基于MSP430F149 的冰川參數采集系統*

劉承橋，張耀南，馮克庭，李柏年，楊永如

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所，甘肅 蘭州730000;2.蘭州大學 信息科學與工程學院，甘肅 蘭州730000;3.甘肅省資源環境科學數據工程技術研究中心，甘肅 蘭州730000)

0 引 言

冰川作為生態環境中非常重要的一部分，長期以來是各國科學家們重點研究的對象［1］。采集冰川參數是冰川研究工作的重要組成部分，但是，由于冰川地理環境惡劣(如高寒、缺氧等)，數據采集工作受到了很大的限制，給冰川研究工作帶來了諸多不利影響。近年來，冰川參數的采集逐漸由人工向自動化發展，諸多冰川參數采集系統已經面世。但這些系統由我國自主研發的甚少，并且還存在著諸如自動化程度不高、功耗大等問題，這些因素都給我國的冰川研究工作帶來了諸多不利影響［2］。

本文提出一種精度較高、功耗低、可靠性較高、成本較低的自動冰川參數采集系統，實現了冰川溫度與濕度、冰川地理坐標、雪高度等參數自動測量和存儲，對我國的冰川研究工作有著重要的意義。

1 系統結構

系統主要由三大部分組成:主控制器、數據測量和數據存儲與傳輸。系統的結構如圖1 所示。

系統的主控制器通過電子開關與其他模塊連接，每個開關均由程序控制，相應開關閉合，與其相連接的模塊被供電進入工作狀態。當所有測量工作結束并且數據傳輸完成之后，斷開所有開關，所有外圍模塊停止工作，主控制器進入低功耗模式，整個系統進入休眠狀態，以達到低功耗的目的。系統主要采用低功耗元器件設計而成，進一步降低了系統功耗。

圖1 系統結構框圖Fig 1 Structure block diagram of system

1.1 主控制器

主控制器選用功耗和成本均較低的MSP430F149 單片機。MSP430F149 是TI 公司推出的16 位微處理器，支持1.8～3.6 V 電壓供電，全速運行時的電流僅為280 μA，休眠狀態微處理器的電流只有0.1 μA;支持五種省電模式，同時具有很快的喚醒速度，喚醒時間僅為6 μs;片內集成12 位A/D 轉換器，兩種定時器，2 個UART 通信端口，以及比較器，運行環境溫度范圍為－40～+85 ℃［3］。

1.2 數據測量

數據測量主要包括時鐘、溫度與濕度測量、雪高度測量、定位、電源管理五部分。

1.2.1 時鐘

時鐘用于為系統工作提供一個基準時間，定時喚醒系統使其進入工作狀態。該系統中的時鐘模塊采用PHILIPS公司推出的一種工業級的實時時鐘/日歷芯片PCF8563。PCF8563 含I2C 總線接口，功耗極低，具有報警功能、定時功能、時鐘輸出功能和中斷輸出功能，能夠完成各種復雜的定時任務。

1.2.2 溫度與濕度測量

該系統采用Sensirion 公司生產的高性能、高精度的數字溫濕度傳感器SHT21 測量溫度與濕度。SHT21 的供電電壓為3.3 V;工作溫度范圍為－40～+125 ℃;溫度測量范圍為－40～+125 ℃，測量精度為±0.3 ℃;濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度為±2%RH。正常工作情況下，SHT21的功耗只有0.9 μW。

1.2.3 雪高度測量

通過分析雪高度的變化，研究人員可以知道冰川上冰雪的融化情況［4］。該系統采用超聲波測距模塊US—100 測量雪高度。US—100 超聲波測距模塊可實現2～4.5 m 的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，靜態功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GPIO，串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠。

系統采用的是US—100 的電平觸發模式。工作時，系統向US—100 的Trig/TX 管腳輸入一個10 μs 以上的高電平，US—100 便可發出8 個40 kHz 的超聲波脈沖，然后檢測回波信號。當檢測到回波信號后，US—100 還要測量溫度，然后根據當前溫度值對測距結果進行校正，將校正后的結果通過US—100 的Echo/RX 管腳輸出。系統可在US—100 的Echo/RX 管腳接收到一高電平，根據公式s=0.17t 即可計算出距離。其中，s 為US—100 的探頭到雪面的距離，mm;t 為US—100 的Echo/RX 管腳發出高電平的持續時間，μs。

