基于C8051F930的管道温度压力远程监测系统

  在油田生产运输过程中，温度与压力是两个重要参数。在油品管道传输过程中由于温度异常造成的油品凝固、丢油漏油造成的压力异常等情况需进行及时处理，以免造成重大经济损失和环境污染。
    传统温度压力监测主要使用模拟仪表，依赖人工抄表的方式进行，具有严重的滞后性，并需要人工巡视和抄表，工作量大、效率低下、精确度低。
    本文设计了一种输油管道温度压力参数无线采集系统，通过微功率无线通信方式组成小规模星形短距离通信网络，并使用GPRS(通用无线分组业务)进行数据远程传输。利用GPRS网络远程传送数据，不受时间、地点、距离的限制，可以解决分散数据集中处理的问题，且具有覆盖范围广，数据传输快，通信质量高，永远在线和按流量计费等优点。在PC上位机中进行数据存储与图形界面显示，方便对输油管道温度压力参数实时监控，节省人工成本，可以克服传统监测方式的种种弊端。

1 系统总体设计及工作原理
    本系统包含由现场仪表和计量站远程终端RTU构成的下位机子系统和由中控室PC机构成的上位机子系统。下位机子系统每个远程终端RTU对应多块现场仪表，通过433 MHz微功率无线通信方式组成星形通信网络。上位机子系统通过GPRS与下位机子系统进行通信，实现数据的远程传输、分类存储、实时显示、异常报警。系统整体结构如图1所示。

    本系统中，温度压力传感器输出信号通过电桥转化为差压信号，经调理送入C8051F930处理器进行A／D转换，通过串口将数据发送到微功率无线通信模块与RTU进行通信。RTU将接收到的数据通过GPRS直接转发到上位机，并在上位机中进行数据存储和实时显示。

2 系统硬件设计
2．1 现场仪表
    现场仪表主要实现现场数据的定时采集、初步处理，并及时向RTU无线发送采集到的现场数据。现场仪表安装在计量站入口输油管道中，由于不方便安装供电装置，因此必须采用电池供电。为保证电池使用寿命，减少更换次数，节省人工和成本，提高运行效率，必须对整个现场仪表进行全面低功耗设计，所选器件均必须满足低功耗要求。整个现场仪表大部分时间应该处于低功耗休眠状态，仅在定时唤醒后完成数据采集和相关指令操作，之后再次进入休眠，保证其长时间稳定运行。
    C8051F系列单片机是Silicon Labs公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU，精简指令集结构，大多数指令可以在一个时钟周期内完成。C8051F930带有2个UART串口、4 352字节的内部数据RAM和64KB的Flash程序存储器。该单片机内置20 MHz低功耗振荡器，仅需很小偏置电流；典型休眠电流小于50 nA，休眠唤醒时间小于2 μs，较MSP430系列单片机功耗更低。C8051F930内置10位A／D转换器，外部23路A／D转换器输入且具有突发方式的16位自动平均累加器(过采样技术)，可增加的A／D转换器分辨率同时保证在突发唤醒后迅速正确地采集数据，A／D转换器允许输入的最大电压为2．43 V。故选择C8051F930作为控制核心。
    温度测量选择了温压一体式传感器SCB3111。该传感器使用了溅射薄膜压力敏感元件，内部使用金属应变电桥和温度敏感电阻测量压力和温度数据，该传感器响应速度快、测量精度高，有利于休眠唤醒后及时采集到正确数据，减少工作时间，降低功耗。
    传感器的输出信号采用高速度高性能的仪用放大器AD623进行信号调理放大，该运放采用差分输入，特别适用于电桥输出电路，并且仅通过一个外接电阻即可实现1～1 000的增益调整。放大倍数设定为40倍，故放大系数电阻选择2．55 kΩ高精度电阻，则传感器最大输出后放大的信号可接近2．43 V。数据采集电路原理图如图2所示。

    在油田现场，远程终端RTU与现场仪表的距离较近，可使用433 MHz或2．4 GHz的近距离无线通信系统。相对于2.4 GHz的载波频率，433 MHz无线通信系统的载波波长更长，因此传输距离更远，并且具有一定穿越墙体等障碍的能力，适用范围广。选用433MHz的基于CC1100的SM41 B型微功率无线通信模块，该模块在休眠状态时电流小于25μA，在3 V电压条件下最大发送电流小于25 mA，满足低功耗的要求。
    为更大程度地降低功耗，现场仪表使用可关闭电源器件MAX619供电。该器件输入电压为2～3．6 V，输出为5 V，且输出可关闭。因此休眠时直接关闭NAX619电压输出，切断电桥和运放电源，将功耗降到最低。现场仪表的硬件设计结构如图3所示。

2．2 远程终端RTU的硬件设计
    远程终端RTU位于计量站中，协调多个现场仪表的工作，收集现场仪表所采集的数据转发到中控室上位机系统，同时接收上位机指令并回传给现场仪表。RTU与现场仪表进行一对多通信，并随时准备接收上位机指令，不可进行休眠操作，故选择计量站中电源供电。RTU与上位机通信使用Q2406A型号GPRS模块，利用GPRS服务，设备可采用互联网Internet标准方式与互联网上的服务器进行数据交换，结构图如图4所示。

