基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線供水測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032）

目前工業(yè)供水點(diǎn)的生產(chǎn)操作主要依靠人工完成。為了確保工業(yè)供水點(diǎn)各個(gè)水井的正常工作，水井調(diào)度站需要24小時(shí)有人值守，調(diào)度人員實(shí)行分班調(diào)換的方式確保工業(yè)供水生產(chǎn)的正常運(yùn)行。由于采用人工控制方式，這樣就給在夜間、氣候惡劣時(shí)執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)的調(diào)度人員帶來(lái)了很大的難度以及產(chǎn)生上難以預(yù)料的事故。另外，在工業(yè)供水點(diǎn)，一些水井與調(diào)度站之間的距離達(dá)數(shù)千米，水井和調(diào)度站之間的道路情況很差，也給到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作帶來(lái)了很大的難度。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展，測(cè)控技術(shù)也得到了迅速發(fā)展[1-2]?；贏RM的嵌入式系統(tǒng)作為核心處理器，它體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件埋藏于所控制的裝置中。它提供用戶接口，管理有關(guān)信息的輸入輸出，監(jiān)控設(shè)備工作，使設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)有較高智能和性價(jià)比。嵌入式系統(tǒng)的硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設(shè)備內(nèi)部，軟件一般采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和相應(yīng)的應(yīng)用軟件，一般固化在閃存中。軟件硬件可裁剪，非常適合構(gòu)成一種高性能、高可靠性、低成本、小體積、低功耗的測(cè)控系統(tǒng)[3]。文中設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線供水測(cè)控系統(tǒng)可大幅度節(jié)省人力資源、有利于工業(yè)供水的安全生產(chǎn)以及提高生產(chǎn)效率。

1 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)[4-6]由工業(yè)供水測(cè)控單元、無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)3大主要部分組成。

工業(yè)供水測(cè)控單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它主要由嵌入式核心、數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊、通信模塊4部分組成。其中：數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)各種傳感器采集工業(yè)供水現(xiàn)場(chǎng)的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)；控制輸出模塊通過(guò)繼電器來(lái)切換工業(yè)供水現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行狀態(tài)；通信模塊負(fù)責(zé)與主控計(jì)算機(jī)通信，傳送各種數(shù)據(jù)與命令。嵌入式核心是現(xiàn)場(chǎng)控制單元的核心部分，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、調(diào)度各個(gè)任務(wù)的運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)各種功能。

主控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的系統(tǒng)管理中心及用戶窗口。一方面，它負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)控制單元發(fā)送過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)，整理、保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并在屏幕上顯示最新信息；另一方面，管理人員可以通過(guò)主控軟件提供的控制命令，控制現(xiàn)場(chǎng)控制單元，隨時(shí)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)的整體工作原理為：系統(tǒng)通過(guò)安插于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)及各個(gè)參數(shù)，在操作系統(tǒng)通訊任務(wù)的調(diào)配下與主控計(jì)算機(jī)之間交換數(shù)據(jù)；同時(shí)接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的動(dòng)作命令，處理器收到命令后指揮各個(gè)繼電器動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的控制；處理器在收到傳感器采集的數(shù)據(jù)后自行分析比較，當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)值超出正常范圍時(shí)處理器會(huì)按既定程序?qū)ιa(chǎn)設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的保護(hù)操作，同時(shí)將錯(cuò)誤類型信息通過(guò)無(wú)線方式上報(bào)給主控計(jì)算機(jī)；處理器可通過(guò)UART1實(shí)時(shí)向外輸出工作參數(shù)，以方便現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)；操作系統(tǒng)中的LCD顯示任務(wù)和鍵盤掃描任務(wù)可實(shí)時(shí)通過(guò)LCD顯示器對(duì)外顯示相應(yīng)的工作狀態(tài)參數(shù)，也可利用測(cè)控單元面板上的鍵盤對(duì)測(cè)控單元進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)分為供水測(cè)控單元部分、無(wú)線通訊部分。供水測(cè)控單元部分系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

無(wú)線通訊部分結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線通訊部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of wireless transmission part

1）工業(yè)供水測(cè)控單元部分 工業(yè)供水測(cè)控單元按照功能的不同可以分為：嵌入式處理器部分、開(kāi)關(guān)量輸入輸出部分、模擬量輸入部分、三相電源電壓/電流采集部分、電源部分等。其中微控制器部分作為系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分正常工作；開(kāi)關(guān)量輸入輸出部分負(fù)責(zé)讀取生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的控制；模擬量輸入部分負(fù)責(zé)采集各種傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；三相電源電壓/電流采集部分負(fù)責(zé)采集工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力電供電參數(shù)；通信部分主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)控制單元與無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換；電源部分負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)需要的各種電壓。

