基于GPS、GSM和單片機(jī)的儲(chǔ)罐顯示儀*

［劉娜］

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基于GPS、GSM和單片機(jī)的儲(chǔ)罐顯示儀*

［劉娜］

摘要

儲(chǔ)罐液位的精確計(jì)量對(duì)生產(chǎn)廠(chǎng)庫(kù)存管理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大,但是國(guó)內(nèi)許多大型儲(chǔ)罐的液位計(jì)量采用人工方法,有很多弊端。為了能夠做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)，避免安全事故，為生產(chǎn)管理和決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，要求儲(chǔ)罐液位檢測(cè)顯示儀趨向于微型化、智能化，因此文章介紹一種用MSP430單片機(jī)制作的儲(chǔ)罐顯示儀。用顯示儀取代液位計(jì)及壓力表，文章給出了硬軟件設(shè)計(jì)方案。顯示儀通過(guò)GPS精確定位儲(chǔ)罐，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐顯示儀的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸和檢測(cè)，真正實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)化管理。經(jīng)過(guò)理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該顯示儀測(cè)量精度高，安全可靠，超低功耗。同時(shí)方便現(xiàn)場(chǎng)操作和安裝維護(hù)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，是比較好的儲(chǔ)罐液位測(cè)量解決方案。

關(guān)鍵詞：GSM GPS 儲(chǔ)罐 MSP430單片機(jī)

劉娜

女，碩士學(xué)位，副教授，遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，從事計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、嵌入式技術(shù)研究及教學(xué)。

隨著單片機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的興起與發(fā)展，儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)正在向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方面加速發(fā)展。在基于體積的儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)中，存量測(cè)量經(jīng)由液位和溫度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)；在基于質(zhì)量的儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)中，存量測(cè)量采用液體的液柱靜壓的測(cè)量取得。在計(jì)量時(shí)，無(wú)論采用什么方法，測(cè)量?jī)x表的可靠性和精確性非常重要。由于儀表的智能化需要，用數(shù)顯儀表取代液位計(jì)及壓力表，對(duì)儲(chǔ)罐實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理、自動(dòng)化管理；數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸成為必然趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)在企業(yè)的多次工程實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的新型儲(chǔ)罐顯示儀（以下簡(jiǎn)稱(chēng)顯示儀）系統(tǒng)，在儲(chǔ)罐計(jì)量領(lǐng)域達(dá)到了一個(gè)較高水平。該顯示儀可以滿(mǎn)足企業(yè)在儲(chǔ)罐區(qū)對(duì)效率，安全和精確性日益增長(zhǎng)的需求[1][2]。

1　顯示儀的硬件及關(guān)鍵模塊

現(xiàn)存許多罐區(qū)的測(cè)量系統(tǒng)仍是基于舊的測(cè)量技術(shù)，這導(dǎo)致了罐區(qū)的測(cè)量精度低、監(jiān)控和維護(hù)問(wèn)題等不如人意。本文設(shè)計(jì)的顯示儀能通過(guò)GPS模塊準(zhǔn)確定位儲(chǔ)罐；顯示儀采集儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)，再通過(guò)公網(wǎng)GPRS將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳到控制室或與顯示儀配套的手持機(jī)；手持機(jī)是內(nèi)置熱敏打印、條碼掃描、GPRS等功能的移動(dòng)終端。顯示儀采用IP54等級(jí)進(jìn)行密封，能夠承受多次從1.2米掉落到水泥表面；應(yīng)于在各類(lèi)苛刻環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、信息處理；可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程了解介質(zhì)填充并完成結(jié)算[3][4]。顯示儀系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖1。

圖1　顯示儀系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖1可看出，顯示儀是系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。本文設(shè)計(jì)的顯示儀達(dá)到以下功能：

（1）顯示不同介質(zhì)：液氧、氮、氬、二氧化碳、LNG等；

（2）顯示介質(zhì)讀數(shù)：重量(Kg)、氣相體積(NM3)、液相體積(L)、百分比(％)；

（3）實(shí)時(shí)解決計(jì)量問(wèn)題，重量測(cè)量精度為±1％以?xún)?nèi)，容積計(jì)算精度0.1％，壓力測(cè)量精度±0.05％，帶補(bǔ)償計(jì)算數(shù)學(xué)模型；

