基于ARM和Qt的液氨罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

婁海強(qiáng) ，衷衛(wèi)聲，王文海，付 港

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌 330031；2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031；3.浙江大學(xué) 信息學(xué)部，杭州 310027）

2014年，國(guó)家安全監(jiān)管總局發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》，要求各企業(yè)必須完善化學(xué)品罐區(qū)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)施，國(guó)家對(duì)罐區(qū)的監(jiān)控和管理越來越重視。

液氨屬于化工企業(yè)的重大危險(xiǎn)源，液氨儲(chǔ)罐的液位、壓力和罐區(qū)的氨氣濃度、氣溫都是重要監(jiān)控對(duì)象。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，不同工序的原料分布在不同地方，罐區(qū)分布較散，難以做到集中管理。采用遠(yuǎn)程監(jiān)控可使分布較散的罐區(qū)做到統(tǒng)一管理。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)的發(fā)展，給罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與升級(jí)提供了優(yōu)越的條件。本設(shè)計(jì)采用ARM-Linux嵌入式技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)來組建一個(gè)嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液氨罐區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警。GPRS（general packet radio service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，它是基于現(xiàn)有的GSM基礎(chǔ)上發(fā)展的一種低成本、高效的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[1]。利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、設(shè)備成本低、按流量計(jì)費(fèi)、價(jià)格合理的優(yōu)點(diǎn)，適合間斷的、長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸[2]。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)，分別為現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ARM微處理器選擇S3C2440A，該微處理器是韓國(guó)三星公司面向手持設(shè)備以及高性價(jià)比、低功耗和低價(jià)格而設(shè)計(jì)的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器，標(biāo)準(zhǔn)工作頻率可達(dá)400 MHz[3]。

現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端，主要完成液氨罐區(qū)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、語音和短信報(bào)警、數(shù)據(jù)的無線傳輸、執(zhí)行安全聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)等工作。信息采集是由溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、氨氣濃度傳感器采集標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，然后ARM處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。當(dāng)壓力、液位、溫度或空氣氨氣濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，則觸發(fā)ARM處理器控制現(xiàn)場(chǎng)語音模塊進(jìn)行語音報(bào)警和控制GPRS模塊向安全管理人員發(fā)送短信報(bào)警，并控制安全聯(lián)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)排除危險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸將罐區(qū)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)絡(luò)采用中國(guó)移動(dòng)的GPRS的APN專網(wǎng)固定IP地址的方式傳輸數(shù)據(jù)。首先向中國(guó)移動(dòng)公司開通GPRS的APN專網(wǎng)業(yè)務(wù)，開通該業(yè)務(wù)后就可以給現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心分配中國(guó)移動(dòng)內(nèi)部固定IP地址。這樣，由現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端所采集的數(shù)據(jù)和圖片都可以在中國(guó)移動(dòng)GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳送。監(jiān)視中心負(fù)責(zé)罐區(qū)數(shù)據(jù)的接受、顯示、存儲(chǔ)和管理。

1.2 各模塊硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

考慮到系統(tǒng)的兼容性，本系統(tǒng)主要選擇輸出為標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA電流模擬傳感器。液氨儲(chǔ)罐壓力傳感器選擇PT212BX壓力變送器，采用防爆型殼體，耐腐蝕，可輸出4～20 mA模擬信號(hào)。液氨儲(chǔ)罐液位傳感器選擇HS-2000智能型液氨儲(chǔ)罐液位計(jì)。測(cè)量時(shí)將超聲波探頭安裝在液氨儲(chǔ)罐外壁的底部，不需要對(duì)儲(chǔ)罐開孔，安裝也非常簡(jiǎn)單，不會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)。儀器采用隔爆設(shè)計(jì)，滿足防爆要求。此外儀表可輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)?？諝庖喊睗舛葯z測(cè)選擇MOT500-NH3氨氣檢測(cè)儀，該儀器采用安全的防爆技術(shù)，可以用在危險(xiǎn)場(chǎng)所，儀器具有4～20 mA信號(hào)輸出。氣溫傳感器采用武漢新綠原科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的LVQWC-21大氣溫度傳感器，廣泛應(yīng)用于化工、農(nóng)業(yè)、氣象等需要測(cè)量大氣溫度的領(lǐng)域，可以輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，測(cè)量范圍-40～60℃。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇ADS8344E，該芯片為TI公司生產(chǎn)的16位8輸入模擬通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換速率高達(dá)100 kHz[4]。ADS8344E支持串行接口方式[5]，本系統(tǒng)采用串行SPI接口與S3C2440A連接。

