【安防知識網】：本文以32位ARM7微處理器為核心，設計了一種集建筑水質信號監(jiān)測、以太網通信和自動報警為一體的嵌入式應用系統，并以此為基礎構建了基于以太網的分布式嵌入式監(jiān)控系統，用于對建筑內分散的水質監(jiān)測點進行遠程監(jiān)控、統一管理。

        建筑水質監(jiān)測數據是建筑環(huán)境保護決策的重要依據，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注，在全世界都在提倡節(jié)約水資源、保護水資源的今天，人們希望有關部門對水資源狀態(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監(jiān)測手段仍然是傳統的實驗室手工分析方法，這種水質監(jiān)測存在著很多問題，水質監(jiān)測點少，不能全面實時提供建筑用水的水質情況；現場監(jiān)測能力低，不能及時掌握水污染事故和水質突變情況；同時水質監(jiān)測信息處理實時性差，不能滿足新時期水資源管理保護的要求。隨著建筑環(huán)境保護事業(yè)的不斷發(fā)展，對建筑環(huán)境監(jiān)測的要求越來越高，傳統的監(jiān)測方法和手段已經不能滿足當今社會的需求。針對上面問題，經過分析國內外水質監(jiān)測方法，某公司自主研究開發(fā)了一套建筑水質監(jiān)測系統，可以對建筑水域進行連續(xù)在線監(jiān)測、自動采樣、自動分析，并自動將數據上傳到監(jiān)控中心。

        在這個系統中，以32位嵌入式S3C44B0X-ARM7作為水質監(jiān)測儀的核心器件，配合相關的外圍電路，和無線通信接口，將水質傳感器檢測到的電信號轉換成標準信號，經過數據運算處理，變換成代表實際化學或物理量的數據顯示在液晶屏上，以供現場人員的觀測、記錄和分析，為建筑管理部門分析水質狀況，及時地提供了現場數據資料。

監(jiān)測系統的總體設計
        本系統的設計目標是對建筑內相對分散的無人值守的用水區(qū)域進行集中監(jiān)控、統一管理，要求下位機能對其進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現不達標的水質，對發(fā)現的異常情況迅速通知監(jiān)控人員。為此，系統采用了如圖1所示的結構。

        整個系統由中心機房和各遠程監(jiān)測端組成，遠端監(jiān)測端的核心設備是遠端監(jiān)測儀，各遠端監(jiān)測儀與監(jiān)測中心計算機通過以太網接口組成VLAN（也可通Internet相連），終端之間的數據通過TCP/IP協議進行通訊。

系統上/下位機的設計
        系統的上位機由裝有專用監(jiān)控軟件的PC機構成。監(jiān)控人員可以直接通過以太網訪問各個遠程監(jiān)測端——監(jiān)測儀，了解其工作狀態(tài)。

        系統的下位機是數臺遠端監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀是整個監(jiān)控系統的核心處理設備，主要實現如下功能。

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

        ·通過以太網與中心機房保持實時通訊；

        ·通過鍵盤和液晶顯示屏設置系統信息；

        ·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的嵌入式系統為核心，通過鍵盤進行人機對話，數據可通過LCD屏實現現場顯示。重要數據以文件形式保存在Flash存儲器中，數據和報警信息還可通過串口向上位機傳輸，也可通過以太網向Inernet發(fā)布信息。用戶可通過顯示界面查看水質的各種參數，實現遠程監(jiān)控、遠程維護。其結構如圖2所示。

水質監(jiān)測儀的硬件設計
        由于ARM處理器接口豐富，功能較強，因此以ARM處理器為核心構成的嵌入式系統電路較為復雜。為了使設計過程更加條理清晰，這里將整個系統分為微處理器及其外圍電路、數據采集和處理電路、網絡接口電路和電源、復位電路等功能模塊，分別展開設計。

