【安防知識網(wǎng)】：本文以32位ARM7微處理器為核心，設(shè)計了一種集建筑水質(zhì)信號監(jiān)測、以太網(wǎng)通信和自動報警為一體的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了基于以太網(wǎng)的分布式嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，用于對建筑內(nèi)分散的水質(zhì)監(jiān)測點進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

        建筑水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)是建筑環(huán)境保護(hù)決策的重要依據(jù)，在資源日益緊張的今天，日常生活所需的水資源廣泛引起人們的關(guān)注，在全世界都在提倡節(jié)約水資源、保護(hù)水資源的今天，人們希望有關(guān)部門對水資源狀態(tài)有一個實時的信息公布。目前，在實際工作中，大量采用的建筑水質(zhì)監(jiān)測手段仍然是傳統(tǒng)的實驗室手工分析方法，這種水質(zhì)監(jiān)測存在著很多問題，水質(zhì)監(jiān)測點少，不能全面實時提供建筑用水的水質(zhì)情況；現(xiàn)場監(jiān)測能力低，不能及時掌握水污染事故和水質(zhì)突變情況；同時水質(zhì)監(jiān)測信息處理實時性差，不能滿足新時期水資源管理保護(hù)的要求。隨著建筑環(huán)境保護(hù)事業(yè)的不斷發(fā)展，對建筑環(huán)境監(jiān)測的要求越來越高，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法和手段已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會的需求。針對上面問題，經(jīng)過分析國內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測方法，某公司自主研究開發(fā)了一套建筑水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，可以對建筑水域進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測、自動采樣、自動分析，并自動將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。

        在這個系統(tǒng)中，以32位嵌入式S3C44B0X-ARM7作為水質(zhì)監(jiān)測儀的核心器件，配合相關(guān)的外圍電路，和無線通信接口，將水質(zhì)傳感器檢測到的電信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)運算處理，變換成代表實際化學(xué)或物理量的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，以供現(xiàn)場人員的觀測、記錄和分析，為建筑管理部門分析水質(zhì)狀況，及時地提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料。

監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計
        本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是對建筑內(nèi)相對分散的無人值守的用水區(qū)域進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理，要求下位機(jī)能對其進(jìn)行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的水質(zhì)，對發(fā)現(xiàn)的異常情況迅速通知監(jiān)控人員。為此，系統(tǒng)采用了如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

        整個系統(tǒng)由中心機(jī)房和各遠(yuǎn)程監(jiān)測端組成，遠(yuǎn)端監(jiān)測端的核心設(shè)備是遠(yuǎn)端監(jiān)測儀，各遠(yuǎn)端監(jiān)測儀與監(jiān)測中心計算機(jī)通過以太網(wǎng)接口組成VLAN（也可通Internet相連），終端之間的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)上/下位機(jī)的設(shè)計
        系統(tǒng)的上位機(jī)由裝有專用監(jiān)控軟件的PC機(jī)構(gòu)成。監(jiān)控人員可以直接通過以太網(wǎng)訪問各個遠(yuǎn)程監(jiān)測端——監(jiān)測儀，了解其工作狀態(tài)。

        系統(tǒng)的下位機(jī)是數(shù)臺遠(yuǎn)端監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理設(shè)備，主要實現(xiàn)如下功能。

        ·實時監(jiān)控機(jī)房的水質(zhì)參數(shù)，包括pH值、含氧量、濁度等；

        ·通過以太網(wǎng)與中心機(jī)房保持實時通訊；

        ·通過鍵盤和液晶顯示屏設(shè)置系統(tǒng)信息；

        ·通過LCD顯示屏和揚聲器，發(fā)出報警信號。[nextpage]

        本監(jiān)測儀以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，通過鍵盤進(jìn)行人機(jī)對話，數(shù)據(jù)可通過LCD屏實現(xiàn)現(xiàn)場顯示。重要數(shù)據(jù)以文件形式保存在Flash存儲器中，數(shù)據(jù)和報警信息還可通過串口向上位機(jī)傳輸，也可通過以太網(wǎng)向Inernet發(fā)布信息。用戶可通過顯示界面查看水質(zhì)的各種參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

水質(zhì)監(jiān)測儀的硬件設(shè)計
        由于ARM處理器接口豐富，功能較強(qiáng)，因此以ARM處理器為核心構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)電路較為復(fù)雜。為了使設(shè)計過程更加條理清晰，這里將整個系統(tǒng)分為微處理器及其外圍電路、數(shù)據(jù)采集和處理電路、網(wǎng)絡(luò)接口電路和電源、復(fù)位電路等功能模塊，分別展開設(shè)計。

數(shù)據(jù)采集和處理電路
        嵌入式系統(tǒng)是嵌入到設(shè)備內(nèi)部完成特定控制功能的計算機(jī)系統(tǒng)，因此對所控制對象的特征信號進(jìn)行采集和處理，轉(zhuǎn)換成控制信息是各種嵌入式系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)設(shè)計了由pH值傳感器、溶解氧傳感器、濁度傳感器等組成的多路數(shù)據(jù)采集端，對建筑水質(zhì)的pH值、溶解氧、濁度等進(jìn)行實時監(jiān)控。S3C44B0X自帶一個8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以通過軟件設(shè)置為Sleep模式以減少功耗。