1.2.4 定 位

通過對冰川的經緯度和海拔高度的長期觀測分析，研究人員可以獲知冰川的運動情況［5］。該系統使用高精度GPS 進行定位［6］。

GPS 直接與MSP430F149 的串口1 相連接，系統可直接通過該串口獲得GPS 數據。GPS 數據大，包含內容多，在某一時刻，系統通過該串口接收GPS 數據量是相當大的，而上位機需要的只是其中的時間、經緯度和海拔高度，所以，系統需要通過程序將時間、經緯度和海拔高度從眾多的數據中提取出來。在該系統中，程序先找到GPPGA 標志，然后根據相對位置矢量，從GPPGA 后面的數據中提取出時間、經緯度和海拔高度等數據。

1.2.5 電源管理

在冰川地區，監測設備依靠太陽能供電，即將太陽能電池板產生的電能存儲在蓄電池中［7］，再由蓄電池給監測設備供電。但是，蓄電池的欠壓或過充不僅會縮短自身的使用壽命，還會給用電系統造成不良影響。為了延長蓄電池使用壽命，讓整個系統能夠持續穩定工作，提高系統的穩定性，系統在每次工作時，都會檢測電池電量。當電量過低時，系統會通過太陽能電池板給蓄電池充電;當蓄電池的電量達到使用要求時，充電停止。

1.3 數據存儲與傳輸

1.3.1 數據存儲

數據存儲部分采用哈佛結構，包括命令存儲器和數據存儲器兩部分。

命令存儲器主要用來存儲控制命令，如操作模式命令和節點的ID 號等。該系統用AT24C02 作為命令存儲器，AT24C02 是2 kB 串行I2C 總線EEPROM 芯片。

數據存儲器主要用于存儲采集的數據，該系統用SD 卡作為數據存儲器。

1.3.2 數據傳輸

系統采用Zig Bee 技術傳輸數據，根據實際需要，Zig Bee 網絡可組成星型、樹狀和網狀等網絡拓撲結構［8，9］，Zig Bee 的這種自由路由組網功能，適宜在冰川復雜地形區域組成無線傳感網絡，實現環境監測的網絡化。

系統中的數據傳輸模塊選用的是順舟科技SZ05 系列嵌入式無線通信模塊。該模塊集成了符合IEEE 802.15 Zig Bee 協議標準的射頻收發器和微處理器，它具有通信距離遠(在無遮擋場地傳輸距離最大可達2000 m，接上高增益定向天線后，傳輸距離更遠)、抗干擾能力強、自由路由組網靈活、性能可靠穩定等優點和特性;可實現點對點、一點對多點、多點對多點之間的設備間數據的透明傳輸。

2 系統工作原理

系統的工作流程圖如圖2 所示。其中“C”表示系統接收到的命令，“C1”，“C2”，“C3”，“C4”，“C5”分別表示設置系統ID 命令、設置系統時間命令、手動測試命令、自動測試命令、其他命令即錯誤命令。

圖2 系統工作流程圖Fig 2 Working flow chart of system

當系統開始工作時，首先開啟數據傳輸模塊，等待上位機發來命令。為了簡化操作，該系統只識別四種命令，分別是設置系統ID 命令，設置系統時間命令，手動測試模式命令和自動測試模式命令，其他均為錯誤命令。系統開始工作后，將有30 s 時間等待上位機命令。在這30 s 內，如果上位機傳來正確命令，則系統會根據命令執行相關任務，如果上位機傳來錯誤命令，則系統進入自動測試模式。當等待時間超過30 s 后，系統會直接進入自動測試模式。

設置系統ID，是為了識別測量數據所屬節點。該系統中數據傳輸采用的是星型網絡拓撲結構，其示意圖如圖3所示。為了正確識別測量數據所屬節點，每個節點都有自己的編號，即系統的ID 號。通過識別ID 號，就能夠獲知數據所屬節點。

圖3 系統網絡拓撲結構圖Fig 3 Network topology structure diagram of system

設置系統時間，是為了給系統工作提供一個基準時間，方便研究人員從時域上研究冰川的變化規律。另一方面，系統要做到實時測量，每天要對冰川進行多次測量，數據量必然很大，為了方便使用者的查詢和使用，所有文件按照測量日期命名，一天之內測量的數據放在同一個文件當中。使用者只需按照文件名檢索文件，就能夠得到某一天的測量數據。

