小型污水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

烏英嘎，羅中明，于曉霞，吳春升

（1.哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與儀器系，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械化研究所 黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保投入的不斷增加以及污水處理行業(yè)改革的不斷深入，城市污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理向市場(chǎng)化、專業(yè)化、規(guī)?；?、集團(tuán)化趨勢(shì)發(fā)展。許多專業(yè)的運(yùn)營(yíng)企業(yè)要運(yùn)營(yíng)管理同一城市的多個(gè)污水處理廠。因此，對(duì)污水處理廠的生產(chǎn)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)降低運(yùn)行成本和加強(qiáng)生產(chǎn)管理以及確保污水處理工藝的高效運(yùn)行和水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放、提升企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理的效率具有重要的意義。文中結(jié)合GPRS技術(shù)為小型污水處理廠設(shè)計(jì)一套基于ARM的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)污水處理裝置的性能要求，監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由模擬量傳感器，變送器，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器及ARM系統(tǒng)構(gòu)成，各模擬量傳感器將模擬信號(hào)送至信號(hào)變送器，使之放大變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后逐一送至AD/轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由ARM處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、圖像采集部分由串口攝像頭和ARM控制器構(gòu)成，攝像頭先采集現(xiàn)場(chǎng)圖片然后通過(guò)串口傳給ARM控制器，ARM控制器把采集的數(shù)據(jù)和圖像通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)傳送給監(jiān)控中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

使用AT指令通過(guò)GPRS Modem撥號(hào)，正確應(yīng)答后，一條物理通道就是指GPRS信道就在系統(tǒng)中的GPRS Modem和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來(lái)。PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路.系統(tǒng)將遠(yuǎn)程登錄Internet。并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的IP地址。采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議將接入Internet的具有不同IP地址的終端都聯(lián)系起來(lái)。經(jīng)過(guò)IP路由選擇.可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與連在Internet上的任一IP終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。選擇TCP作為傳輸層協(xié)議.為數(shù)據(jù)傳輸提供面向連接的、端對(duì)端的可靠服務(wù)。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務(wù)器端口以便在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控污水的參數(shù)，監(jiān)控中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲(chǔ)、打印等[3]。

文中以下主要就監(jiān)控終端的硬件設(shè)計(jì)部分和軟件部分做簡(jiǎn)要介紹。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)污水處理裝置的性能要求，監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng)由模擬量傳感器、變送器、模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器及ARM處理器等組成。各模擬量傳感器將模擬信號(hào)送至信號(hào)變送器，使之放大變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后由多路開(kāi)關(guān)逐一送至A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由ARM處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示。同時(shí)，ARM處理系統(tǒng)通過(guò)GPRS將圖像和數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Diagram of the system hardware

系統(tǒng)終端以LPC2148為核心，對(duì)通信模塊TR800進(jìn)行控制。ARM CPU采用飛利浦公司的LPC2148，內(nèi)核為基于ARM7DMI-S的精簡(jiǎn)指令集的通用32位高速微處理器。工作電壓為3.3 V，內(nèi)核工作電壓為1.8 V；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)可以設(shè)置CPU工作頻率60 MHz，雙UART口，提供數(shù)據(jù)的異步串行發(fā)送和接受；片內(nèi)16 kB RAM和128 kB Flash程序存儲(chǔ)器。LPC2148提供了2個(gè)串口，共有6個(gè)I/O口可供使用。它的接口電路部分包括8路模擬量輸入通道，RS232串行口通信接口，其中數(shù)模轉(zhuǎn)換為控制內(nèi)置模塊，精度為12位，基本可以滿足一般控制對(duì)象的要求。終端應(yīng)用程序在PC機(jī)上用IAR編譯好通過(guò)JTAG接口下載到FLASH中，系統(tǒng)常用的參數(shù)，通過(guò)程序的設(shè)置放到主控器的信息存儲(chǔ)器[4]。

本系統(tǒng)選用GXT-M201串口攝像頭模塊來(lái)完成現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集和壓縮。GXT-M201生產(chǎn)工藝非常嚴(yán)格，能在多種環(huán)境下維持正常穩(wěn)定的工作，性能相當(dāng)可靠。已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用到圖像的無(wú)線傳輸、工業(yè)上的圖像采集監(jiān)視以及民用監(jiān)控等設(shè)備中。從使用功能上來(lái)看，GXT-M201是一款能夠?qū)⒁曨l采集和圖像壓縮集于一身的圖像采集模塊，它是通過(guò)比較簡(jiǎn)單的串行口指令來(lái)控制圖像的捕捉和獲取，并對(duì)采集到的圖像完成JPEG格式的壓縮，接著通過(guò)串口輸出，因此模塊與微控制器之間是完全通過(guò)串口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和通信的，它的成本和功耗都比較低，獲得的圖片分辨率也比較高，并且支持不同分辨率可變JPEG編碼質(zhì)量設(shè)置。GXT-M201的內(nèi)部構(gòu)成主要有Omni Vision公司生產(chǎn)的CMOS感光芯片OV7640、存儲(chǔ)器、串行接口以及硬件JPEG壓縮芯片OV528等部分。整個(gè)GXT-M201的核心組成部分就是嵌入式JPEG壓縮控制芯片OV528，它主要負(fù)責(zé)將OV7640拍攝到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并傳送給外部設(shè)備，相對(duì)很高的壓縮率和較好的圖像質(zhì)量都是OV528這個(gè)壓縮芯片能夠達(dá)到的。對(duì)于EEPROM則可以提供11種定長(zhǎng)6字節(jié)的用戶命令接口，用戶可以通過(guò)這些命令來(lái)設(shè)置多種不同的屬性，如圖像的色彩模式、圖像的大小、圖像數(shù)據(jù)分包的大小、是否將圖像壓縮為JPEG、靜態(tài)模式或預(yù)覽模式以及串口的波特率，并且它還帶有錯(cuò)誤返回命令，能夠檢測(cè)多達(dá)20種的錯(cuò)誤。GXT-M201模塊最大可獲取30萬(wàn)像素的JPEG壓縮圖像，完全能夠滿足本系統(tǒng)對(duì)圖像分辨率的要求[5]。