網(wǎng)絡(luò)接口電路
        隨著Internet的普及，為適應(yīng)嵌入式分布處理和上網(wǎng)需求，嵌入式系統(tǒng)要求配備一種或多種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信接口，支持TCP/IP協(xié)議。本系統(tǒng)選用RTLSO19AS芯片作為網(wǎng)絡(luò)控制器，通過S3C44B0X控制，與上位機(jī)實現(xiàn)以太網(wǎng)通信。RTLSO19AS內(nèi)部結(jié)構(gòu)按功能可劃分為：接收功能模塊、CRC產(chǎn)生模塊、發(fā)送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協(xié)議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。

輸入/出接口電路
        為了降低系統(tǒng)的功耗和成本，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備常常比較簡單。常用的有鍵盤、液晶顯示屏等，通過這些設(shè)備可以對系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)置。

1、鍵盤接口電路
        鍵盤是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，本系統(tǒng)將設(shè)置8個端口為外部中斷輸入端口，組成最簡單的4×4按鍵電路，配合液晶屏進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)置和查詢。[nextpage]

2、音頻報警電路
        本系統(tǒng)將端口PE6設(shè)置為輸出端口，直接控制蜂鳴器輸出，用作系統(tǒng)設(shè)置和調(diào)試時的操作提示。

3、LCD顯示
        S3C44B0X中具有內(nèi)置的LCD控制器，它具有將顯示緩存（在系統(tǒng)存儲器中）中的LCD數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD驅(qū)動電路的邏輯功能。S3C44B0X中內(nèi)置的LCD控制器可支持單色、4級、16級灰度模式和256級彩色的LCD。

電源和復(fù)位電路
        遠(yuǎn)端建筑水質(zhì)監(jiān)測儀的主要工作電壓有：3.3V、2.5V，其中2.5V為ARM芯片核的工作電壓，3.3V為ARM芯片UO口的供電。系統(tǒng)時鐘電路的穩(wěn)定性對系統(tǒng)的工作影響也是很大的。目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器?；谝陨显?，需要設(shè)計時鐘電路。

水質(zhì)監(jiān)測儀的軟件設(shè)計
        嵌入式系統(tǒng)的軟件是針對特定系統(tǒng)設(shè)計的，與硬件的關(guān)系較為密切。這是其與通用計算機(jī)軟件的主要區(qū)別。本系統(tǒng)的軟件包括了各種設(shè)備的驅(qū)動、系統(tǒng)初始化以及各個任務(wù)模塊的程序，內(nèi)容繁多，這里只介紹系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及其執(zhí)行流程。遠(yuǎn)端水質(zhì)監(jiān)測儀的軟件流程如圖3所示。

        在線監(jiān)測軟件的設(shè)計過程中, 把數(shù)據(jù)顯示作為主程序，通過調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)處理子程序?qū)崿F(xiàn)五項水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的在線監(jiān)測功能。由于選用的五種水質(zhì)檢測傳感器的輸出電信號與所測量的化學(xué)、物理量具有良好的線性關(guān)系，為了使顯示數(shù)據(jù)與實際參數(shù)值相對應(yīng)，采用下列公式計算:P =S×D/255。式中:P-表示實際化學(xué)、物理量的顯示數(shù)據(jù)；D-數(shù)字濾波的結(jié)果；S-各項水質(zhì)參數(shù)的滿量程值。

實驗結(jié)果
        這個系統(tǒng)在實驗室條件下進(jìn)行測試， pH值、溶解氧、濁度和溫度等水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的檢測性能技術(shù)指標(biāo)滿足了國家環(huán)保使用的要求，標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)如表1所示。系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行，工作性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測方法，對水質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確度指標(biāo)做出的監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

        由表2的監(jiān)測結(jié)果，可以看出，所研制的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測儀對pH值、溫度、溶解氧、濁度等水質(zhì)參數(shù)的測量準(zhǔn)確度均不超過表1的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度指標(biāo)的規(guī)定，因此該儀器的準(zhǔn)確度技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計的要求。

結(jié)語
        該水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測速度快、精度高、操作簡單可靠，有效的避免了人為誤差和外界的各種干擾因素的影響。相對于其它水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，基于ARM的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)省了硬件資源，采集精度高，實時處理能力強(qiáng)，同時監(jiān)測理論先進(jìn)，給建筑環(huán)保部門提供了可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)工作的開展提供了有力的支持。該系統(tǒng)開發(fā)成本低，便于升級，因此可以在更多的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。（本文作者王汝琳、李嬌、赫森現(xiàn)任職于中國礦業(yè)大學(xué)，胡雯任職于泰豪科技股份有限公司）