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多路信号采集无线传输系统开发

添加时间:2019/08/09
本系统针对供水厂管网压力监测点设计的数据采集与无线传输系统采用 GSM 全球移动通信系统为传输载体,利用超低功耗的单片机作为系统核心控制模块,较使用数传电台作为传输方式和利用 PLC 作为控制单元的传统管网压力监测点有以下优点。
  以下为本篇论文正文:

摘 要

  无线监控终端仪表具有广泛的应用前景,在各种行业中都占有重要的位置,越来越多的领域应用到以单片机为控制核心,用液晶显示作为显示终端的数字化控制设备,通过单片机对被控对象进行智能处理。

  本设计是从降低开发成本、扩大适用范围、提高系统运行的稳定性和可靠性的设计目的出发,采用 MSP430F149 单片机为控制核心进行信号的采集,并显示在 LCD 液晶屏上,最终实现数据的采集、显示和 GSM(Global System for Mobile Communications)无线通信。本文重点阐述了系统的硬件构成和软件程序的设计过程。其中硬件构成有电源及复位模块、采集模块、显示模块,无线模块等。

  MSP430F149 是一种 16 位内含 FLASH 型芯片的单片机,具有高速运算、开发设备简便、可现场编程等特点,这给控制系统的设计带来了极大的便利性。各个模块的电路原理图与 PCB 图由 Protel 软件来设计完成。

  经过调试的结果表明该设计方案可行,能够实现供水网管压力检测采集和无线传输功能。

  关键词:单片机;信号采集;GSM;无线传输

Abstract

  The wireless monitoring terminal instrument has widespread application prospects, and plays an important role in a variety of industries. More and more science fields, which are with micro controller unit as control core and with LCD as the display of digital control terminal equipment, give intelligent processing to the controlled projects through micro controller unit.

  The design is aim at reducing the cost of development, expanding the scope of application and improving the systems’ stability and reliability. Using MSP430F149 micro controller as control core, collecting the signals, displaying in the LCD, and it finally achieves the goal of data acquisition, display and GSM wireless communication. And this paper focuses on the process of system's hardware structuring, which consists of power and reset module, data acquisition module, display module, and wireless module, and the process of software programming.

  MSP430F149 are microcontroller configurations with a powerful 16-bit risc CPU and 60KB+256B Flash Memory. It has the characteristics of high speed operation, simple development tool, field programmable, etc. These characteristics bring great convenience to the design of controlling system. The circuit principle diagram and PCB diagram of each module are designed by Protel.

  Test results show that the design scheme is feasible. It can achieve the function of water supply network pressure collection and wireless transmission.

  keywords: MCU; signal acqusition; GSM; wireless transmission

 

  我国经济高速发展带动城市急剧扩张和变化,相应的基础供水设施也要求同步配套建设和高效应用。自来水公司过往盲目的管网规划和粗放的给水调度方式造成供水水压高低不均和水质参差等不良影响,已不适应当今供水系统发展的需要。为应对发展需要,很多自来水公司希望通过建立切合自身实际的管网水力模型和管网压力监测系统,达到合理建设与改造给水管网和科学调度供水,最终提高服务质量,并降低降耗等目的。而切合应用实际的水力模型的建设和管网监测系统需要众多的基础数据支持,其中的管网压力数据为其中的关键数据之一。这要求自来水公司在其管网上,特别在管网的关键节点上设置压力监测点。通常管网压力监测点的安装范围广、安装环境复杂,对压力监测点的压力数据采集和传输系统有较高要求。

  上世纪 80 年代,政府加大对电信行业投入,并实行市场化发展。至今通信网络,特别是无线通信网络无论从覆盖范围到应用范围都有飞跃性扩展,且通信资费亦大大降低。利用无线公用网络覆盖范围广、传输相对稳定的特点,管网压力监测点能摆脱传输线缆束缚大范围检测给水管网压力。

  本课题设计的多路信号采集与无线传输系统针对供水公司要求,结合现有成熟技术,在成本控制前提下解决压力采集和传输问题。

  70 年代,我国主要采用人工方式进行数据采集。供水公司在要管网加压站、压力控制点安排专人二十四小时值班。供水厂通过电话与值班员联系获得相应数据,并通过经验调节供水长出厂水量。

