基于低功耗WiFi的涡街流量计流量热量监测终端

【摘要】本文提出了一种利用低功耗WiFi移动IP网络远传工业测控数据的监测终端设计方案。为实现工业现场数据的远程采集处理，将传统的流量测量仪表一一涡街流量计集成热量测量组件和无线传输单元模块，方便实现工业流量、热量数据的远传和汇总。该方法充分发挥TWiFi的稳定、高带宽、开放性和移动性等优点。在局部百米范围内可以组成局域网，并且网内通讯免费的。前期不用布线，后期维护很方便，大大降低建设和维护费用。满足工业现场监测以及控制的需求。

【关键词】WiFi；无线传感器网络；低功耗；流量热量测量

【中图分类号】TP216+.1 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01―0158―01

0 引言

目前国内工业监测趋向于支持无线和实时监控，基于传统电气连接方式需要在场地内进行布线，短距离可以，长距离传输质量会受到影响，检查线缆又受到穿墙入地等条件的限制十分不便。

涡街流量计因其介质适应性强、可靠性高、压力损失小、量程比宽等优点，在许多行业中得到了广泛应用。为了满足用户方将工业测量数据传输至能源管理系统的需求，设计把WiFi这种短距离无线技术，应用在工业测量以及无人值守站基础通讯模组上，使其完成流量热量监测的任务。利用WiFi的突出优势在于：一使用开放的2.4GHz直接序列扩频无线技术；二是WiFi的传输速度非常快，最大传输速率为11Mbit/s，在信号较弱或有干扰时，带宽可调整为5.5Mbit/S、2Mbit/S和1Mbit/S；三是进入门槛低，只要支持WiFi的终端设备都可以按照一定的权限加入到WiFi网络中即可。在流量检测系统中，使用其进行节点参数的采集与传送、控制信号的传输与控制，避免在现场布设繁琐的数据线，对降低成本和能耗都有一定的意义，使监测系统的扩展性更灵活。

工作站通过相应集成系统自动采集各监测终端采集的数据并存储汇总，将信息输入服务器，服务器负责提供相应的集团数据指标进行控制，同时提交给数据服务中心相应的数据，而便携终端（如PDA终端）或者其他带有无线WiFi功能终端（如手操器，或者笔记本电脑等）则可以设定参数，并提交服务器或者直接发送相应指令给传感器或者执行机构。

根据以上功能需求设计基于WiFi的涡街流量计流量热量监测终端，其主要结构包括流量热量采集终端和无线抄表单元两部分，按照预设参数的要求存储传感器测量的流量、热量，经过模拟数字转换后传输到无线抄表单元中。无线抄表单元中带有WiFi传输发射装置，经由100米范围内的AP点通过TCP/IP协议连接至局域网内，使得网内其它连接在AP点上的设备相互通讯，也可以经过IP NetWork传输到上位机，上位机的接入也可采用多种方式，可通过有线、无线接入互联网，可根据需要以及实际情况灵活的选择上层方式。

1 硬件系统设计

1.1 监测终端结构

监测终端硬件部分主要是低功耗WiFi模组与流量热量测量部件的对接。其硬件结构主要包括：32位MCU、FLASH芯片、电源芯片、液晶屏、低功耗WiFi模组。其中主要模组由PIC32MX处理器和MRF24组成，负责管理整个系统的运行和数据运算与处理。

1.2 WiFi模块简介

Microchip公司的MRF24具有内置天线，兼容的表面安装的RF收发器模块，包括了所有的RF元件：晶振、旁路和偏压无源元件以KMAC，基带RF和功率放大器；内置的硬件支持AES和TKIP。

1.3 无线模块硬件接口

WiFi模块与现场仪表之间采用SPI接口进行通信，PIC32做为主设备，MRF24作为从设备。将主从设备中的SCK、SDO、SDI引脚互联，PIC32通过RB3控制MRF24的CS，实际功能相当于片选。另外，由于在WiFi通信的过程中需不断检测WiFi模块的状态信号，因此将MRF24的中断信号INT接到PIC32的INT4脚，当有WiFi通讯请求时通过此口向PIC32发送中断请求信号。PIC32的RB4口接至MRF24的RESET管脚端，用于软控制其复位，PIC32的RB5口接至MrF24的HIBERNATE管脚端，在无数据传输的时候控制其处于休眠状态，便于降低系统功耗，节省电池电力，在需要唤醒时再通过此管脚唤醒，以控制模块状态。

2 软件的设计

2.1 整体框架

仪表软件具有启动引导程序、仪表运行主程序、数据文件系统、驱动程序、通讯传输程序，各程序模块采用中断优先级管理和轮询运行相配合的方式运行。

仪表运行主程序包含人机界面，键盘操作、数据处理、数据传输、数据存储、状态检测。数据采集模块负责采集、发送数据，同时需要完成硬件检测、网络配置工作。通信模块构建通信链路，完成数据协议转换。监控模块主要负责数据处理以及设备调校等。状态部分主要用来检测传感器以及通讯部件的通讯连接状态，以及时钟授时部分。

2.2 程序设计

这部分包括通讯参数初始化，无线模块设置状态，等待召测命令，数据发送。运行流程如下：

先硬件初始化和操作系统初始化，检查系统内存映射，将内核映像，从Flash上读到SDRAM中，为内核设置启动参数，调用内核。当遇到中断请求时，总是先响应中断请求，执行完中断后，中央处理器执行为看门狗程序，然后执行仪表数据读取判断召测与否，如果需要召测数据，将存储单元内FLASH芯片中的流量值信鼠等通过WIFI无线通讯模块发送给上位机；首先经由远程主机定时发送要求信号，WIFI模块也定时处于唤醒状态，信号经WiFi模块转换传入单片机，单片机解析命令，命令中包含远程通讯协议封包数据，CPU将两部分数据进行解析，根据解析的内容，选择现场采集模块某一路进行工作，同时将标准协议数据信号部分通过CPU的SPI接口送入WIFI模块；WIFI模块对接收的数据进行封包处理转换，采集模块将数据发送到终端智能仪表设备；然后设备进入延时等待状态，当采集模块有新数据响应时，采样电路进行采集信号，再由处理单元将信号放大整形滤波，由CPU进行接收后，对数据进行处理，添加通讯设备信息，并将数据传入WIFI模块，由WiFi模块传送至远程终端。如果接收到上位机发送的实时参数调整指令则调用本地程序进行参数调整；之后返回主程序。

3 结束语

这一应用方案立足于工业无线抄表系统，节省前期布线以及后期有线维护成本，满足低功耗的要求，实现工业流量、热量测量数据的远传和实时管理，是一种较为经济有效的方式。采用WIFI架设无线网络，架设简单，其无线电波覆盖范围广，传输速度快，门槛较低，只需要在现场设置“热点”，工作人员只需要具有支持WLAN的设备进入热点的覆盖范围，即可高速接入局域网或者Internet定时或实时召测数据并上传，不用耗费大量人力物力来进行网络布线接入，节省大量成本。在工业现场具有一定的应用价值。

参考文献

[1]王斌.基于MSP430的低功耗数字涡街流量计研究硕士论文天津大学

[2]刘亚立，敬岚，乔为民.基于MSP430F149型单片机的智能温度控制系统计算机工程与设计2006 VOI.6

[3]杜毓聪，金连文.通过WiFi移动IP网络操控家用机器人方案在PDA上的实现计算机应用，2009Vo1.29（07）：1865-1867