1.2.2 語音模塊

語音模塊采用ISD1420語音芯片，其內(nèi)有128 K的E2PROM用于存放語音信息，并可以分為160段，每段存儲(chǔ)0.125 s的語音信息，總共存儲(chǔ)20 s[6]。由于本設(shè)計(jì)中的報(bào)警極限值分別為液氨儲(chǔ)罐壓力預(yù)警和上限報(bào)警、液氨儲(chǔ)罐液位預(yù)警和上限報(bào)警、氣溫預(yù)警和上限報(bào)警、空氣氨氣濃度的預(yù)警和上限報(bào)警，共8段語音報(bào)警，錄音及放音功能均從設(shè)定的起始地址開始，地址由A0～A7引腳設(shè)定，8段語音的ISD1420地址空間首地址分別為00000000、00010100、00101000、00111100、01010000、01100100、01111000、10001100。

語音芯片的電平觸發(fā)引腳PLAYL與S3C2440A的GPA8引腳相連，地址控制端引腳A0～A7與GPA0～GPA7相連，放音時(shí)由ARM命令給出語音段首址和使PLAYL引腳為低電平開始放音。

1.2.3 GPRS模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心的數(shù)據(jù)通信。本設(shè)計(jì)選擇G20模塊，它是Motor公司生產(chǎn)的，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，所以設(shè)計(jì)者自己不需要實(shí)現(xiàn)TCP的打包過程，簡(jiǎn)化了軟件系統(tǒng)開發(fā)過程和節(jié)省了軟件系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間。G20使用非常簡(jiǎn)單，只需要將它與S3C2440A的UART1串口相連。對(duì)G20的操作是通過AT指令來實(shí)現(xiàn)的，G20與ARM處理器成功連接后，系統(tǒng)就可以通過ARM處理器給G20發(fā)送相關(guān)的AT指令。

當(dāng)然，光有G20模塊是不能完成無線通信的，還必須連接用戶身份識(shí)別卡SIM卡，而且所使用的SIM卡需開通中國(guó)移動(dòng)的GPRS業(yè)務(wù)。數(shù)據(jù)監(jiān)視中心以無線方式接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，并得到GPRS內(nèi)網(wǎng)的靜態(tài)IP地址，將靜態(tài)IP地址與SIM卡號(hào)進(jìn)行綁定。

1.2.4 安全聯(lián)鎖模塊

安全聯(lián)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是電磁閥，是通過ARM微處理器控制相關(guān)繼電器來控制電磁閥的開與關(guān)。一是當(dāng)液氨儲(chǔ)罐壓力過高時(shí)，通過控制電磁閥給液氨儲(chǔ)罐泄壓至備用儲(chǔ)罐；二是當(dāng)氣溫過高時(shí)，通過控制電磁閥打開液氨儲(chǔ)罐頂部的噴淋水出口，從而降低液氨儲(chǔ)罐的溫度；三是當(dāng)液氨泄漏時(shí)，通過控制電磁閥打開噴淋水吸收空氣中的氨氣；四是當(dāng)向儲(chǔ)罐充液氨液位過高時(shí)，通過控制電磁閥快速切斷充氨口。

電磁閥由S3C2440A的GPIO引腳控制，當(dāng)GPIO為高電位時(shí)，驅(qū)動(dòng)三極管放大電路，從而驅(qū)動(dòng)繼電器控制電磁閥。當(dāng)監(jiān)控要素超限達(dá)到上限報(bào)警值，ARM處理器使控制相應(yīng)電磁閥的GPIO引腳產(chǎn)生高電平，從而執(zhí)行安全聯(lián)鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液氨進(jìn)口切斷閥、液氨儲(chǔ)罐泄壓閥、儲(chǔ)罐噴淋水出口閥、空氣噴淋水出口閥分別由S3C2440A的GPA11、GPA12、GPA13、GPA14來控制相應(yīng)的繼電器。

1.2.5 圖像采集模塊

對(duì)罐區(qū)的圖像監(jiān)測(cè)采用USB高速攝像頭進(jìn)行圖像采集，而視頻格式數(shù)據(jù)量太大，不方便傳輸和保存，所以采用定時(shí)對(duì)化工罐區(qū)進(jìn)行圖片采集。因不需要進(jìn)行圖像優(yōu)化處理，只需要圖片格式文件，本系統(tǒng)選擇ov518芯片攝像頭。

2 現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

2.1 Bootloader的移植和Linux內(nèi)核的配置移植

Bootloader指系統(tǒng)啟動(dòng)后，在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運(yùn)行的一段小程序，它類似于PC中的BIOS程序。通過這段程序，可以完成硬件設(shè)備的初始化，并建立內(nèi)存空間的映射圖的功能，從而將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做準(zhǔn)備。

