基于MSP430F5438A的工业排污督察管理终端设计

赵呈强, 王文虎, 彭琛, 聂超凡

基于MSP430F5438A的工业排污督察管理终端设计

赵呈强, 王文虎, 彭琛, 聂超凡

(湖南文理学院 计算机与电气工程学院, 湖南 常德, 415000)

工业排污占环境污染高达70%, 传统水质监测方法效率低且排污企业暗自偷排、突排污水问题严重, 为此设计了一款基于MSP430F5438A和北斗的工业排污督察管理终端。工业排污督察管理终端以MSP430F5438A为核心控制器, 利用北斗定位模块定位排污口位置并借助水质检测单元实时采集pH值、温度、浑浊度、溶解氧、氨氮浓度等信息, 再通过带有注册包和心跳包功能的GPRS通信模块传输数据至监测中心。实现了对分散式工厂排污的实时远程动态监测, 提供实时的水质、位置等信息。实际运行表明, 终端运行稳定, 相对于其他设计, 功耗更低, 通信更加灵活, 更方便, 更安全。

工业排污; 实时督察; 微处理器; 北斗; GPRS

近年来, 工业废水不达标排放造成饮用水源污染严重, 生态环境恶化, 因此对工业废水的达标排放进行有效的监测非常有必要。目前, 我国在水质监测领域主要采用现场水体采样——实验室化验检测的传统方法, 运用该方法的监管人员必须到场, 面对众多的工厂有很大的局限性, 且存在水质采样不足、水质监测信息处理时效性差等问题。此外, 监管部门通常采样检测时间固定, 排污企业容易掌握监管部门采样规律, 导致不诚信企业存有侥幸心理偷排、突排未达标废水[1]。文献[2]采用由监测中心及若干监测子站组成的基站式架构和实时数据库, 实现地表水水质实时监测; 文献[3]和[4]采用Zigbee无线传感网络技术和GPRS技术, 实现大面积水域水质信息的全面采集和采集数据的远程无线传输。这类技术方案容易破坏监测区域的生态环境, 且投资成本高, 另外, 不能防止工厂企业私自挪动监测终端, 改变被测区域。

鉴于以上分析, 提出基于MSP430F5438A和北斗的工业排污督察管理终端设计, 工业排污督察管理系统由工业排污督察管理终端、GPRS通信网络及互联网、监测中心组成, 工业排污督察管理终端通过GPRS网络及互联网与监测中心连接在一起。工业排污督察管理终端将工厂排污口水质监测数据和坐标信息(位置、时间等)等信息按自定义传输协议格式封装成数据包, 经 GPRS网络以及Internet上传至监测中心, 实现对分散式工厂排污的实时远程动态监测, 能够提供实时的水质、位置、海拔等信息, 且具有安全、低功耗、定位精度高的特点[4]。

1 终端硬件

工业排污督察管理终端由MSP430F5438A微处理器、北斗定位模块、水质检测单元、GPRS通信模块组成, 终端结构如图1所示。采用MSP430- F5438A低功耗单片机为核心控制器, 通过水质检测单元实时采集各类水质参数信息; 并借助北斗定位模块抗遮挡能力强及多频信号组合方式高服务精度的优势, 精准定位排污口位置; 水质监测数据和位置信息由处理器协议解析后进行数据打包, 再经GPRS通信模块发送至监测中心。工业排污督察管理终端电路如图2所示。

图1 终端结构

图2 终端电路

1.1 MSP430F5438A最小应用系统

图2中, U1为超低功耗微处理器MSP430F5438A集成电路, 内含4个 USCI、32位HW乘法器的16位微控制器, 实际中有利于位置信息的解析以及水质监测数据的处理[5]。Y1、C1、C2连接到MSP430F5438A的XT2_IN、XT2_OUT构成时钟电路; SB、C0并联与R1串联连接到MSP430F5438A的RST构成低电平复位电路。处理器MSP430F5438A的P35、P34外接USB转串口芯片U3(CH340G)的TX、RX端, SBWTCK、SBWTDIO外接USB转串口芯片U3的DTS#、DTR#端; USB的2脚、3脚分别外接USB转串口芯片U3的D-、D+端, 共同组成BSL程序下载接口, 用于下载程序和实现在线系统编程。时钟单元、复位单元、BSL程序下载接口共同构成微处理器的最小应用系统。

