黃安貽，徐心怡

(武漢理工大學 機電工程學院， 湖北 武漢 430070)

我國對油氣輸送站場安全監(jiān)管要求越來越嚴，隨著引入的監(jiān)控設備數(shù)量不斷增多，整體監(jiān)控系統(tǒng)耗電量逐漸增大，而站場地理位置特殊，導致供電系統(tǒng)較差甚至無供電系統(tǒng)，常采用太陽能蓄電池供電。太陽能蓄電池的使用主要考慮太陽能板組件大小及蓄電池容量兩方面[1-2]，均受限于現(xiàn)場實況及設備的功耗問題。因此筆者以溫濕度監(jiān)控為例，設計了一種低功耗油氣輸送站場現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。

目前油氣輸送站場對現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)采集常采用PLC(programmable logic controller)系統(tǒng)、SCADA(supervisory control and data acquisition)系統(tǒng)、或設計功能型監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)現(xiàn)場數(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)測及對現(xiàn)場設備的控制，系統(tǒng)的功耗較大，并不適用于一些無供電系統(tǒng)的偏遠站場[3-5]。功能型監(jiān)測系統(tǒng)更多研究利用無線傳輸技術來降低系統(tǒng)功耗，如LoRa(long range radio)物聯(lián)網(wǎng)技術、GPRS(general packet radio service)技術、及NB-IoT(narrow band internet of things)等技術[6-8]。而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端設備不止無線傳輸模塊，還包括傳感器、主控器等模塊，目前針對主控器的低功耗設計利用STM系列或51單片機居多。程恩路等[9]利用低功耗ARM9單片機作為自動氣象站主控器，通過硬件設計來降低氣象站功耗。肖漢光等[10]利用STM32系列單片機結(jié)合DS18B20溫度傳感器設計土壤環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點。程艷等[11]針對常用的STM系列、51單片機與TI公司研發(fā)的MSP430系列單片機進行功耗對比，相較STM系列或51單片機而言，MSP430系列單片機的運行功耗更低，更適用于偏遠站場無供電情況。因此筆者選擇MSP430F149單片機作為主控器，結(jié)合DHT11溫濕度傳感器通過單總線連接設計低功耗溫濕度采集節(jié)點，配以單片機16位定時器Timer_A精準定時采集上傳溫濕度數(shù)據(jù)，具有功耗低、電路簡單、性能可靠等優(yōu)點[12]。

1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點的方案設計

為在無供電系統(tǒng)情況下實現(xiàn)站場溫濕度監(jiān)控，現(xiàn)設計站場低功耗溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用太陽能蓄電池進行供電，選用低功耗MCU(microcontroller unit)采集站場溫濕度數(shù)據(jù)，并利用4G RTU(remote terminal unit)模塊實現(xiàn)采集節(jié)點數(shù)據(jù)遠傳。數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構如圖 1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構

4G RTU模塊主要負責匯總溫濕度采集節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)送至遠端上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，便于后端上位機對站場溫濕度數(shù)據(jù)進行分析與處理。

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

2 低功耗設計

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

表1 MSP430F149低功耗模式

采集節(jié)點能耗的大小主要與采集節(jié)點單位時間內(nèi)功耗及工作時長有關，在工作時長相同的情況下，盡量多運用單片機的低功耗模式代替工作模式，降低單片機單位時間內(nèi)的功耗，從而降低節(jié)點能耗。對采集節(jié)點程序自定義設計，利用IAR軟件進行模塊化C++語言編程，利用LPM3模式配以中斷功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點定時采集功能，MSP430F149單片機在LPM3模式下電流僅1.8 μA，通過中斷事件能將單片機從任一低功耗模式中喚醒，待中斷事件完成后，單片機能在中斷程序返回時恢復至LPM3低功耗模式。對單片機LPM3低功耗模式控制、及定時中斷設置常用的程序主要有：

_BIS_SR(LPM3_bits)；//進入LPM3低功耗模式

_EINT()；//開總中斷

#pragma vector = TIMERA1_VECTOR

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

溫濕度采集節(jié)點程序設計主要包含主程序和中斷服務程序，程序流程如圖2所示，首先對串口、時鐘、定時器A、DHT11模塊初始化，利用上述控制指令使MCU進入LPM3低功耗模式，通過自定義中斷服務函數(shù)實現(xiàn)10分鐘的定時，待10分鐘的定時結(jié)束，喚醒的MCU進行DHT11模塊的數(shù)據(jù)采集與傳輸，數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后，MCU進入新一輪的定時，等待下一個10分鐘的喚醒，采集的數(shù)據(jù)通過DB9串口發(fā)送至PC機上。