標(biāo)準(zhǔn)Linux內(nèi)核2.6版本有1000多萬行代碼，相對(duì)于資源有限的嵌入式系統(tǒng)來說過于龐大，因此移植之前需要根據(jù)目標(biāo)平臺(tái)的實(shí)際情況對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行裁剪和配置。裁剪配置完成后，再進(jìn)行編譯內(nèi)核生成內(nèi)核映像文件zImage。主要使用make menuconfig來裁剪配置內(nèi)核。主要配置CPU平臺(tái)、萬能驅(qū)動(dòng)USB攝像頭、SD/MCC卡驅(qū)動(dòng)、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)等。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用程序

現(xiàn)場(chǎng)嵌入式終端程序主要完成以下幾個(gè)功能：

1）完成數(shù)據(jù)采集工作：對(duì)外部的壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器以及氨氣濃度傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理。

2）完成報(bào)警報(bào)警工作：分析采集的數(shù)據(jù)，判斷是否達(dá)到報(bào)警值，當(dāng)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，進(jìn)行語音和短信報(bào)警。

3）完成圖像采集工作：控制USB高速攝像頭完成罐區(qū)的圖片采集。

4）完成數(shù)據(jù)傳輸工作：ARM處理器發(fā)送AT命令控制G20 GPRS模塊將采集到的數(shù)據(jù)和圖片通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心。

5）完成安全聯(lián)鎖控制工作：當(dāng)液氨罐區(qū)狀態(tài)參數(shù)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，控制相應(yīng)的外部繼電器動(dòng)作。

現(xiàn)場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用程序流程如圖2所示。

3 據(jù)監(jiān)視界面設(shè)計(jì)

要想很好地顯示數(shù)據(jù)，就要利用組態(tài)軟件來進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的監(jiān)視界面是采用Qt來設(shè)計(jì)的。Qt有著比較強(qiáng)的跨平臺(tái)特性，它的出現(xiàn)給嵌入式程序設(shè)計(jì)人員帶來了很大的便利，深受程序員的親睞。

圖2 場(chǎng)嵌入式監(jiān)測(cè)終端應(yīng)用程序流程Fig.2 rogram flow chart of embedded monitoring terminal

數(shù)據(jù)監(jiān)視中心使用GPRS-DTU來接入中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過Socket網(wǎng)絡(luò)編程來傳輸數(shù)據(jù)。Qt中提供的Socket完全使用類的封裝機(jī)制，用戶不需要接觸底層的各種結(jié)構(gòu)體操作[7]，并且它采用Qt本身的信號(hào)與槽機(jī)制，這使得我們?cè)O(shè)計(jì)的程序非常直觀。Qt的Socket支持TCP或UDP協(xié)議，使用TCP協(xié)議去建立網(wǎng)絡(luò)連接及傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)軟件的核心。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇比較常用的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。MySQL運(yùn)行時(shí)需要的內(nèi)存較少，其代碼是開源的，所以成本低，并且MySQL可移植到不同硬件平臺(tái)。Linux GUI提供的MySQL支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編程，通過Qt編程來實(shí)現(xiàn)，比較簡(jiǎn)單。

通過Qt Designer就很容易將所需的控件組合在一起形成一個(gè)整齊的數(shù)據(jù)監(jiān)視界面。各個(gè)控件組合起來之后，通過信號(hào)與槽機(jī)制來設(shè)置各個(gè)控件之間的響應(yīng)。

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。氨氣濃度直接采集實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)空氣中氨氣濃度，但是我們選擇的氨氣濃度檢測(cè)儀的分辨率不是很高，不足以檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室的氨氣，所以氨氣濃度顯示為0.0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 監(jiān)視界面Fig.3 Monitoring interface

我們還可以點(diǎn)擊“歷史數(shù)據(jù)”、“日志”、“圖片查詢”分頁按鈕，分別進(jìn)入到其他子頁面窗口進(jìn)行其他操作。

4 結(jié)語

越來越多的研究人員融合GPRS無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)來實(shí)現(xiàn)嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了其廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和前景。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、GPRS無線通訊技術(shù)、現(xiàn)代檢測(cè)與傳感技術(shù)以及語音芯片技術(shù)的發(fā)展與成熟，給罐區(qū)監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行改造和升級(jí)提供了優(yōu)越的條件。本文就是利用基于ARM和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液氨罐區(qū)的監(jiān)控，并通過Qt來設(shè)計(jì)監(jiān)控界面。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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