基于C8051F930的管道溫度壓力遠程監測系統

張亞南，劉潤華，游永智

（中國石油大學 信息與控制工程學院，山東 東營257061）

在油田生產運輸過程中，溫度與壓力是兩個重要參數。在油品管道傳輸過程中由于溫度異常造成的油品凝固、丟油漏油造成的壓力異常等情況需進行及時處理，以免造成重大經濟損失和環境污染。

傳統溫度壓力監測主要使用模擬儀表，依賴人工抄表的方式進行，具有嚴重的滯后性，并需要人工巡視和抄表，工作量大、效率低下、精確度低。

本文設計了一種輸油管道溫度壓力參數無線采集系統，通過微功率無線通信方式組成小規模星形短距離通信網絡[1]，并使用GPRS（通用無線分組業務）進行數據遠程傳輸。利用GPRS網絡遠程傳送數據，不受時間、地點、距離的限制，可以解決分散數據集中處理的問題，且具有覆蓋范圍廣，數據傳輸快，通信質量高，永遠在線和按流量計費等優點[2]。在PC上位機中進行數據存儲與圖形界面顯示，方便對輸油管道溫度壓力參數實時監控，節省人工成本，可以克服傳統監測方式的種種弊端。

1 系統總體設計及工作原理

本系統包含由現場儀表和計量站遠程終端RTU構成的下位機子系統和由中控室PC機構成的上位機子系統。下位機子系統每個遠程終端RTU對應多塊現場儀表，通過433 MHz微功率無線通信方式組成星形通信網絡。上位機子系統通過GPRS與下位機子系統進行通信，實現數據的遠程傳輸、分類存儲、實時顯示、異常報警。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖Fig.1 Overall structure digram of system

本系統中，溫度壓力傳感器輸出信號通過電橋轉化為差壓信號，經調理送入C8051F930處理器進行A/D轉換，通過串口將數據發送到微功率無線通信模塊與RTU進行通信。RTU將接收到的數據通過GPRS直接轉發到上位機，并在上位機中進行數據存儲和實時顯示。

2 系統硬件設計

2.1 現場儀表

現場儀表主要實現現場數據的定時采集、初步處理，并及時向RTU無線發送采集到的現場數據。現場儀表安裝在計量站入口輸油管道中，由于不方便安裝供電裝置，因此必須采用電池供電。為保證電池使用壽命，減少更換次數，節省人工和成本，提高運行效率，必須對整個現場儀表進行全面低功耗設計，所選器件均必須滿足低功耗要求。整個現場儀表大部分時間應該處于低功耗休眠狀態，僅在定時喚醒后完成數據采集和相關指令操作，之后再次進入休眠，保證其長時間穩定運行。

C8051F系列單片機是Silicon Labs公司生產的低功耗混合信號片上系統型MCU，精簡指令集結構，大多數指令可以在一個時鐘周期內完成[3]。C8051F930帶有2個UART串口、4 352字節的內部數據RAM和64 KB的Flash程序存儲器[4]。該單片機內置20 MHz低功耗振蕩器，僅需很小偏置電流；典型休眠電流小于50 nA，休眠喚醒時間小于2 μs，較MSP430系列單片機功耗更低[5]。C8051F930內置10位A/D轉換器，外部23路A/D轉換器輸入且具有突發方式的16位自動平均累加器（過采樣技術），可增加的A/D轉換器分辨率同時保證在突發喚醒后迅速正確地采集數據，A/D轉換器允許輸入的最大電壓為2.43 V。故選擇C8051F930作為控制核心。

溫度測量選擇了溫壓一體式傳感器SCB3111，該傳感器使用了濺射薄膜壓力敏感元件，內部使用金屬應變電橋和溫度敏感電阻測量壓力和溫度數據，該傳感器響應速度快、測量精度高，有利于休眠喚醒后及時采集到正確數據，減少工作時間，降低功耗。

傳感器的輸出信號采用高速度高性能的儀用放大器AD623進行信號調理放大，該運放采用差分輸入，特別適用于電橋輸出電路，并且僅通過一個外接電阻即可實現1～1 000的增益調整。放大倍數設定為40倍，故放大系數電阻選擇2.55 kΩ高精度電阻，則傳感器最大輸出后放大的信號可接近2.43 V。數據采集電路原理圖如圖2所示。

在油田現場，遠程終端RTU與現場儀表的距離較近，可使用433 MHz或2.4 GHz的近距離無線通信系統。相對于2.4 GHz的載波頻率，433 MHz無線通信系統的載波波長更長，因此傳輸距離更遠，并且具有一定穿越墻體等障礙的能力，適用范圍廣。選用433 MHz的基于CC1100的SM41B型微功率無線通信模塊，該模塊在休眠狀態時電流小于25 μA，在3 V電壓條件下最大發送電流小于25 mA，滿足低功耗的要求[6]。

