趙呈強(qiáng), 王文虎, 彭琛, 聶超凡

基于MSP430F5438A的工業(yè)排污督察管理終端設(shè)計(jì)

趙呈強(qiáng), 王文虎, 彭琛, 聶超凡

(湖南文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院, 湖南 常德, 415000)

工業(yè)排污占環(huán)境污染高達(dá)70%, 傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法效率低且排污企業(yè)暗自偷排、突排污水問(wèn)題嚴(yán)重, 為此設(shè)計(jì)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(zhì)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)采集pH值、溫度、渾濁度、溶解氧、氨氮濃度等信息, 再通過(guò)帶有注冊(cè)包和心跳包功能的GPRS通信模塊傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)中心。實(shí)現(xiàn)了對(duì)分散式工廠排污的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)、位置等信息。實(shí)際運(yùn)行表明, 終端運(yùn)行穩(wěn)定, 相對(duì)于其他設(shè)計(jì), 功耗更低, 通信更加靈活, 更方便, 更安全。

工業(yè)排污; 實(shí)時(shí)督察; 微處理器; 北斗; GPRS

近年來(lái), 工業(yè)廢水不達(dá)標(biāo)排放造成飲用水源污染嚴(yán)重, 生態(tài)環(huán)境惡化, 因此對(duì)工業(yè)廢水的達(dá)標(biāo)排放進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)非常有必要。目前, 我國(guó)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域主要采用現(xiàn)場(chǎng)水體采樣——實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢測(cè)的傳統(tǒng)方法, 運(yùn)用該方法的監(jiān)管人員必須到場(chǎng), 面對(duì)眾多的工廠有很大的局限性, 且存在水質(zhì)采樣不足、水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理時(shí)效性差等問(wèn)題。此外, 監(jiān)管部門通常采樣檢測(cè)時(shí)間固定, 排污企業(yè)容易掌握監(jiān)管部門采樣規(guī)律, 導(dǎo)致不誠(chéng)信企業(yè)存有僥幸心理偷排、突排未達(dá)標(biāo)廢水[1]。文獻(xiàn)[2]采用由監(jiān)測(cè)中心及若干監(jiān)測(cè)子站組成的基站式架構(gòu)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù), 實(shí)現(xiàn)地表水水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè); 文獻(xiàn)[3]和[4]采用Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS技術(shù), 實(shí)現(xiàn)大面積水域水質(zhì)信息的全面采集和采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸。這類技術(shù)方案容易破壞監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)終端, 改變被測(cè)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(shè)計(jì), 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(luò)及互聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)中心組成, 工業(yè)排污督察管理終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)及互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)測(cè)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(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和坐標(biāo)信息(位置、時(shí)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(jīng) GPRS網(wǎng)絡(luò)以及Internet上傳至監(jiān)測(cè)中心, 實(shí)現(xiàn)對(duì)分散式工廠排污的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè), 能夠提供實(shí)時(shí)的水質(zhì)、位置、海拔等信息, 且具有安全、低功耗、定位精度高的特點(diǎn)[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(zhì)檢測(cè)單元、GPRS通信模塊組成, 終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用MSP430- F5438A低功耗單片機(jī)為核心控制器, 通過(guò)水質(zhì)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)采集各類水質(zhì)參數(shù)信息; 并借助北斗定位模塊抗遮擋能力強(qiáng)及多頻信號(hào)組合方式高服務(wù)精度的優(yōu)勢(shì), 精準(zhǔn)定位排污口位置; 水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和位置信息由處理器協(xié)議解析后進(jìn)行數(shù)據(jù)打包, 再經(jīng)GPRS通信模塊發(fā)送至監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)

圖2 終端電路

1.1 MSP430F5438A最小應(yīng)用系統(tǒng)

圖2中, U1為超低功耗微處理器MSP430F5438A集成電路, 內(nèi)含4個(gè) USCI、32位HW乘法器的16位微控制器, 實(shí)際中有利于位置信息的解析以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理[5]。Y1、C1、C2連接到MSP430F5438A的XT2_IN、XT2_OUT構(gòu)成時(shí)鐘電路; SB、C0并聯(lián)與R1串聯(lián)連接到MSP430F5438A的RST構(gòu)成低電平復(fù)位電路。處理器MSP430F5438A的P35、P34外接USB轉(zhuǎn)串口芯片U3(CH340G)的TX、RX端, SBWTCK、SBWTDIO外接USB轉(zhuǎn)串口芯片U3的DTS#、DTR#端; USB的2腳、3腳分別外接USB轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)在線系統(tǒng)編程。時(shí)鐘單元、復(fù)位單元、BSL程序下載接口共同構(gòu)成微處理器的最小應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 水質(zhì)檢測(cè)單元