手動測試模式是該系統的一項最基本工作模式，在此工作模式下，系統只有收到相應測試命令后才會進行一次測量，其余時間則是等待命令。工作人員可以通過每次測量的情況，判斷出整個系統和系統中各部分的工作情況，所以，手動測試模式主要用于儀器的調試和維護。

自動測試模式是該系統的主要工作模式。在此工作模式下，系統被時鐘產生的中斷喚醒之后才能工作。系統根據人們的需求，可以實現定時測量和等時間間隔測量。當系統被喚醒之后，開啟所有外圍模塊，進入工作狀態，待測量過程和數據傳輸完畢后，關閉所有外圍模塊，單片機進入低功耗模式，整個系統進入休眠狀態，直至再次被時鐘中斷喚醒。

自動測試模式下，系統只有在測量數據時外圍模塊才被供電，系統功耗達到最大。但是測量時間持續很短，所有的測量和傳輸在90 s 之內全部完成，所以，耗能較低。而在休眠時，外圍模塊被斷電，主控制器處在低功耗模式，整個系統耗能極低。

3 系統實際工作情況

3.1 系統功耗

在實際工作過程中，系統采用5 V 電壓供電，其功耗情況如下表1 所示。從表1 可知，在一個工作周期中，當系統處于工作狀態時，最大功率為0.8 W，而當系統處于休眠狀態時，功率只有0.05 W。可見系統的整體功耗是較低的。

3.2 數據測量與傳輸結果

目前，該系統在八一冰川觀測站和馬銜山觀測站試用。表2～表4 為系統是在八一冰川試用后的部分結果。其中表2 是1#節點SD 卡中存儲的文件，均以日期為文件名，使用者能夠輕松找到某一天的數據;表3 是1#節點在2014 年8 月3 日采集到的數據，共24 次，使用者可以非常方便地看到一天中0～23 時的數據，如溫度、濕度、雪高度的變化，海拔高度等。表4 為數據中心(蘭州)接收到的部分節點的相關數據，使用者也可以通過數據中心獲得相關數據。

表2 1#節點的SD 卡中存儲的文件Tab 2 Files stored in SD card of node 1

4 結束語

該系統耗能較低，可以實現定時測量和等時間間隔測量，并能夠自動存儲和傳輸數據，實現了數據采集的自動化。此外，該系統指令較少，操作方便;系統結構層次分明，便于維護;組網便捷，傳輸效率高。

該系統不僅適用于冰川環境中，也適用于沙漠，戈壁灘等其它惡劣復雜的環境當中，可以快速組建臨時性或季節性野外環境監測網絡系統;不僅適用于科學研究，也適用于農業生產，為農業生產提供服務，該系統適用范圍較廣，具有很高的推廣和使用價值。

表3 1#節點一天中采集到的數據Tab 3 Collected datas by node 1 in one day

［1］ 謝遵義，張世強，張小文.基于GIS 的冰川動力學模型部分參數自動提取研究［J］.冰川凍土，2011，33(3):519－523.

［2］ 牛樹飛.冰川自動氣象站無線數據傳輸系統的設計［D］.蘭州:蘭州大學，2011.

［3］ 李 彬，王朝陽，卜 濤，等.基于MSP430F149 的最小系統設計［J］.應用天地，2009，28(12):74.

［4］ 丁明虎，效存德，明 鏡.南極冰蓋表面物質平衡實測技術綜述［J］.極地研究，2009，21(4):312－314.

［5］ 艾松濤，王澤明，鄂棟臣，等.利用GPS 的北極冰川運動監測與分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2012，37(11):1338－1339.

［6］ 井哲帆，周在明，劉 力.中國冰川運動速度研究進展［J］.冰川凍土，2010，32(4):752.

［7］ 于 靜，車俊鐵，張吉月.太陽能發電技術綜述［J］.世界科技研究與發展，2008，30(1):56－58.

［8］ 鐘艮林.Zig Bee 無線傳感網絡的設計與實現［J］.科技信息，2009(31):71.

［9］ 王小強，歐陽俊，黃寧淋.Zig Bee 無線傳感器網絡設計與實現［M］.北京:化學工業出版社，2012:1－9.