1.2 水质检测单元

水质检测单元由浑浊度检测模块、大气压强测量模块、PH值检测模块(含水温测量)、氨氮检测模块等组成, 各模块可直接投入水中, 响应快, 测量精度高。微处理器分别逐一监测被测区域大气压强与水温、浑浊度、PH值、氨氮浓度, 且监测到的大气压强与水温换算得到池塘溶氧量, 并将换算得到的溶氧量以及监测到的浑浊度、PH值、氨氮浓度等数据通过串口发送至处理器, 由处理器协议解析后进行数据打包。

图2中, 微处理器MSP430F5438A的P14外接浑浊度检测模块A6的输出信号, 且浑浊度检测模块A6的输出信号经电阻R4、电阻R5分压后得到微处理器MSP430F5438A可识别的高电平。微处理器MSP430F5438A的P34外接PH值监测模块A3(D174变送器)串口的RX端, P35外接PH值监测模块A3串口的TX端, 实现串口数据传输, 读取PH值以及水温度值。微处理器MSP430F5438A的P32外接高精度大气压强传感器A4(BME280)的SCL端, P31外接高精度大气压强传感器A4的SDA端, 实现I2C数据传输, 读取监测水域大气压强值。微处理器MSP430F5438A的P13外接RS485接口芯片U2(MAX1480B)的逻辑数据输人使能端DE, DE置为高电平时使能驱动器输出, 驱动器输出将作为线驱动器; DE为低电平时, 驱动器输出为高阻态, 输出为高阻时将作为线接收器; P95外接U2的TX端, P94 U2的RX端; U2的A端外接氨氮浓度检测模块A5(ZZ-WQS-AN-U)的RS_A端; U2的B端外接氨氮浓度检测模块A5的RS_B端, 实现RS485通讯, 读取氨氮浓度值[6]。

1.3 北斗定位单元

图2中, 微处理器MSP430F5438A的P104外接北斗定位模块A1串口的RX端, P105外接A1串口的TX端, 并正确连接好天线、电源等, 便可进行位置信息测试[7]。模块A1型号为ATGM332D-5N, 具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势, 可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号, 既支持BDS/GPS/GLONASS卫星导航系统的单系统定位及任意组合的多系统联合定位, 又支持QZSS和SBAS系统, 包含32个跟踪通道, 跟踪灵敏度为-162 dBm, 定位精度2.5 m, 且支持辅助GNSS(AGNSS)功能, 为模块提供定位必需的辅助信息(粗略位置、时间等), 无论是在强信号还是弱信号环境, 首次定位时间仅需32 s, 冷启动捕获灵敏度为-148 dBm; 支持精确秒脉冲输出, 脉冲上升沿与UTC时间对齐; 连续运行时工作电流小于25 mA; 内置天线检测及天线短路保护功能。

A1模块默认输出8种帧数据(可在GNSS_Viewer软件配置模块, 仅输出所需信息), 使用时, 首先通过GNSS_Viewer软件对北斗定位模块进行初始化配置。

1.4 GPRS通讯单元

图2中, 微处理器MSP430F5438A的P56外接GPRS通信模块A2串口的RX端, P57外接A2串口的TX端, 通过AT指令初始化GPRS模块(设置串口参数、传输模式等), 使之连接在GPRS网络上, 并获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址, 与监测中心建立连接, 由此建立位置信息与水质监测数据的收发通道并接收控制指令。模块A2型号为WH-LTE-7S4 V2, 以“透传”作为功能核心, 用户只需通过简单的设置, 即可实现串口到网络的双向数据透明传输, 具有高速率、低延时、通信灵活的特点。其中, UDC模式特有的自定义注册包、心跳包功能, 使得其更加适合于工业排污督察管理终端的设计: (1) 注册包功能。服务器可识别数据来源设备(有利于在面对众多工厂监测数据的采集时的区分), 或作为获取服务器功能授权的密码(有利于对监测数据的保护); (2) 心跳包功能。在保证模块连接正常的同时, 可让服务器通过心跳包知晓GPRS模块的在线情况(使得通信更加灵活)[8]。GPRS模块传输过程如图3所示。

图3 GPRS模块UDC模式传输过程

2 终端软件

2.1 主程序

根据I/O口外接模块的工作需求, 对应配置I/O口工作模式, 并完成对定时器初始值的配置、串口通信速率的配置、时序延迟等实现初始化。工业排污督察管理终端软件主要完成网络连接、测试网络连接状态、响应监测中心发来的中断请求、采集水质监测数据和位置信息并打包发送等功能。为了降低功耗, 微处理器采用低功耗方式工作, 仅保留GPRS通讯模块, 当串口有中断请求时, 可唤醒其他工作模块[9]。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程