圖2 溫濕度采集節(jié)點程序流程

3 測試研究

3.1 測試方法與過程

取傳統(tǒng)24 h實時溫濕度采集節(jié)點(后稱傳統(tǒng)實時采集節(jié)點)、基于MSP430F149單片機24 h數(shù)據(jù)連續(xù)上傳的采集節(jié)點(后稱基于MSP430F149實時采集節(jié)點)、基于MSP430F149單片機且利用LPM3低功耗功能定時10 min數(shù)據(jù)上傳一次的采集節(jié)點(后稱基于MSP430F149定時采集節(jié)點)3種傳感器置于窗臺進行為期一周的溫濕度采集，并通過納普高精度智能電量功率計PM9817D進行功耗測量，依據(jù)閥室的實際狀況，設定溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點10 min進行一次數(shù)據(jù)上傳。設計的低功耗溫濕度采集節(jié)點如圖3所示。通過傳統(tǒng)實時采集節(jié)點與基于MSP430F149實時采集節(jié)點二者功耗的比較來驗證從硬件選型方面能有效降低功耗，通過基于MSP430F149實時采集節(jié)點與基于MSP430F149定時采集節(jié)點二者功耗的比較來驗證從功能搭配及程序設計上能有效降低功耗。

圖3 溫濕度采集節(jié)點實物

3.2 測試數(shù)據(jù)處理與分析

測試期間，3種溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點運行穩(wěn)定，無數(shù)據(jù)掉包現(xiàn)象，經(jīng)功率計測得，傳統(tǒng)實時采集節(jié)點運行時耗流達40 mA，基于MSP430F149實時采集節(jié)點運行時耗流16.719 mA，而基于MSP430F149定時采集節(jié)點運行時耗流12.453 mA?，F(xiàn)從每天間隔1 h進行為期一周的功耗數(shù)據(jù)采集，并對采集數(shù)據(jù)進行分析處理。

將3種采集節(jié)點的消耗數(shù)據(jù)分別從每小時、每天進行處理，得到各節(jié)點平均每小時的功耗情況如表2所示，各節(jié)點每天的功耗情況如表 3所示，各采集節(jié)點耗能折線圖如圖 4所示。對各采集節(jié)點每小時功耗數(shù)據(jù)進行分析，首先將傳統(tǒng)實時采集節(jié)點與基于MSP430F149實時采集節(jié)點進行比對，前者的每小時耗流比后者高20 mAh，且在前者供電電壓為12 V的情況下，前者的每小時耗能遠高于后者，由此可見在硬件的選擇上，盡可能選擇供電電壓低的低功耗MCU。其次將基于MSP430F149單片機的實時采集節(jié)點與定時采集節(jié)點進行比對，前者每小時耗流比后者高2.3 mAh，在硬件一致的基礎上，通過MCU定時中斷喚醒功能將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)點的功耗，因此也導致基于MSP430F149單片機的定時數(shù)據(jù)采集節(jié)點每日功耗最低。在每天數(shù)據(jù)處理的基礎上，可以看到各采集節(jié)點的功耗是呈現(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)實時采集節(jié)點耗能幅度遠大于基于MSP430F149的實時、定時兩種采集節(jié)點的耗能幅度。

表2 各采集節(jié)點平均每小時功耗情況

表3 各采集節(jié)點平均每天能耗情況

圖4 各采集節(jié)點耗能折線圖

現(xiàn)取容量為30 Ah的蓄電池進行功耗測試，在放電深度為80%的標準下，蓄電池維持3種數(shù)據(jù)采集節(jié)點正常工作的最長持續(xù)時間分別如下：傳統(tǒng)實時采集節(jié)點下，蓄電池可供采集節(jié)點正常運行602.516 h，即運行25 d；基于MSP430F149實時采集節(jié)點下，蓄電池可供采集節(jié)點正常運行1 436.266 h，即運行59 d；基于MSP430F149定時采集節(jié)點下，蓄電池可供采集節(jié)點正常運行1 927.246 h，即運行80 d。

分別從硬件選型和軟件控制兩方面對溫濕度采集節(jié)點的功耗進行驗證，證明在相同放電深度的蓄電池供電基礎上，蓄電池供基于MSP430F149定時采集節(jié)點在滿足溫濕度數(shù)據(jù)定時、精確上傳的同時，使其運行時長約為傳統(tǒng)實時采集節(jié)點運行時長的3倍。

4 結(jié)論

筆者研究了一種基于MSP430F149單片機的低功耗溫濕度采集節(jié)點。通過低功耗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行低功耗設計。理論與測試結(jié)果均表明該設計方法設計的低功耗溫濕度采集節(jié)點工作電流低于13 mA，每天工作耗能僅1.428 1 Wh。通過長期的環(huán)境測試，從能耗、工作時長、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婢砻髟摰凸臏貪穸炔杉?jié)點能有效、合理地對環(huán)境進行監(jiān)測與管理。