圖2 數據采集電路原理圖Fig.2 Principle diagram of data acquisition circuit

為更大程度地降低功耗，現場儀表使用可關閉電源器件MAX619供電。該器件輸入電壓為2～3.6 V，輸出為5 V，且輸出可關閉。因此休眠時直接關閉MAX619電壓輸出，切斷電橋和運放電源，將功耗降到最低。現場儀表的硬件設計結構如圖3所示。

圖3 現場儀表硬件設計結構圖Fig.3 Structure diagram of field instrument hardware design

2.2 遠程終端RTU的硬件設計

遠程終端RTU位于計量站中，協調多個現場儀表的工作，收集現場儀表所采集的數據轉發到中控室上位機系統，同時接收上位機指令并回傳給現場儀表。RTU與現場儀表進行一對多通信，并隨時準備接收上位機指令，不可進行休眠操作，故選擇計量站中電源供電。RTU與上位機通信使用Q2406A型號GPRS模塊，利用GPRS服務，設備可采用互聯網Internet標準方式與互聯網上的服務器進行數據交換[7]，結構圖如圖4所示。

圖4 遠程終端RTU硬件設計結構圖Fig.4 Structure diagram of RTU hardware design

3 系統軟件設計

3.1 現場儀表的軟件設計

本設計采用低功耗軟件設計方法，優化系統時鐘，外部接32 768 Hz晶振作為MCU休眠輔助時鐘；優化工作時序，由于無線通信模塊SM41B待機時功耗遠大于C8051F930正常工作功耗，所以采用非通信狀態下隨時關閉SM41B的方式來最大限度降低功耗[8]。現場儀表的軟件流程如圖5所示。

圖5 現場儀表軟件流程圖Fig.5 Flow chart of field instrument software

現場儀表在上電之后對系統進行初始化，并檢測是否第1次使用，若為第1次使用，便請求遠程終端RTU分配地址，待地址分配結束之后進入正常工作流程。在儀表定時喚醒后，檢查信道是否繁忙，若繁忙則休眠一個隨機時間，若不繁忙，則通知RTU準備接收數據。在一定時間內得到RTU應答信號后開始采集數據，經打包處理后發送給RTU，發送結束得到RTU應答后進入休眠狀態，等待定時喚醒。由于MCU僅帶有10位A/D轉換器，則采用過采樣技術，將每4次采集的數據進行疊加，產生與12位A/D轉換器數據采集相同效果。為防止休眠喚醒時電壓不穩定造成數據采集誤差，連續100次A/D轉換采集數據取其平均。

3.2 遠程終端RTU的軟件設計

遠程終端RTU程序開始運行后首先進行系統的初始化，之后等待接收上位機指令和現場儀表的請求。在接收到上位機指令后，對指令類型進行判斷并向現場節點轉發。在接到現場儀表的請求后判斷請求類型并做響應，現場儀表第1次使用時為其分配地址；現場儀表請求發送數據時響應其請求并接收其采集數據，之后將數據打包轉發到上位機。遠程終端RTU的程序流程如圖6所示。

圖6 遠程終端RTU軟件流程Fig.6 Flow chart of RTU software

3.3 上位機的軟件設計

上位機軟件開發使用Delphi7環境。上位機與GPRS模塊通過網絡端口連接，在Delphi7環境中，通過SocketClient控件實現網絡訪問和數據傳輸。在接收到GPRS中數據之后，對數據格式進行校驗，若有誤碼則將數據包丟棄；校驗正確后判斷所采集數據是否異常，出現異常則報警處理，之后存儲至SQLServer2000數據庫中并在圖形界面中繪圖顯示。在歷史數據查詢過程中，首先選擇查詢方式（按時間查詢、按現場儀表地址查詢或組合查詢）和查詢條件，在數據庫中篩選出符合條件的結果在DBGrid控件中顯示。可將查詢結果以Excel文件形式保存或者繪制歷史曲線。上位機軟件流程如圖7所示。

圖7 上位機軟件流程Fig.7 Flow chart of host computer software

4 系統性能測試

4.1 AD623增益電阻選型測試

當AD623增益電阻選擇996 Ω時，理論放大倍數為101.4，測試數據如表1所示。當AD623增益電阻選擇2.541 kΩ時，理論放大倍數為40.35，測試數據如表2所示。

