基于MSP430的水质监测系统远端测控单元的实现

摘 要： 针对目前水利信息化行业中，监测仪表功耗比较高、通信不灵活等缺点，提出一种基于MSP430的低功耗水质监测系统远端测控单元的设计方法。通过实验验证，系统运行正常，数据传输正确。
关键词： MSP430；低功耗；数据采集；运端测控单元；GPRS；无线通信

　水作为自然环境的重要资源其污染问题日益严重[1]。而应用于水质监测系统的远端测控单元(RTU)，由于大部分要在野外市电供应不便的地方工作，只能依赖太阳能或者风能通过蓄电池供电，因此对功耗的要求很苛刻[2]。传统的RTU种类繁多，但重点在功能的实现，对功耗的考虑不多且通信的灵活性不够。针对这些问题，本文充分考虑现实条件对功耗的严格要求，用MSP430低功耗单片机作为控制芯片，实现了具有低功耗特点的远端测控单元RTU。
1 系统总体设计
　根据设计要求，该系统采用MSP430低功耗单片机[3]为主控制器，通过芯片自身携带的A/D转换功能进行数据采集，并通过外扩GPRS无线通信模块实现与上位机之间的无线通信。该测控单元可以实现对8路模拟信号量进行采集，将采集到的信号转换成数字量之后存储在存储单元，当需要时，则可以实时采样并可以通过GPRS无线通信模块将数据发送到上位机，对数据进行显示。
　水质监测系统RTU的总体设计框图如图1所示。系统以MSP430F149芯片为核心控制器，数据采集模块、存储/时钟模块、键盘/显示模块和无线通信模块作为主要功能模块。数据采集模块定时采集水质参数的信号并将其转换为数字信号，存储到指定的数据存储器中实现巡测功能。如果上位机需要访问则可从存储器中调出需要的数据进行相应的操作以实现召测功能；存储/时钟模块存储定时采集的数据和记录采样时间；键盘/显示模块用于设置系统参数、发出相应的控制命令和显示系统信息及实时数据；无线通信模块完成对采集到的数据向上位机的无线发送以及接收上位机的控制指令。一般工作模式下，RTU定时采样水质信息。如果上位机要查看实时信息，则可以通过网络发送即时短消息，RTU通过GPRS无线通信模块接收到信息后，立即进行数据采集，并将采集的实时数据进行打包，以短信息的形式发给上位机。

2 系统硬件电路设计
2.1 控制模块设计
　MSP430单片机的超低功耗，主要体现在以下两个方面：(1)MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8 V~3.6 V电压，因而可使其在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流只有200 μA~400 μA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1 μA；(2)独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统(或DCO数字振荡器时钟系统)。有的使用一个晶体振荡器(32.768 kHz)，有的使用两个晶体振荡器。由时钟系统产生CPU以及各功能所需的时钟，并且这些时钟可以在指令的控制下打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同(即采用不同的工作模式)，芯片的功耗也有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在等待方式下，耗电为0.7 μA；在节电方式下，最低可达0.1 μA。因此本设计采用MSP430作为总控制器。系统主控电路如图2所示。