2）無(wú)線數(shù)據(jù)通信部分 為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)控，無(wú)線通信部分成為系統(tǒng)的重要組成之一。現(xiàn)有遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)控終端大多采用GPRS、SMS或微波等無(wú)線傳輸方式。然而，由于本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)主要應(yīng)用于工業(yè)供水點(diǎn)的測(cè)控，工業(yè)供水點(diǎn)一般都分布在人煙稀少、遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的地區(qū)，而這些地區(qū)通常沒(méi)有移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)的覆蓋或者網(wǎng)絡(luò)覆蓋率低、信號(hào)質(zhì)量差，故無(wú)法采用依賴移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的GPRS或者SMS方式，即使在有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)也不能保證各個(gè)測(cè)控點(diǎn)都能接收到良好的信號(hào)，因此也就無(wú)法保證通訊的可靠性與實(shí)時(shí)性；而且如果為這套測(cè)控系統(tǒng)單獨(dú)建設(shè)昂貴的微波通信網(wǎng)絡(luò)也是不切合實(shí)際的。因此目前最好的方法就是采用數(shù)字式無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)組成數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該測(cè)控系統(tǒng)所要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、串行數(shù)據(jù)通信、屏幕顯示等一系列任務(wù)。其工作較為復(fù)雜，程序較為龐大，需要管理的外設(shè)也較多，所以只有在設(shè)計(jì)中加入嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)才能擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)工作重點(diǎn)才能由原來(lái)硬件的調(diào)試、軟件的調(diào)試轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的性能的提高以及智能化軟件的編寫。另外，只有在一個(gè)完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用程序，才可能具有良好的可移植性，才可能被重復(fù)利用?？梢?jiàn)，引入嵌入式多任務(wù)時(shí)事操作系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)測(cè)控平臺(tái)多種功能協(xié)調(diào)運(yùn)作的最好途徑，也是唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，共同構(gòu)成一個(gè)可以重復(fù)利用的軟硬件系統(tǒng)平臺(tái)，除了可以最大限度地提高開(kāi)發(fā)的效率、減少資源的浪費(fèi)外，還可以通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)于該平臺(tái)的研究，逐步優(yōu)化平臺(tái)軟硬件資源，提高其性能，并滿足日后更多應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)軟件的工作流程圖Fig.3 Flow chart of the embedded system software design

整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作可由圖4的系統(tǒng)工作階段示意圖來(lái)描述。

圖4 系統(tǒng)工作階段示意圖Fig.4 Diagram of operation stage

系統(tǒng)上電后處執(zhí)行OSInit（）初始化 μC/OS-II；初始化完畢后執(zhí)行外設(shè)初始化，如UART、LCD等初始化程序，并創(chuàng)建各級(jí)任務(wù)和相應(yīng)的消息郵箱、信號(hào)量等。之后開(kāi)始采集傳感器[7]數(shù)據(jù)，并相應(yīng)的解析。之后可完成對(duì)主控計(jì)算機(jī)命令的解析、鍵盤掃描、LCD顯示等與完成異步事件的監(jiān)測(cè)，如入侵報(bào)警信號(hào)等，這兩個(gè)狀態(tài)中的各個(gè)任務(wù)從宏觀上看是并行執(zhí)行的。之后將上兩個(gè)狀態(tài)的處理結(jié)果通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)。完成后再采集新的傳感器數(shù)據(jù)，開(kāi)始新一輪的工作，以此周而復(fù)始的在現(xiàn)場(chǎng)前端進(jìn)行采集、控制、運(yùn)算并將處理結(jié)果實(shí)時(shí)地發(fā)送至主控計(jì)算機(jī)。

位于調(diào)度室的主控計(jì)算機(jī)的任務(wù)是與位于各個(gè)水井泵房的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，獲得每臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，并向各個(gè)測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送命令數(shù)據(jù)。

主控計(jì)算機(jī)調(diào)度程序采用地址輪詢的方式訪問(wèn)各臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，將返回的數(shù)據(jù)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢。軟件采用先進(jìn)的雙機(jī)熱備技術(shù)，主機(jī)與備用機(jī)同時(shí)運(yùn)行程序，即使運(yùn)行中一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，程序也能無(wú)縫切換到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。調(diào)度程序的界面清晰友好，其界面畫面如圖5所示。

圖5 調(diào)度程序界面Fig.5 Interface chart of the dispatch system

4 結(jié) 論

文中基于嵌入式技術(shù)以及無(wú)線通訊技術(shù)研究并設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程無(wú)線供水測(cè)控系統(tǒng)，該主要根據(jù)工業(yè)供水測(cè)控的具體要求設(shè)計(jì)了各種輸入/輸出接口、編寫了運(yùn)行于μC/OS-II操作系統(tǒng)之上的各個(gè)任務(wù)代碼并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)試運(yùn)行表明，該嵌入式測(cè)控系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，而且整個(gè)系統(tǒng)具有較高的可靠性、較低的成本和功耗等特點(diǎn)，非常適用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

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