3 系统软件设计
3．1 现场仪表的软件设计
    本设计采用低功耗软件设计方法，优化系统时钟，外部接32 768 Hz晶振作为MCU休眠辅助时钟；优化工作时序，由于无线通信模块SM41B待机时功耗远大于C8051F930正常工作功耗，所以采用非通信状态下随时关闭SM41B的方式来最大限度降低功耗。现场仪表的软件流程如图5所示。

    现场仪表在上电之后对系统进行初始化，并检测是否第1次使用，若为第1次使用，便请求远程终端RTU分配地址，待地址分配结束之后进入正常工作流程。在仪表定时唤醒后，检查信道是否繁忙，若繁忙则休眠一个随机时间，若不繁忙，则通知RTU准备接收数据。在一定时间内得到RTU应答信号后开始采集数据，经打包处理后发送给RTU，发送结束得到RTU应答后进入休眠状态，等待定时唤醒。由于MCU仅带有10位A／D转换器，则采用过采样技术，将每4次采集的数据进行叠加，产生与12位A／D转换器数据采集相同效果。为防止休眠唤醒时电压不稳定造成数据采集误差，连续100次A／D转换采集数据取其平均。
3．2 远程终端RTU的软件设计
    远程终端RTU程序开始运行后首先进行系统的初始化，之后等待接收上位机指令和现场仪表的请求。在接收到上位机指令后，对指令类型进行判断并向现场节点转发。在接到现场仪表的请求后判断请求类型并做响应，现场仪表第1次使用时为其分配地址；现场仪表请求发送数据时响应其请求并接收其采集数据，之后将数据打包转发到上位机。远程终端RTU的程序流程如图6所示。

3．3 上位机的软件设计
    上位机软件开发使用Delphi7环境。上位机与GPRS模块通过网络端口连接，在Delphi7环境中，通过SocketClient控件实现网络访问和数据传输。在接收到GPRS中数据之后，对数据格式进行校验，若有误码则将数据包丢弃；校验正确后判断所采集数据是否异常，出现异常则报警处理，之后存储至SQLServer2000数据库中并在图形界面中绘图显示。在历史数据查询过程中，首先选择查询方式(按时间查询、按现场仪表地址查询或组合查询)和查询条件，在数据库中筛选出符合条件的结果在DBGrid控件中显示。可将查询结果以Excel文件形式保存或者绘制历史曲线。上位机软件流程如图7所示。

4 系统性能测试
4．1 AD623增益电阻选型测试
    当AD623增益电阻选择996 Ω时，理论放大倍数为101．4，测试数据如表1所示。当AD623增益电阻选择2．541 kΩ时，理论放大倍数为40．35，测试数据如表2所示。

    由测试数据可见，放大倍数越大，实际放大倍数与理论放大倍数差距越大，稳定性也不好，因此综合考虑采用2．55 kΩ电阻，放大40倍，以达到最佳放大效果。
4．2 通信可靠性测试
    本系统设定每分钟采集一次数据，测试时间为24 h，测试对象为5块仪表，测试电源为3．6 V／1 200 mAh小型高能电池，具体测试结果如表3所示。

    经实际测试，433 MHz无线网络隔墙通信24 h之内漏码率不足1％，且漏收数据时间不连续，基本可反映现场实时情况，满足可靠性和实时性要求。
4．3 功耗测试
    整块现场仪表在正常工作时，电流小于25 mA。设定每分钟采集一次数据，每次工作时间小于300 ms；休眠时整机电流小于50μA，休眠时间为59．7 s。若采用1 200 mAh小型高能电池，理论工作时间可达6 867 h。经实际测试，正常工作时间超过5个月，满足低功耗设计要求。

5 结束语
    本系统首先采用了C8051F930超低功耗混合信号片上系统型MCU，利用过采样技术使10位A／D转换器达到12位的采样精度。对现场仪表进行全面低功耗设计，采用各种低功耗芯片和低功耗供电模式，使电池在仪表中能工作更长时间，减少更换次数。采用433 MHz无线通信系统和GPRS网络相结合的无线通信方式，最大限度降低通信成本；优化组网方案，可方便地将现场仪表和远程终端RTU接入数据采集网络，方便统一管理，减少人力成本。现场仪表在休眠期间无法接收上位机指令，上位机指令可暂存于远程终端RTU中，待现场仪表定时唤醒后即可给其传输上位机指令，造成上位机指令执行有所延迟，但并不影响整体数据采集，在后续的工作中将致力于解决此问题。本系统使用的过采样技术对提高数据采集精度有一定的参考价值；组网方案对于小规模的无线通信系统组网具有一定的应用价值。
    基于C8051F930的超低功耗输油管道温度压力无线监测系统，以低功耗单片机C8051F930为控制核心，以433 MHz无线通信系统和GPRS网络作为数据传输方式，实现了对输油管道温度压力参数的远程采集、无线传输、实时监控等功能。本系统价格低廉、组网方便、无需人工干预、使用寿命长，可广泛应用于各大油田计量站的监测。