【安防知識(shí)網(wǎng)】：本文以32位ARM7微處理器為核心，設(shè)計(jì)了一種集建筑水質(zhì)信號(hào)監(jiān)測(cè)、以太網(wǎng)通信和自動(dòng)報(bào)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(duì)建筑內(nèi)分散的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、統(tǒng)一管理。

        建筑水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(duì)水資源狀態(tài)有一個(gè)實(shí)時(shí)的信息公布。目前，在實(shí)際工作中，大量采用的建筑水質(zhì)監(jiān)測(cè)手段仍然是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室手工分析方法，這種水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在著很多問(wèn)題，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)少，不能全面實(shí)時(shí)提供建筑用水的水質(zhì)情況；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)能力低，不能及時(shí)掌握水污染事故和水質(zhì)突變情況；同時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)信息處理實(shí)時(shí)性差，不能滿足新時(shí)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(duì)建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和手段已經(jīng)不能滿足當(dāng)今社會(huì)的需求。針對(duì)上面問(wèn)題，經(jīng)過(guò)分析國(guó)內(nèi)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，某公司自主研究開(kāi)發(fā)了一套建筑水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)建筑水域進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。

        在這個(gè)系統(tǒng)中，以32位嵌入式S3C44B0X-ARM7作為水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的核心器件，配合相關(guān)的外圍電路，和無(wú)線通信接口，將水質(zhì)傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，變換成代表實(shí)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(chǎng)人員的觀測(cè)、記錄和分析，為建筑管理部門分析水質(zhì)狀況，及時(shí)地提供了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
        本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)建筑內(nèi)相對(duì)分散的無(wú)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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的水質(zhì)，對(duì)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(gè)系統(tǒng)由中心機(jī)房和各遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端組成，遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)端的核心設(shè)備是遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)儀，各遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)儀與監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)通過(guò)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(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

系統(tǒng)上/下位機(jī)的設(shè)計(jì)
        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(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)各個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端——監(jiān)測(cè)儀，了解其工作狀態(tài)。

        系統(tǒng)的下位機(jī)是數(shù)臺(tái)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)儀，該監(jiān)測(cè)儀是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心處理設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)如下功能。

        ·實(shí)時(shí)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(guò)以太網(wǎng)與中心機(jī)房保持實(shí)時(shí)通訊；

        ·通過(guò)鍵盤和液晶顯示屏設(shè)置系統(tǒng)信息；

        ·通過(guò)LCD顯示屏和揚(yáng)聲器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。[nextpage]

        本監(jiān)測(cè)儀以基于Linux的嵌入式系統(tǒng)為核心，通過(guò)鍵盤進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，數(shù)據(jù)可通過(guò)LCD屏實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)顯示。重要數(shù)據(jù)以文件形式保存在Flash存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)和報(bào)警信息還可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸，也可通過(guò)以太網(wǎng)向Inernet發(fā)布信息。用戶可通過(guò)顯示界面查看水質(zhì)的各種參數(shù)，實(shí)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(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)
        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(jì)過(guò)程更加條理清晰，這里將整個(gè)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(kāi)設(shè)計(jì)。

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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此對(duì)所控制對(duì)象的特征信號(hào)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(jì)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(duì)建筑水質(zhì)的pH值、溶解氧、濁度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。S3C44B0X自帶一個(gè)8通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器可以通過(guò)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(guò)S3C44B0X控制，與上位機(jī)實(shí)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(shí)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(jiǎn)單。常用的有鍵盤、液晶顯示屏等，通過(guò)這些設(shè)備可以對(duì)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(gè)端口為外部中斷輸入端口，組成最簡(jiǎn)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(bào)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(shí)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(chǔ)器中）中的LCD數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD驅(qū)動(dòng)電路的邏輯功能。S3C44B0X中內(nèi)置的LCD控制器可支持單色、4級(jí)、16級(jí)灰度模式和256級(jí)彩色的LCD。

電源和復(fù)位電路
        遠(yuǎn)端建筑水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(shí)鐘電路的穩(wěn)定性對(duì)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(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。基于以上原因，需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)
        嵌入式系統(tǒng)的軟件是針對(duì)特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，與硬件的關(guān)系較為密切。這是其與通用計(jì)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(dòng)、系統(tǒng)初始化以及各個(gè)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(cè)儀的軟件流程如圖3所示。

        在線監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 把數(shù)據(jù)顯示作為主程序，通過(guò)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(xiàng)水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)功能。由于選用的五種水質(zhì)檢測(cè)傳感器的輸出電信號(hào)與所測(cè)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(shí)際參數(shù)值相對(duì)應(yīng)，采用下列公式計(jì)算:P =S×D/255。式中:P-表示實(shí)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(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的滿量程值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        這個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測(cè)試， pH值、溶解氧、濁度和溫度等水質(zhì)常規(guī)參數(shù)的檢測(cè)性能技術(shù)指標(biāo)滿足了國(guó)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(guò)一段時(shí)間運(yùn)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(cè)方法，對(duì)水質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確度指標(biāo)做出的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

        由表2的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以看出，所研制的水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)儀對(duì)pH值、溫度、溶解氧、濁度等水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度均不超過(guò)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(jì)的要求。

結(jié)語(yǔ)
        該水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)速度快、精度高、操作簡(jiǎn)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(duì)于其它水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，基于ARM的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)省了硬件資源，采集精度高，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)理論先進(jìn)，給建筑環(huán)保部門提供了可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為環(huán)境保護(hù)工作的開(kāi)展提供了有力的支持。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本低，便于升級(jí)，因此可以在更多的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(guó)礦業(yè)大學(xué)，胡雯任職于泰豪科技股份有限公司）