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

網絡接口電路
        隨著Internet的普及，為適應嵌入式分布處理和上網需求，嵌入式系統要求配備一種或多種標準的網絡通信接口，支持TCP/IP協議。本系統選用RTLSO19AS芯片作為網絡控制器，通過S3C44B0X控制，與上位機實現以太網通信。RTLSO19AS內部結構按功能可劃分為：接收功能模塊、CRC產生模塊、發(fā)送功能模塊、地址識別模塊、FIFO控制模塊、協議邏輯陣列模塊及DMA和緩沖控制模塊。

輸入/出接口電路
        為了降低系統的功耗和成本，嵌入式應用系統的輸入輸出設備常常比較簡單。常用的有鍵盤、液晶顯示屏等，通過這些設備可以對系統進行功能設置。

1、鍵盤接口電路
        鍵盤是嵌入式應用系統中最常用的輸入設備，本系統將設置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，配合液晶屏進行系統的設置和查詢。[nextpage]

2、音頻報警電路
        本系統將端口PE6設置為輸出端口，直接控制蜂鳴器輸出，用作系統設置和調試時的操作提示。

3、LCD顯示
        S3C44B0X中具有內置的LCD控制器，它具有將顯示緩存（在系統存儲器中）中的LCD數據傳輸到外部LCD驅動電路的邏輯功能。S3C44B0X中內置的LCD控制器可支持單色、4級、16級灰度模式和256級彩色的LCD。

電源和復位電路
        遠端建筑水質監(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。系統時鐘電路的穩(wěn)定性對系統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，大多數微控制器具有晶體振蕩器。基于以上原因，需要設計時鐘電路。

水質監(jiān)測儀的軟件設計
        嵌入式系統的軟件是針對特定系統設計的，與硬件的關系較為密切。這是其與通用計算機軟件的主要區(qū)別。本系統的軟件包括了各種設備的驅動、系統初始化以及各個任務模塊的程序，內容繁多，這里只介紹系統的軟件結構及其執(zhí)行流程。遠端水質監(jiān)測儀的軟件流程如圖3所示。

        在線監(jiān)測軟件的設計過程中, 把數據顯示作為主程序，通過調用A/D轉換子程序和數據處理子程序實現五項水質常規(guī)參數的在線監(jiān)測功能。由于選用的五種水質檢測傳感器的輸出電信號與所測量的化學、物理量具有良好的線性關系，為了使顯示數據與實際參數值相對應，采用下列公式計算:P =S×D/255。式中:P-表示實際化學、物理量的顯示數據；D-數字濾波的結果；S-各項水質參數的滿量程值。

實驗結果
        這個系統在實驗室條件下進行測試， pH值、溶解氧、濁度和溫度等水質常規(guī)參數的檢測性能技術指標滿足了國家環(huán)保使用的要求，標準指標如表1所示。系統經過一段時間運行，工作性能穩(wěn)定，數據傳輸可靠。根據水質監(jiān)測方法，對水質參數的準確度指標做出的監(jiān)測結果如表2所示。

        由表2的監(jiān)測結果，可以看出，所研制的水質參數監(jiān)測儀對pH值、溫度、溶解氧、濁度等水質參數的測量準確度均不超過表1的標準準確度指標的規(guī)定，因此該儀器的準確度技術指標達到了設計的要求。

結語
        該水質監(jiān)測系統監(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。相對于其它水質監(jiān)測系統的應用，基于ARM的水質監(jiān)測系統節(jié)省了硬件資源，采集精度高，實時處理能力強，同時監(jiān)測理論先進，給建筑環(huán)保部門提供了可靠的監(jiān)測數據，為環(huán)境保護工作的開展提供了有力的支持。該系統開發(fā)成本低，便于升級，因此可以在更多的水質監(jiān)測系統中得到更廣泛的應用。（本文作者王汝琳、李嬌、赫森現任職于中國礦業(yè)大學，胡雯任職于泰豪科技股份有限公司）