基于ｎＲＦ９０５的低功耗油井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

摘要：本文介紹了一種基于nRF905的低功耗油井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：nRF905無線收發(fā)器；C8051F；低功耗；頻分多址；USB

引言

油田油井?dāng)?shù)量多且分布范圍由幾十至上百平方公里，分布比較零散，一些注水，注汽井現(xiàn)場沒有電源，沒有專人值班。目前大多采用人工巡井方式，由工人定時檢查設(shè)備運(yùn)行情況并記錄采油數(shù)據(jù)。以前使用的儀表操作繁瑣，需要關(guān)閉閥門安裝傳感器，測量完畢后還要卸下傳感器以免丟失，工人勞動強(qiáng)度大，影響設(shè)采油數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)基于nRF905無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場智能變送器由電池供電，功耗低，無需外部供電可持續(xù)工作一年以上。另外變送器經(jīng)過特殊防盜設(shè)計(jì)，無專用工具無法拆下。工人通過手持式數(shù)據(jù)采集器甚至不用停車，在50M范圍內(nèi)就可以接收到變送器的信息并顯示在液晶顯示器上，測量結(jié)束后自動存儲。數(shù)據(jù)超出正常范圍時，會告警提示。管理計(jì)算機(jī)通過手持式數(shù)據(jù)采集器的USB接口讀取存儲的測量數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖示于圖1。

硬件設(shè)計(jì)

智能變送器硬件選擇了支持低功耗工作模式的C8051F350單片機(jī)和nRF905射頻模塊，使用32768Hz的低頻晶振，采用1節(jié)5號鋰電池供電。圖2為智能變送器的框圖。

手持式數(shù)據(jù)采集器硬件選擇了支持低功耗工作模式帶有USB接口的C8051F340單片機(jī)、nRF905射頻模塊、存儲器、實(shí)時時鐘、充電電路等，使用32768Hz的低頻晶振，采用可充電的260mAH鋰電池供電。圖3為手持式數(shù)據(jù)采集器的框圖。

C8051F350是Silabs公司的一款精確混合信號單片機(jī)，片內(nèi)有8通道24bit的E-A型ADC，128倍PGA，電流型DAC，VREF等模擬外設(shè)，可以方便地和溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進(jìn)行激勵，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8KFLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標(biāo)定參數(shù)可以在FLASH中存儲，節(jié)省片外存儲器。

C8051F340是Silabs公司生產(chǎn)的一款帶USB2.0接口的單片機(jī)，支持全速(12Mbps)和低速(1.5Mbps)模式；帶專門的1KByte USB緩沖存儲器；集成USB收發(fā)器，無需外部電阻。64K Flash程序存儲器，4352Byte數(shù)據(jù)RAM；供電電壓2.7～5.25V，可以直接由USB接口供電。處理速度可以達(dá)到48MIPS，能夠滿足手持式數(shù)據(jù)采集器的要求。

nRF905是挪威Nordic VLSI公司的單片射頻收發(fā)器，低電壓工作，功耗非常低，工作于433/868/915MHz三個ISM頻段，在每個頻段內(nèi)支持多個頻道且頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs。利用這個特性使用頻分多址的方法無需復(fù)雜協(xié)議即可實(shí)現(xiàn)多個傳感器共同工作而不互相干擾。ShockBurst工作模式能自動處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))。通過SPI串口與單片機(jī)通信，無需使用功能更強(qiáng)的單片機(jī)；可以簡化軟件設(shè)計(jì)和硬件成本。使用非常方便，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、汽車、遙感勘測等諸多領(lǐng)域。天線的設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要的環(huán)節(jié)，nRF905支持使用PCB環(huán)行差分天線，可以節(jié)省空間，降低生產(chǎn)成本。應(yīng)用原理圖見圖4。

手持式數(shù)據(jù)采集器硬件還包括片外存儲器和實(shí)時時鐘電路，片外存儲器選用Microchip公司的24AA系列，12C接口，最低工作電壓1.8V，待機(jī)電流1μtA。實(shí)時時鐘選用NXP公司的PCF8563T，12C接口，最低工作電壓1.0V，最低工作電流0.25μA。非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用。

手持式數(shù)據(jù)采集采用專用的鋰離子充電管理芯片來對電池進(jìn)行充電管理，在USB接口連接后自動進(jìn)行充電，軟件上添加電池電壓監(jiān)測模塊來避免充電時間過長。

軟件設(shè)計(jì)

軟件是在Keil uVision2下，使用C語言開發(fā)的。C8051F系列有硬件SPI接口，簡化了nRF905的驅(qū)動程序的編寫。nRF905的驅(qū)動程序包括初始化，數(shù)據(jù)包的讀寫，頻道設(shè)置，功率設(shè)置等通用函數(shù)。調(diào)試完成后封裝成函數(shù)庫，供智能變送器和手持式數(shù)據(jù)采集器調(diào)用。