由測試數據可見，放大倍數越大，實際放大倍數與理論放大倍數差距越大，穩定性也不好，因此綜合考慮采用2.55 kΩ電阻，放大40倍，以達到最佳放大效果。

表1 A/D轉換器增益電阻選型測試（996 Ω）Tab.1 ADC gain resistor selection test（996Ω）

表2 A/D轉換器增益電阻選型測試（2.541 kΩ）Tab.2 ADC gain resistor selection test（2.541kΩ）

4.2 通信可靠性測試

本系統設定每分鐘采集一次數據，測試時間為24 h，測試對象為5塊儀表，測試電源為3.6 V/1 200 mAh小型高能電池，具體測試結果如表3所示。

表3 通信系統可靠性測試Tab.3 Reliability test of communication system

經實際測試，433 MHz無線網絡隔墻通信24 h之內漏碼率不足1%，且漏收數據時間不連續，基本可反映現場實時情況，滿足可靠性和實時性要求。

4.3 功耗測試

整塊現場儀表在正常工作時，電流小于25 mA。設定每分鐘采集一次數據，每次工作時間小于300 ms；休眠時整機電流小于50 μA，休眠時間為59.7 s。若采用1 200 mAh小型高能電池，理論工作時間可達6 867 h。經實際測試，正常工作時間超過5個月，滿足低功耗設計要求。

5 結束語

本系統首先采用了C8051F930超低功耗混合信號片上系統型MCU，利用過采樣技術使10位A/D轉換器達到12位的采樣精度。對現場儀表進行全面低功耗設計，采用各種低功耗芯片和低功耗供電模式，使電池在儀表中能工作更長時間，減少更換次數。采用433 MHz無線通信系統和GPRS網絡相結合的無線通信方式，最大限度降低通信成本；優化組網方案，可方便地將現場儀表和遠程終端RTU接入數據采集網絡，方便統一管理，減少人力成本。現場儀表在休眠期間無法接收上位機指令，上位機指令可暫存于遠程終端RTU中，待現場儀表定時喚醒后即可給其傳輸上位機指令，造成上位機指令執行有所延遲，但并不影響整體數據采集，在后續的工作中將致力于解決此問題。本系統使用的過采樣技術對提高數據采集精度有一定的參考價值；組網方案對于小規模的無線通信系統組網具有一定的應用價值。

基于C8051F930的超低功耗輸油管道溫度壓力無線監測系統，以低功耗單片機C8051F930為控制核心，以433 MHz無線通信系統和GPRS網絡作為數據傳輸方式，實現了對輸油管道溫度壓力參數的遠程采集、無線傳輸、實時監控等功能。本系統價格低廉、組網方便、無需人工干預、使用壽命長，可廣泛應用于各大油田計量站的監測。

[1]唐章勛，申敏.基于RF的短程無線通信系統設計[J].通信技術，2007，40（8）:62-63.TANG Zhang-xun，SHEN Min.Design of short distance radio communication based on RF IC[J].Communications Technology，2007，40（8）:62-63.

[2]楊贊偉，陽春華.基于GPRS的配電變壓器監測系統[J].自動化與儀表，2009（4）:22-25.YANG Zan-wei，YANG Chun-hua.Application of GPRS in monitoring system of distribution transformer[J].Automation&Instrumentation， 2009（4）:22-25.

[3]鮑可進.C8051F微控制器原理及應用[M].北京:中國電力出版社，2006.

[4]朱銀波，趙國豪，喬渠，等.基于C8051F930單片機的無線通信接口設計[J].科技信息，2009（31）:447-448.ZHU Yin-bo， ZHAO Guo-hao，QIAO Qu， et al.Wireless communicating interface design based on C8051F930[J].Science&Technology Information，2009（31）:447-448.

[5]郝妍娜，洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗遠距離無線傳輸系統[J].電子技術應用，2007（8）:68-72.HAO Yan-na，HONG Zhi-liang.A low-power long-range wireless data transmission platform based on MCU and nRF905 chip[J].Application of Integrated Circuits，2007（8）:68-72.

[6]黃璞，王宇紅.基于C8051F021的嵌入式遠程液位監控系統[J].自動化儀表，2009，30（2）:68-69.HUANG Pu，WANG Yu-hong.The embedded remote level monitoring system based on C8051F021 [J].Process Automation Instrumentation，2009，30（2）:68-69.

[7]楊梅，李康，孔凡敏，等.采用GPRS通信的配電網無功功率自動測控系統[J].自動化儀表，2009，30（11）:29-32.YANG Mei， LI Kang， KONG Fan-min， et al.GPRS-based automatic measurement and control system for reactive power of distribution network[J].Process Automation Instrumentation，2009， 30（11）:29-32.

[8]王鐵流，錢莉.基于ZigBee的礦井防爆監測系統的研究[J].自動化與儀表，2009（4）:26-29.WANG Tie-liu，QIAN Li.Study on mine monitoring system based on ZigBee[J].Automation&Instrumentation，2009（4）:26-29.