2.2 北斗定位单元

北斗定位模块同外部设备的通信接口采用串口(UART)方式, 控制协议为SkyTraq协议, 输出的定位数据以美国国家海洋电子协会(NMEA)的NMEA-0183为协议标准, 通过ASCⅡ码传递, 称之为帧, 帧格式如表1所示[10]。

表1 NMEA-0183帧格式

不同的数据帧头不同, 帧头主要有“$GNGGA(北斗/GPS定位信息)”、“$GNGSA(当前位置信息)”、“$BDGSV(可见北斗卫星信息)”等, 实际编程中只需要运用一种帧数据$GNGGA, 如“$GNGGA, 084815.576, 2318.1133, N, 11319.7210, E, 1, 06, 3.7, 55.1, M, -5.4, M, , 0000*69”, 常用前8位含义为: 北京时间15:48:16.576, 北纬23度18.1133分, 东经113度19.7210分, 非差分定位, 正用于定位的卫星数量为6颗, HOOP水平精确度因子为3.7。NMEA-0183 协议以‘$’开头, 然后固定输出格式, 以回车换行符作为帧尾标识一帧的结束, 可通过数逗号的方法解析帧数据。程序主要解析带定位数据如经纬度、时间等信息的“$GNGGA”帧。北斗定位解析流程如图5所示。

图5 北斗定位解析流程

2.3 GPRS通讯单元

GPRS模块与微处理器串口连接, 微处理器通过串口发送相应AT指令设置GPRS模块的工作模式、服务类型、所连服务器的IP和端口号等内容, 最后重启模块, 保存设置。GPRS模块初始化流程如图 6 所示。

图6 GPRS初始化流程

GPRS模块配置好后, 微处理器通过串口将获取数据传送给GPRS模块, GPRS模块以UDC模式, 借助 GPRS网络向互联网平台发送TCP连接请求并将数据采用TCP协议传送给互联网平台。GPRS通信程序调用函数如下。

Usart_ SendByte( USART_ TypeDef * pUSARTx, uint8_tch);//字节发送函数

Usart_ SendString ( USART_ .TypeDef * pUSARTx, uint8_t*str);//发送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);//发送位置信息

sprintf((char*)TxetBuf1,"{"t":3,"datatype":2,"datas":{"ph":{"%s":%d}},"msgid":001}",TimeStr,(int)PH_DATA_PH);//发送水质监测数据

3 运行与测试

运行测试数据如表2所示。在室外湖泊、排水口等对终端的各项功能进行了动态测试, 模拟工厂的不同排污口位置, 结果表明终端能够完成各项水质参数的测量、采集以及位置信息的获取, 并与监测中心保持通信线路稳定, 数据传输率高, 传感器水质监测数据超过阈值报警灵敏度高。

表2 2020年1月15日11: 29: 48排污口运行测试表

4 结语

为环保监管部门设计制作了一款基于MSP430F5438A和北斗的工业排污督察管理终端, 该终端以MSP430F5438A为核心控制器, 采用北斗定位模块定位排污口位置并借助水质检测单元实时采集pH值、温度、浑浊度、溶解氧、氨氮浓度等信息, 可通过带有注册包和心跳包功能的GPRS通信模块传输数据至监测中心。实际运行表明, 该终端运行稳定。

[1] 刘京, 刘廷良, 刘允, 等. 地表水环境自动监测技术应用与发展趋势[J]. 中国环境监测, 2017, 33(6): 1–9.

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[3] 梁承美. 基于物联网的湖泊水质监测系统的研究[D]. 上海: 华东理工大学, 2014.

[4] 陈龙. 无线传感器网络流域水质自动监测系统的设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

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[6] 李志腾, 郑耿, 孙鹏, 等. MSP430FR单片机的超低功耗设计方法和原则[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2018, 18(8): 17–20.

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[8] 杭州中科微电子有限公司. ATGM332D-5N 系列卫星导航模块用户手册[EB/OL]. http://www.waaax.top.

[9] 济南有人物联网技术有限公司. WH-LTE-7S4V2说明书[EB/OL]. http://h.mokuai.cn.

[10] 齐怀琴, 张松, 王晗. 基于MSP430F5438的超低功耗森林火灾预警系统设计[J]. 测控技术, 2013, 32(1): 28–32.

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[12] 济南有人物联网技术有限公司. WH-LTE-7S4V2软件设计手册[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年度湖南省大学生创新创业训练计划项目(序号2048)。

(责任编校: 刘刚毅)