水質(zhì)檢測(cè)單元由渾濁度檢測(cè)模塊、大氣壓強(qiáng)測(cè)量模塊、PH值檢測(cè)模塊(含水溫測(cè)量)、氨氮檢測(cè)模塊等組成, 各模塊可直接投入水中, 響應(yīng)快, 測(cè)量精度高。微處理器分別逐一監(jiān)測(cè)被測(cè)區(qū)域大氣壓強(qiáng)與水溫、渾濁度、PH值、氨氮濃度, 且監(jiān)測(cè)到的大氣壓強(qiáng)與水溫?fù)Q算得到池塘溶氧量, 并將換算得到的溶氧量以及監(jiān)測(cè)到的渾濁度、PH值、氨氮濃度等數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至處理器, 由處理器協(xié)議解析后進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。

圖2中, 微處理器MSP430F5438A的P14外接渾濁度檢測(cè)模塊A6的輸出信號(hào), 且渾濁度檢測(cè)模塊A6的輸出信號(hào)經(jīng)電阻R4、電阻R5分壓后得到微處理器MSP430F5438A可識(shí)別的高電平。微處理器MSP430F5438A的P34外接PH值監(jiān)測(cè)模塊A3(D174變送器)串口的RX端, P35外接PH值監(jiān)測(cè)模塊A3串口的TX端, 實(shí)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(qiáng)傳感器A4(BME280)的SCL端, P31外接高精度大氣壓強(qiáng)傳感器A4的SDA端, 實(shí)現(xiàn)I2C數(shù)據(jù)傳輸, 讀取監(jiān)測(cè)水域大氣壓強(qiáng)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(shí)使能驅(qū)動(dòng)器輸出, 驅(qū)動(dòng)器輸出將作為線驅(qū)動(dòng)器; DE為低電平時(shí), 驅(qū)動(dòng)器輸出為高阻態(tài), 輸出為高阻時(shí)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(cè)模塊A5(ZZ-WQS-AN-U)的RS_A端; U2的B端外接氨氮濃度檢測(cè)模塊A5的RS_B端, 實(shí)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(jìn)行位置信息測(cè)試[7]。模塊A1型號(hào)為ATGM332D-5N, 具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì), 可以同時(shí)接收6個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的GNSS信號(hào), 既支持BDS/GPS/GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)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(gè)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(shí)間等), 無(wú)論是在強(qiáng)信號(hào)還是弱信號(hào)環(huán)境, 首次定位時(shí)間僅需32 s, 冷啟動(dòng)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(shí)間對(duì)齊; 連續(xù)運(yùn)行時(shí)工作電流小于25 mA; 內(nèi)置天線檢測(cè)及天線短路保護(hù)功能。

A1模塊默認(rèn)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(shí), 首先通過(guò)GNSS_Viewer軟件對(duì)北斗定位模塊進(jìn)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(guò)AT指令初始化GPRS模塊(設(shè)置串口參數(shù)、傳輸模式等), 使之連接在GPRS網(wǎng)絡(luò)上, 并獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的GPRS終端IP地址, 與監(jiān)測(cè)中心建立連接, 由此建立位置信息與水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收發(fā)通道并接收控制指令。模塊A2型號(hào)為WH-LTE-7S4 V2, 以“透?jìng)鳌弊鳛楣δ芎诵? 用戶只需通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)置, 即可實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸, 具有高速率、低延時(shí)、通信靈活的特點(diǎn)。其中, UDC模式特有的自定義注冊(cè)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(shè)計(jì): (1) 注冊(cè)包功能。服務(wù)器可識(shí)別數(shù)據(jù)來(lái)源設(shè)備(有利于在面對(duì)眾多工廠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集時(shí)的區(qū)分), 或作為獲取服務(wù)器功能授權(quán)的密碼(有利于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的保護(hù)); (2) 心跳包功能。在保證模塊連接正常的同時(shí), 可讓服務(wù)器通過(guò)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(guò)程如圖3所示。