（4）顯示壓力讀數(shù):MPa、Psi、Bar，隨時(shí)可知壓力，從而保證安全；

采用低功耗的高精度重量傳感器和大量程壓力傳感器；

（5）128*64點(diǎn)陣的圖形液晶顯示器，薄膜按鍵零點(diǎn)修正功能，量程按鍵修改功能；

（6）殼體高度防水，防護(hù)等級(jí)IP65；

（7）采用GSM卡，通過(guò)流量方式與主網(wǎng)服務(wù)器連接，全透明數(shù)據(jù)上傳；

（8）GPS模塊定位精度達(dá)到3m以?xún)?nèi)；

（9）電池供電和交流電源供電雙模式可選，電池工作壽命在300天以上；

（10）后臺(tái)服務(wù)器實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理；

1.1顯示儀硬件系統(tǒng)組成

顯示儀硬件以TI公司的MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)MSP430F2272為核心，顯示屏使用深圳力先電子有限公司的128*64點(diǎn)陣液晶模塊LX12864D，傳感器使用廈門(mén)海芯科技生產(chǎn)的模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器

HX710C采集重量和壓力數(shù)據(jù)。定位使用微科電子（香港）有限公司生產(chǎn)的GPS模塊VK1612H2M3，使用深圳市普眾通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GSM模塊SIM900A通過(guò)GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳[5]。顯示硬件原理圖如圖2。

鍵盤(pán)部分，P1.3為SET鍵；P1.2為測(cè)試鍵/下移鍵；參數(shù)設(shè)置時(shí)使用；P1.1為移位鍵；P1.0為增加/查詢(xún)鍵。

數(shù)據(jù)采集部分包括重量、壓力、電池電壓等三個(gè)數(shù)據(jù)；P2.1為數(shù)據(jù)采集電源控制端；P2.0為電池電壓采集；P2.4為基準(zhǔn)電壓；P3.0和P3.1為稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)和壓力數(shù)據(jù)的檢測(cè)控制。

顯示部分，P3.7為液晶電源開(kāi)關(guān)；P1.4為液晶屏SDA；P1.5為液晶屏CLK；P1.6為液晶屏RS；P1.7為液晶屏CS。

GSM/GPS數(shù)據(jù)采集，P3.6為GPS電源控制開(kāi)關(guān)；P4.6為GSM電源控制開(kāi)關(guān)；P4.7為GSM電源指示，P3.4為T(mén)XD，P3.5為RXD。

圖2　顯示儀硬件原理圖

1.2顯示儀硬件關(guān)鍵模塊MSP430F2272

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司(TI)推出的16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、集成度高、開(kāi)發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)。MSP430F2272的供電電壓只需1.8V～3.6V，其中2.2V/1MHz時(shí)的電流只有270μA。系統(tǒng)內(nèi)部可提供或外接高達(dá)16MHz的時(shí)鐘信號(hào)，指令周期只有62.5ns，也可使用內(nèi)部數(shù)字振蕩器(DCO)或外接32768Hz低速晶體，用戶(hù)可靈活平衡高性能和低功耗的選擇。片上集成了10-bit200kbps的A/D轉(zhuǎn)換器且含有具有捕獲比較奇存器的16位定時(shí)器TimerA、TimerB，4個(gè)8位并行復(fù)用端口，其中P1，P2口有中斷能力。擁有32kB+256B Flash Memory，1kB RAM，一個(gè)串行口，支持JTAG在線(xiàn)編程和仿真調(diào)試[6]。

1.3顯示模塊LX12864D

深圳力先電子有限公司生產(chǎn)的液晶模塊LX12864D 是128X64點(diǎn)陣的漢字圖形，由于小巧輕便、使用方便、顯示清晰，廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)交流面板。此款可以顯示128列*64行點(diǎn)陣單色圖片，或顯示8個(gè)/行*4行16*16點(diǎn)陣的漢字，或顯示16個(gè)/行*8行8*8點(diǎn)陣的漢字，英文、數(shù)字、符號(hào)。輸入指令強(qiáng)，可組合成各種輸入、顯示、位移方式以滿(mǎn)足不同的要求。功耗低，使用壽命長(zhǎng)達(dá)50000小時(shí)（25℃）?？蓮V泛應(yīng)用于各種儀器儀表、考勤系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)等[7]。

模塊有8位并行或串行方式連接MCU。本文使用串行方式連接。

1.4顯示儀GPS模塊VK1612H2M3

深圳市微科通訊設(shè)備有限公司生產(chǎn)的GPS模塊VK1612A9M3，是一個(gè)完整的衛(wèi)星定位接收設(shè)備，具備全方位功能，能滿(mǎn)足專(zhuān)業(yè)定位的嚴(yán)格要求。體積小巧，可以安裝每個(gè)儲(chǔ)罐的顯示儀上。該產(chǎn)品采用了新一代中科微公司的ATGS01低功耗芯片，超高靈敏度，在城市峽谷、高架下等信號(hào)弱的地方，都能快速、準(zhǔn)確的衛(wèi)星定位?？蓮V泛應(yīng)用開(kāi)發(fā)多種GPS終端產(chǎn)品，對(duì)終端產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)控以及其他衛(wèi)星定位應(yīng)用等。該模塊具有重新啟動(dòng)、定位模式切換、波特率設(shè)置、語(yǔ)句輸出更新速率設(shè)置等功能，可通過(guò)上位機(jī)給模塊發(fā)送相應(yīng)的控制指令，即可啟動(dòng)相應(yīng)的功能。通過(guò)GPS技術(shù)，可快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)確定儲(chǔ)罐的空間位置，便于各種災(zāi)害事故的預(yù)測(cè)預(yù)警[8]。