智能變送器軟件

智能變送器的軟件除nRF905的驅(qū)動程序外，還有A/D轉(zhuǎn)換模塊，傳感器標(biāo)定模塊，定時喚醒模塊及主函數(shù)組成。上電后，主函數(shù)高速運(yùn)行，進(jìn)行初始化，A/D采樣，控制nRF905發(fā)送采集數(shù)據(jù)，然后切換到低速節(jié)電模式運(yùn)行，休眠一段時間后喚醒重復(fù)上述過程。工作時間和休眠時間的比值為1:100，平均電流50μA左右，使用2100mAH的電池理論上可以使用4.7年。

手持式數(shù)據(jù)采集器軟件

手持式數(shù)據(jù)采集器的軟件設(shè)計(jì)相對復(fù)雜，除nRF905的驅(qū)動程序外，還要編寫usB驅(qū)動程序，液晶顯示驅(qū)動程序，按鍵驅(qū)動模塊，時鐘模塊，電池電壓檢測模塊、PCA定時模塊，數(shù)據(jù)讀寫模塊，文件系統(tǒng)(數(shù)據(jù)的存儲，壓縮，查找等功能模塊)，命令解釋模塊等供主程序調(diào)用。主程序是一個事件驅(qū)動為主的任務(wù)調(diào)度程序，按照預(yù)先設(shè)定優(yōu)先級來執(zhí)行各模塊。沒有事件發(fā)生時主程序切換到低速節(jié)電模式，除實(shí)時時鐘外關(guān)閉其他的功能模塊，消耗很低的電流直到有外部事件喚醒?？蓡拘阎鞒绦虻耐獠渴录蠻SB接口連接或斷開、按鍵事件、定時器事件等。如果是USB接口連接事件喚醒，單片機(jī)以最高速度運(yùn)行(48MHz)主程序執(zhí)行USB驅(qū)動的初始化及連接任務(wù)，與主機(jī)進(jìn)行連接，根據(jù)主機(jī)發(fā)送的命令來完成預(yù)定的功能。超過規(guī)定時間沒有與主機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，主程序自動進(jìn)入待機(jī)模式。此時只有電池電壓檢測模塊和實(shí)時時鐘模塊工作直到發(fā)生USB斷開事件，此時主程序?qū)⑿遁dUSB驅(qū)動程序，斷開與主機(jī)的連接。

軟件設(shè)計(jì)支持在運(yùn)行中更改nRF905的頻道，以便在一個工作區(qū)域內(nèi)(通訊半徑，50～100M)支持多個智能傳感器共同工作。根據(jù)設(shè)定頻率依次讀取現(xiàn)場智能變送器的測量數(shù)據(jù)并自動存儲。存儲內(nèi)容包括測量時間，變送器序列號，測試數(shù)據(jù)，變送器狀態(tài)等信息。每天的測試數(shù)據(jù)形成一個文件，即可在本機(jī)查詢，也可通過USB接口傳給管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和存儲。

管理計(jì)算機(jī)處理軟件

為了管理采集數(shù)據(jù)，需要在主機(jī)上建立良好的人機(jī)交互界面。采用VisualBasic(VB)來設(shè)計(jì)人機(jī)界面，開發(fā)應(yīng)用程序。將USB驅(qū)動控件和指令封裝在函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對手持式數(shù)據(jù)采集器之間的串口通信。具體包括：初始化并驅(qū)動其開始工作，主動搜索從USB器件，完成鏈接，并將指令執(zhí)行狀態(tài)及搜索到的設(shè)備地址顯示出來?？刂婆c從USB器件的通信，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時刷新數(shù)據(jù)，顯示溫度、濕度、壓力傳感器的測量結(jié)果。利用其他控件實(shí)現(xiàn)對無線智能傳感器數(shù)據(jù)的分析、顯示和操作。

每一臺智能變送器都有一個唯一的序列號，在管理計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中有相應(yīng)變送器的詳細(xì)信息，如變送器類型、生產(chǎn)時間、安裝時間、安裝地點(diǎn)、量程、維修記錄等。提供根據(jù)序列號查詢歷史數(shù)據(jù)，曲線等功能。

每一臺手持式數(shù)據(jù)采集器同樣有一個唯一的序列號，采集器可以讀取多臺智能變送器的測量數(shù)據(jù)，管理者可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)中的變送器序列號和采集時間來考核操作者的工作。

結(jié)語

筆者設(shè)計(jì)的基于nRF905的低功耗油井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有安裝簡單，系統(tǒng)投資少，可擴(kuò)展性強(qiáng)，使用和維護(hù)的費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。大大提高了數(shù)據(jù)采集的效率和可靠性，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)測量的自動化。在有條件的地方還可以結(jié)合其他如GPRS，Internet等技術(shù)實(shí)現(xiàn)無需人員參與的全自動測量。目前該系統(tǒng)在大慶油田的注水井壓力測量、燃?xì)夤艿缐毫y量等多個場所得到了具體的應(yīng)用，系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定。