GPRS模塊選用iwow公司的TR800。TR800模塊提供了完整的GPRS和GSM無(wú)線連接口，能夠直接被當(dāng)作終端產(chǎn)品來(lái)完成圖像和數(shù)據(jù)的傳輸，這是由于它集成的射頻電路和GPRS基帶處理器都是非常完整的。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器，用來(lái)處理外部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送AT指令。RF天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器基帶射頻部分提供所需的電源。GPRS模塊提供了標(biāo)準(zhǔn)TTL電平接口，通過(guò)TTL電平和LPC2148的UART 1口相連，進(jìn)行全雙工通信。TR800工作電壓為3.4～5.5 V。模塊上電后，給模塊RESET腳或者PWON腳（建議前者）一個(gè)至少30 ms的低電平，模塊便啟動(dòng)了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的程序主要就是單片機(jī)控制程序。主要作用就是配合系統(tǒng)的硬件功能，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行起來(lái)，達(dá)到設(shè)計(jì)要滿足的要求。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)Tab.1 System software architecture

系統(tǒng)從上電到開(kāi)始正常工作的整個(gè)過(guò)程都是由主程序負(fù)責(zé)的，這個(gè)過(guò)程的任務(wù)就是各子模塊的初始化，其中包括了系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、串口初始化、輸入輸出口的初始化。系統(tǒng)的初始化子程序集就是由這些子程序組成的。監(jiān)視終端的微控制器主程序流程圖如圖3所示。

對(duì)于監(jiān)視終端模塊，主控制器LPC2148的系統(tǒng)時(shí)鐘選用的是8 M高速的時(shí)鐘源。輸入輸出口初始化的作用是初始輸入輸出模塊、清除標(biāo)志位和中斷使能等。對(duì)于LPC2148負(fù)責(zé)與攝像頭模塊通信的串口USART0接收終端，其傳輸波特率應(yīng)該在串口初始化的過(guò)程中設(shè)置為38 400 bps，并把串口接收中斷啟用。串口USART1負(fù)責(zé)接收終端與GPRS模塊通信，波特率設(shè)置為9 600 bps，用指令A(yù)T+IPR更改波特率。

TCP/IP采用協(xié)議分層的結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。由于系統(tǒng)對(duì)污水參數(shù)和圖像進(jìn)行傳遞，所以可對(duì)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行大量的裁減。應(yīng)用層只需用到HTTP協(xié)議。在傳輸層用TCP傳輸控制協(xié)議有助于提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)層需要用到IP、APP/RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和無(wú)連接的數(shù)據(jù)包傳送服務(wù)，ARP協(xié)議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通訊狀況，由于采用的是無(wú)線通訊方式，易出現(xiàn)掉線情況，所以GPRS通過(guò)定時(shí)監(jiān)控中心發(fā)送ICMP回顯請(qǐng)求，并通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動(dòng)重新建立鏈路，保持系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線。鏈路層采用GPRS支持的IP協(xié)議。只要使用TCP/UDP提供的套 接 字 函 數(shù) 80（2ket、connect、close、bind、listen、accept、send、i'eev等調(diào)用就能實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的TCP連接。通過(guò)裁減TCP／IP協(xié)議既能滿足功能的需要，也可以節(jié)約ARM的存儲(chǔ)器資源[6]。

圖3 監(jiān)視終端單片機(jī)主程序流程圖Fig.3 Program flow chart of monitor terminal signal chip

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的針對(duì)小型污水廠的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，借助成熟的第三方網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控通信網(wǎng)，是無(wú)線監(jiān)系統(tǒng)的新思路?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)是信息化社會(huì)中企業(yè)信化的一個(gè)重要嘗試。本文從小水廠的需求出發(fā)，結(jié)合成本、功能、傳輸速度等多方面因素，設(shè)計(jì)了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的小型水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本理論和基本方法進(jìn)行了有益的嘗試，由于水平和時(shí)間所限，實(shí)時(shí)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件還有許多需要改進(jìn)的地方，可以從以下方面進(jìn)行更深入的研究:系統(tǒng)的主站軟件可以進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，以圖形或曲線的形式實(shí)時(shí)的顯示所采集到的數(shù)據(jù)，采用多線程技術(shù)，開(kāi)發(fā)多終端的主站軟件。

總之，無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)社會(huì)生活信息化和工業(yè)自動(dòng)化有著巨大的作用，如何很好的利用第三方網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線監(jiān)控發(fā)展的一項(xiàng)重要工作，而且隨著3G網(wǎng)絡(luò)的建成和使用，這方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究的需求量將會(huì)蓬勃發(fā)展。

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