  80 年代,一些科研单位和院校研制供水调度实时采集控制系统,或称为三遥系统(遥测、要控、遥讯系统)。其数据采集系统采用 CMOS 集成电路,以数传电台作数据传输。由于系统结构复杂,致使故障率高,维护维修频繁。

  90 年代,微型计算机技术得到长足发展。微机、单片机、PLC 应用于管网压力等数据采集。由于微机、单片机、PLC 较集成电路芯片控制器更稳定,环境适应性更强,且使用软件代替硬件接线以实现控制逻辑,使采集系统可性大大提高。但由于受到无线通讯局限,压力监测点仍多采用数传电台作为通信方式。受无线信道资源、系统功耗、运营费用限制,使系统无法大量推广使用[1]。

  番禺水务股份有限公司前身是建于 1958 年的市桥水厂,经过多年的发展,现供水管网总长 860 多公里,服务人口超过 100 万。尤其该公司近年来受广州亚运建设的带动和广州南拓政策的影响,业务急剧发展,对切合自身实际的给水管网水力模型和压力监测系统的需求日益增加。现该公司已初步建成管网地理信息系统及三遥系统。为更好发挥系统指导管网建设、生产调度的作用,计划增加管网压力监测点反映管网实时压力变化。本人以管网压力监测点实际安装环境和作用为依据,设计并试制了一个基于 GSM无线通信的信号采集终端,包含硬件模块连接和周边电路设计与制作,软件编写与调试。

多路信号采集无线传输系统开发:

管理协议图
管理协议图

 LCD 模块显示界面效果图
 LCD 模块显示界面效果图

LCD 驱动器 HT1621 与 LCD 连接图
LCD 驱动器 HT1621 与 LCD 连接图

链接示意图
链接示意图

模拟量采集电路
模拟量采集电路

RS485 通信接口电路
RS485 通信接口电路

GTM900 与 MSP430 连接图
GTM900 与 MSP430 连接图

目 录

  摘 要
  Abstract
  第一章 绪论
    1.1 本课题研究背景及意义
    1.2 发展现状
    1.3 课题来源及研究工作
    1.4 课题研究的主要内容
      1.4.1 研究内容
      1.4.2 论文内容安排
  第二章 系统总体设计规划
    2.1 需求分析
    2.2 系统总体规划设计
      2.2.1 核心运算模块选型
      2.2.2 无线数据传输方式选择
  第三章 GSM 全球移动通信系统概述
    3.1 无线通信系统的基本概念
    3.2 蜂窝通信
    3.3 GSM 通信系统介绍
      3.3.1 GSM 系统组成
      3.3.2 GSM 网络结构
      3.3.3 GSM 接口协议
      3.3.4 GSM 业务功能
    3.4 GSM 与 GPRS 的比较
  第四章 系统硬件方案设计
    4.1 监控终端的结构分析
      4.1.1 GSM 模块 GTM900 介绍
    4.2 MCU MSP430F149 系统概述
      4.2.1 MSP430 的特点
    4.3 终端硬件电路的设计与实现
      4.3.1 供电系统电路
      4.3.2 铁电模块电路
      4.3.3 SIM 卡接口部分
      4.3.4 GTM900 连接
      4.3.5 RS485 通信接口
      4.3.6 信号灯部分
      4.3.7 模拟量、开关量采集
      4.3.8 显示器模块
      4.3.9 仿真器接口
  第五章 系统软件设计
    5.1 MSP430 单片机开发环境
      5.1.1 MSP430 系列单片机开发环境
      5.1.2 MSP 系列单片机开发流程
    5.2 终端软件系统模块的分析
    5.3 短消息的定义
      5.3.1 短消息的体系结构
      5.3.2 短消息的发送格式
    5.4 PDU 数据格式及 AT 命令
      5.4.1 PDU 数据格式
      5.4.2 AT 指令使用
    5.5 短信收与发的程序设计
    5.6 显示模块程序的实现
      5.6.1 初始化函数分析
      5.6.2 显示屏工作程序设计
    5.7 铁电程序设计
  第六章 系统联调与分析
    6.1 整机调试主要步骤
    6.2 性能分析
  总结与展望
  参考文献
  附录 A PCB 图
  附录 B 电路原理图
  附录 C 实物图
  附录 D 源代码
  致 谢

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