1.5顯示儀GSM模塊SIM900A

顯示儀的通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產(chǎn)品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊。完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性?xún)r(jià)比高，并且能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的多種需求。在實(shí)現(xiàn)斷線(xiàn)自動(dòng)重連功能時(shí)，涉及到DCD、RI兩個(gè)引腳的使用。DCD引腳用來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)模塊掉線(xiàn)時(shí)，會(huì)給DCD引腳一個(gè)高電平，當(dāng)這個(gè)電平被DCD引腳檢測(cè)到之后，模塊就是采取相應(yīng)的動(dòng)作，來(lái)重新連接上線(xiàn)。RI引腳在模塊上線(xiàn)之后，就一直保持高電平，在有電話(huà)和短信進(jìn)來(lái)的時(shí)候，RI管腳就會(huì)有一個(gè)低電平出現(xiàn)，當(dāng)RI引腳檢測(cè)到這個(gè)低電平的時(shí)候，模塊就會(huì)采取相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)入到短信或者電話(huà)模式[9]。

使用GSM卡，通過(guò)流量方式與主網(wǎng)服務(wù)器連接，使用GSM的GPRS網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)全透明上傳。

只有在用戶(hù)設(shè)置的條件下，如％變化值為設(shè)定值，2％ 或3％等，才發(fā)送GSM數(shù)據(jù)。格式為：

ID+容積+介質(zhì)+重量+壓力+％+電壓+GPS值+經(jīng)度+緯度

1.6顯示儀硬件關(guān)鍵模塊HX710C

顯示儀通過(guò)HX710C采集以下參數(shù)：A、重量采集（稱(chēng)重1－稱(chēng)重4）B、壓力采集C、電池電壓檢測(cè)，根據(jù)采集結(jié)果，顯示儀判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

HX710C海芯科技（廈門(mén)）有限公司生產(chǎn)的高精度的24 位A/D 轉(zhuǎn)換器芯片。與同類(lèi)型其它芯片相比，該芯片具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。

輸入低噪聲放大器的增益為128，當(dāng)參考電壓VREF 為5V 時(shí)，對(duì)應(yīng)的滿(mǎn)額度差分輸入信號(hào)幅值為±20mV。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器不需要任何外接器件。HX710C片內(nèi)的傳感器電源開(kāi)關(guān)可用于直接關(guān)斷傳感器電源，降低整機(jī)系統(tǒng)功耗[10]。

所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。MCU只需要2個(gè)I/O口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC的所有控制，包括斷電控制。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡(jiǎn)化了開(kāi)機(jī)的初始化過(guò)程。

2　顯示儀總體工作過(guò)程

顯示儀有7種狀態(tài)，開(kāi)始狀態(tài)，參數(shù)顯示狀態(tài)，睡眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，GPS檢查狀態(tài)，GSM發(fā)送狀態(tài)，設(shè)置參數(shù)狀態(tài)。

開(kāi)始狀態(tài)，顯示儀開(kāi)始上電，檢測(cè)下列開(kāi)關(guān)狀態(tài)：數(shù)據(jù)采集電源開(kāi)關(guān)；GPS電源控制開(kāi)關(guān)；GSM電源控制開(kāi)關(guān)；液晶電源開(kāi)關(guān)；GSM電源指示是否打開(kāi)，如果沒(méi)有打開(kāi)，報(bào)警提示。

參數(shù)顯示狀態(tài)，無(wú)警報(bào)進(jìn)行正常顯示，產(chǎn)品型號(hào)，版本號(hào)和廠(chǎng)家名稱(chēng)。顯示5S后，開(kāi)始顯示現(xiàn)場(chǎng)采集的參數(shù)，如表1。

表1　顯示參數(shù)值

以上參數(shù)有6個(gè)，顯示前兩列，在設(shè)定的顯示時(shí)間后，關(guān)閉顯示，進(jìn)入睡眠狀態(tài)。其中各字母含義如下：L容積，KG重量，KP壓力，％剩余量，V電池電壓，T檢測(cè)時(shí)間。

睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)計(jì)時(shí)工作，其余停止。在睡眠狀態(tài)時(shí)，如果數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)間到后，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。按增加/查詢(xún)鍵，再次顯示。

數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，采集重量、壓力、電池電壓檢測(cè)，此時(shí)屏幕不顯示；但是根據(jù)采集結(jié)果計(jì)算，判斷是否發(fā)送數(shù)據(jù)。

