(jù)的收發(fā)通道并接收控制指令。模塊A2型號為WH-LTE-7S4 V2, 以“透傳”作為功能核心, 用戶只需通過簡單的設置, 即可實現(xiàn)串口到網(wǎng)絡的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸, 具有高速率、低延時、通信靈活的特點。其中, UDC模式特有的自定義注冊包、心跳包功能, 使得其更加適合于工業(yè)排污督察管理終端的設計: (1) 注冊包功能。服務器可識別數(shù)據(jù)來源設備(有利于在面對眾多工廠監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集時的區(qū)分), 或作為獲取服務器功能授權的密碼(有利于對監(jiān)測數(shù)據(jù)的保護); (2) 心跳包功能。在保證模塊連接正常的同時, 可讓服務器通過心跳包知曉GPRS模塊的在線情況(使得通信更加靈活)[8]。GPRS模塊傳輸過程如圖3所示。

圖3 GPRS模塊UDC模式傳輸過程

2 終端軟件

2.1 主程序

根據(jù)I/O口外接模塊的工作需求, 對應配置I/O口工作模式, 并完成對定時器初始值的配置、串口通信速率的配置、時序延遲等實現(xiàn)初始化。工業(yè)排污督察管理終端軟件主要完成網(wǎng)絡連接、測試網(wǎng)絡連接狀態(tài)、響應監(jiān)測中心發(fā)來的中斷請求、采集水質監(jiān)測數(shù)據(jù)和位置信息并打包發(fā)送等功能。為了降低功耗, 微處理器采用低功耗方式工作, 僅保留GPRS通訊模塊, 當串口有中斷請求時, 可喚醒其他工作模塊[9]。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

2.2 北斗定位單元

北斗定位模塊同外部設備的通信接口采用串口(UART)方式, 控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議, 輸出的定位數(shù)據(jù)以美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA)的NMEA-0183為協(xié)議標準, 通過ASCⅡ碼傳遞, 稱之為幀, 幀格式如表1所示[10]。

表1 NMEA-0183幀格式

不同的數(shù)據(jù)幀頭不同, 幀頭主要有“$GNGGA(北斗/GPS定位信息)”、“$GNGSA(當前位置信息)”、“$BDGSV(可見北斗衛(wèi)星信息)”等, 實際編程中只需要運用一種幀數(shù)據(jù)$GNGGA, 如“$GNGGA, 084815.576, 2318.1133, N, 11319.7210, E, 1, 06, 3.7, 55.1, M, -5.4, M, , 0000*69”, 常用前8位含義為: 北京時間15:48:16.576, 北緯23度18.1133分, 東經113度19.7210分, 非差分定位, 正用于定位的衛(wèi)星數(shù)量為6顆, HOOP水平精確度因子為3.7。NMEA-0183 協(xié)議以‘$’開頭, 然后固定輸出格式, 以回車換行符作為幀尾標識一幀的結束, 可通過數(shù)逗號的方法解析幀數(shù)據(jù)。程序主要解析帶定位數(shù)據(jù)如經緯度、時間等信息的“$GNGGA”幀。北斗定位解析流程如圖5所示。

圖5 北斗定位解析流程

2.3 GPRS通訊單元

GPRS模塊與微處理器串口連接, 微處理器通過串口發(fā)送相應AT指令設置GPRS模塊的工作模式、服務類型、所連服務器的IP和端口號等內容, 最后重啟模塊, 保存設置。GPRS模塊初始化流程如圖 6 所示。

圖6 GPRS初始化流程

GPRS模塊配置好后, 微處理器通過串口將獲取數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊, GPRS模塊以UDC模式, 借助 GPRS網(wǎng)絡向互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送TCP連接請求并將數(shù)據(jù)采用TCP協(xié)議傳送給互聯(lián)網(wǎng)平臺。GPRS通信程序調用函數(shù)如下。

Usart_ SendByte( USART_ TypeDef * pUSARTx, uint8_tch);//字節(jié)發(fā)送函數(shù)

Usart_ SendString ( USART_ .TypeDef * pUSARTx, uint8_t*str);//發(fā)送AT指令、字符串

sprintf((char*)TxetBuf,"{"t":3,"datatype":1,"datas":{"gps_j":%s,"gps_w":%s},"msgid":001}",Save_Data.latitude,Save_Data.longitude);//發(fā)送位置信息

sprintf((char*)TxetBuf1,"{"t":3,"datatype":2,"datas":{"ph":{"%s":%d}},"msgid":001}",TimeStr,(int)PH_DATA_PH);//發(fā)送水質監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 運行與測試

運行測試數(shù)據(jù)如表2所示。在室外湖泊、排水口等對終端的各項功能進行了動態(tài)測試, 模擬工廠的不同排污口位置, 結果表明終端能夠完成各項水質參數(shù)的測量、采集以及位置信息的獲取, 并與監(jiān)測中心保持通信線路穩(wěn)定, 數(shù)據(jù)傳輸率高, 傳感器水質監(jiān)測數(shù)據(jù)超過閾值報警靈敏度高。

表2 2020年1月15日11: 29: 48排污口運行測試表

4 結語

為環(huán)保監(jiān)管部門設計制作了一款基于MSP430F5438A和北斗的工業(yè)排污督察管理終端, 該終端以MSP430F5438A為核心控制器, 采用北斗定位模塊定位排污口位置并借助水質檢測單元實時采集pH值、溫度、渾濁度、溶解氧、氨氮濃度等信息, 可通過帶有注冊包和心跳包功能的GPRS通信模塊傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)測中心。實際運行表明, 該終端運行穩(wěn)定。

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[12] 濟南有人物聯(lián)網(wǎng)技術有限公司. WH-LTE-7S4V2軟件設計手冊[EB/OL]. http://h.mokuai.cn.

Design of supervision and management terminal of industrial sewage based on MSP430F5438A

Zhao Chengqiang, Wang Wenhu, Peng Chen, Nie Chaofan

(Department of Computer and Electrical Engineering, Hunan University Arts & Science, Changde 415000, China)

Industrial sewage accounts for up to 70% of environmental pollution. Traditional water quality monitoring methods are inefficient and sewage companies secretly secretly discharge and burst sewage has serious problems. Therefore, an industrial sewage inspection management terminal based on MSP430F5438A and Beidou was designed. The industrial sewage inspection management terminal uses MSP430F5438A as the core controller, uses the Beidou positioning module to locate the sewage outlet and collects information such as pH, temperature, turbidity, dissolved oxygen, and ammonia nitrogen in real time with the help of the water quality detection unit. The GPRS communication module with heartbeat packet function transmits data to the monitoring center. Realized real-time remote dynamic monitoring of decentralized factory sewage, providing real-time water quality, location, altitude and other information. The actual operation shows that the terminal runs stably. Compared with other designs, the power consumption is lower, and the communication is more flexible, more convenient, and safer.

industrial sewage; real-time inspection; microprocessor; Beidou; GPRS

10.3969/j.issn.1672–6146.2021.01.015

TN 919; TP 393.1

A

1672–6146(2020)01–0069–06

王文虎,cdwwh@126.com。

2020–06–24

2019年度湖南省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(序號2048)。

(責任編校: 劉剛毅)