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。