GPS檢測(cè)狀態(tài)，在如下情況才檢測(cè)位置：

A、更換電池時(shí)，也就是重新上電時(shí)檢測(cè)；

B、％增加時(shí)檢測(cè)。顯示儀將獲得的GPS的經(jīng)緯度與原有保存的數(shù)據(jù)比較，如果相同，GSM發(fā)送時(shí)，不發(fā)送經(jīng)緯度。否則GSM發(fā)送時(shí)，發(fā)送經(jīng)緯度。

GSM發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)％變化為設(shè)定值，如2％或3％等，GSM才發(fā)送數(shù)據(jù)。

設(shè)置參數(shù)狀態(tài)，在參數(shù)顯示，睡眠狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集等狀態(tài)下，如果按下SET設(shè)置鍵，進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)。

在設(shè)置狀態(tài)下：屏幕始終開(kāi)啟，數(shù)據(jù)采集電源關(guān)閉，只有在需要時(shí)開(kāi)啟；GPS關(guān)閉，GSM關(guān)閉；當(dāng)用戶(hù)設(shè)置完參數(shù)，按設(shè)置鍵，參數(shù)自動(dòng)保存，退出參數(shù)設(shè)置狀態(tài)，返回參數(shù)顯示狀態(tài)；一段時(shí)間5S無(wú)操作，自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，開(kāi)始循環(huán)工作。

3　顯示儀軟件設(shè)計(jì)

顯示儀程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用了MSP430的IAR Embedded Workbench工具和調(diào)試器C－SPY進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用C 語(yǔ)言編程。

IAR Embedded Workbench 被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成能適合常用的軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的組織方式。若設(shè)計(jì)者需要開(kāi)發(fā)適合于不同版本目標(biāo)硬件的應(yīng)用程序的相應(yīng)版本，而這些相應(yīng)版本的應(yīng)用程序又有相同的部分源文件，那么使用項(xiàng)目管理方式就很方便。設(shè)計(jì)者只需要維護(hù)唯一的副本，就可以對(duì)應(yīng)用程序的每一個(gè)版本進(jìn)行改進(jìn)。C語(yǔ)言進(jìn)行編程簡(jiǎn)單，便于移植[11]。

軟件程序主要包括：MSP430主程序模塊，中斷方式子程序模塊：定時(shí)器計(jì)時(shí)程序，GSM無(wú)線(xiàn)傳輸程序，GPS定位程序，鍵盤(pán)參數(shù)設(shè)置程序，看門(mén)中斷程序等。

顯示儀主程序在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集，檢測(cè)儲(chǔ)罐的狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)的變化，包括重量、壓力、GPS位置和電池剩余電量等。

4個(gè)稱(chēng)重傳感器，分別稱(chēng)重，獨(dú)立運(yùn)算，得到的結(jié)果平均計(jì)算，再按照數(shù)學(xué)模型進(jìn)行補(bǔ)償，參數(shù)修正。

當(dāng)這些數(shù)據(jù)明顯變化時(shí)，再啟動(dòng)GSM發(fā)送信息。否則，如果參數(shù)變化不大，則不發(fā)送信息。

用戶(hù)任何時(shí)刻可以通過(guò)四個(gè)按鍵設(shè)置和查詢(xún)相關(guān)參數(shù)；如容積，空載壓力檢測(cè)，壓力修正系數(shù)，空載重量檢測(cè)，重量修正系數(shù)，時(shí)間參數(shù)，GPS、GSM參數(shù)等。最終通過(guò)GSM模塊SIM900A將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。限于篇幅其它中斷程序框圖略。

顯示儀主程序框圖如圖3。

4　結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)罐顯示儀以MS43-F2272單片機(jī)為核心，將GPS技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，符合當(dāng)前智能儀表的主流趨勢(shì)，也符合石油化工、冶金、電力等生產(chǎn)環(huán)境以及企業(yè)智能化儀表聯(lián)網(wǎng)的需求。

圖3　顯示儀主程序框圖

儲(chǔ)罐顯示儀可廣泛應(yīng)用于測(cè)量氣、水、油、酸類(lèi)等多種介質(zhì)的液位及壓力等多項(xiàng)數(shù)據(jù)；可根據(jù)用戶(hù)設(shè)定的壓力、重力、溫度等修正參數(shù)自動(dòng)計(jì)算和修正；并具有GPS儲(chǔ)罐定位，可以保證安全；同時(shí)通過(guò)GMS將多臺(tái)顯示儀聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。顯示儀工作性能穩(wěn)定可靠，體積小，功耗低，測(cè)量及控制準(zhǔn)確靈敏，安裝使用方便。目前已在一家油田企業(yè)中投入使用。

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收稿日期：（2016-02-22）

基金項(xiàng)目：遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016度院級(jí)教研課題（基于電子產(chǎn)品的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)與研究）

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.016