圖3 GPRS模塊UDC模式傳輸過(guò)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(duì)應(yīng)配置I/O口工作模式, 并完成對(duì)定時(shí)器初始值的配置、串口通信速率的配置、時(shí)序延遲等實(shí)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(luò)連接、測(cè)試網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、響應(yīng)監(jiān)測(cè)中心發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求、采集水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(dāng)串口有中斷請(qǐng)求時(shí), 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(shè)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(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(NMEA)的NMEA-0183為協(xié)議標(biāo)準(zhǔn), 通過(guò)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(dāng)前位置信息)”、“$BDGSV(可見北斗衛(wèi)星信息)”等, 實(shí)際編程中只需要運(yùn)用一種幀數(shù)據(jù)$GNGGA, 如“$GNGGA, 084815.576, 2318.1133, N, 11319.7210, E, 1, 06, 3.7, 55.1, M, -5.4, M, , 0000*69”, 常用前8位含義為: 北京時(shí)間15:48:16.576, 北緯23度18.1133分, 東經(jīng)113度19.7210分, 非差分定位, 正用于定位的衛(wèi)星數(shù)量為6顆, HOOP水平精確度因子為3.7。NMEA-0183 協(xié)議以‘$’開頭, 然后固定輸出格式, 以回車換行符作為幀尾標(biāo)識(shí)一幀的結(jié)束, 可通過(guò)數(shù)逗號(hào)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(jīng)緯度、時(shí)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(guò)串口發(fā)送相應(yīng)AT指令設(shè)置GPRS模塊的工作模式、服務(wù)類型、所連服務(wù)器的IP和端口號(hào)等內(nèi)容, 最后重啟模塊, 保存設(shè)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(guò)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(luò)向互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送TCP連接請(qǐng)求并將數(shù)據(jù)采用TCP協(xié)議傳送給互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。GPRS通信程序調(diào)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(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3 運(yùn)行與測(cè)試

運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。在室外湖泊、排水口等對(duì)終端的各項(xiàng)功能進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試, 模擬工廠的不同排污口位置, 結(jié)果表明終端能夠完成各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量、采集以及位置信息的獲取, 并與監(jiān)測(cè)中心保持通信線路穩(wěn)定, 數(shù)據(jù)傳輸率高, 傳感器水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)閾值報(bào)警靈敏度高。

表2 2020年1月15日11: 29: 48排污口運(yùn)行測(cè)試表

4 結(jié)語(yǔ)

為環(huán)保監(jiān)管部門設(shè)計(jì)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(zhì)檢測(cè)單元實(shí)時(shí)采集pH值、溫度、渾濁度、溶解氧、氨氮濃度等信息, 可通過(guò)帶有注冊(cè)包和心跳包功能的GPRS通信模塊傳輸數(shù)據(jù)至監(jiān)測(cè)中心。實(shí)際運(yùn)行表明, 該終端運(yùn)行穩(wěn)定。

[1] 劉京, 劉廷良, 劉允, 等. 地表水環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2017, 33(6): 1–9.

[2] 黃杰. 地表水水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)集成控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2016.

[3] 梁承美. 基于物聯(lián)網(wǎng)的湖泊水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 上海: 華東理工大學(xué), 2014.

[4] 陳龍. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)流域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

[5] 孫高煒, 彭道海, 鄒曉. 基于北斗/GPS和GPRS的車載定位終端[J]. 南方農(nóng)機(jī), 2019, 50(13): 47.

[6] 李志騰, 鄭耿, 孫鵬, 等. MSP430FR單片機(jī)的超低功耗設(shè)計(jì)方法和原則[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2018, 18(8): 17–20.

[7] 代陽(yáng), 楊建華, 唐忠林. 基于MSP430和RS485的分布式風(fēng)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電一體化, 2013, 19(4): 68–72.

[8] 杭州中科微電子有限公司. ATGM332D-5N 系列衛(wèi)星導(dǎo)航模塊用戶手冊(cè)[EB/OL]. http://www.waaax.top.

[9] 濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司. WH-LTE-7S4V2說(shuō)明書[EB/OL]. http://h.mokuai.cn.

[10] 齊懷琴, 張松, 王晗. 基于MSP430F5438的超低功耗森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 測(cè)控技術(shù), 2013, 32(1): 28–32.

[11] 黨智乾, 韓東, 張芬, 等. 基于MSP430F247和GSM的CO檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2017, 36(7): 108– 111.

[12] 濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司. WH-LTE-7S4V2軟件設(shè)計(jì)手冊(cè)[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(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(序號(hào)2048)。

(責(zé)任編校: 劉剛毅)