基于嵌入式Web服務(wù)器的pH值檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

于翰林　盧澤民　朱詠莉

摘要：水環(huán)境中的pH（酸堿度）值直接反映水環(huán)境中藻類的活力、二氧化碳的存在狀態(tài)等，對水產(chǎn)養(yǎng)殖具有重要的參考意義。為甲魚養(yǎng)殖環(huán)境設(shè)計(jì)了1種基于嵌入式服務(wù)器的pH值檢測系統(tǒng)，以pH復(fù)合玻璃電極作為傳感節(jié)點(diǎn)；以ARM6開發(fā)板為核心構(gòu)建系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)及Web服務(wù)器，同時(shí)作為硬件的采集終端和嵌入式網(wǎng)關(guān)核心。系統(tǒng)可以對甲魚養(yǎng)殖環(huán)境中的pH值及溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測，同時(shí)將數(shù)據(jù)接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可通過客戶端IE瀏覽器實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：嵌入式Web服務(wù)器；酸堿度；瀏覽器；網(wǎng)關(guān)；甲魚

中圖分類號(hào)： TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0390-03

收稿日期：2014-02-28

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：40901112）。

作者簡介：于翰林（1987—），男，山東聊城人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化研究。E-mail：yuhanlin_2008@163.com。

通信作者：盧澤民，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程裝備研究。E-mail：luzm@ujs.edu.cn。在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖中，水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控是健康養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)，水質(zhì)監(jiān)控可以掌握養(yǎng)殖水體的溫度、濁度、pH值、溶解氧等對水產(chǎn)品生長環(huán)境有重大影響的水質(zhì)參數(shù)，其中pH值是池塘中水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，不僅會(huì)直接影響甲魚的生理活動(dòng)，而且會(huì)通過改變水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境中的微生物理化因子而間接作用于甲魚[1]，pH值過高或過低都會(huì)對甲魚的生長造成危害。確保適宜的水體溫度、pH值、溶解氧等參數(shù)值，創(chuàng)造良好的養(yǎng)殖環(huán)境對甲魚生長至關(guān)重要。目前的檢測方法測得的pH值不夠精準(zhǔn)，實(shí)時(shí)性不夠穩(wěn)定，因此，準(zhǔn)確、方便、快速地測量水體中的pH值大小，為甲魚的正常生長繁殖提供一個(gè)穩(wěn)定、合理的生存環(huán)境在水產(chǎn)養(yǎng)殖中具有重要意義。本研究構(gòu)建基于 ARM-Linux 的嵌入式服務(wù)器，系統(tǒng)中ARM6處理器既作為采集電路的核心又作為嵌入式網(wǎng)關(guān)的核心，通過編寫相應(yīng)的應(yīng)用層CGI程序，實(shí)現(xiàn)瀏覽器/服務(wù)器（B/S）通信[2-3]，具有以下特點(diǎn)：（1）簡易的嵌入式服務(wù)器代碼和服務(wù)器端應(yīng)用程序代碼，實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器的基本功能；（2）采用B/S通信架構(gòu)，直接讀取遠(yuǎn)程的檢測數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的開發(fā)簡單，操作方便，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，反復(fù)測試證明系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性均達(dá)要求。

1系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)

在硬件系統(tǒng)中，其整體設(shè)計(jì)主要包括2個(gè)部分：采集電路與嵌入式網(wǎng)關(guān)，詳見圖1。pH傳感器對水體水質(zhì)中的pH值參數(shù)進(jìn)行初步檢測，同時(shí)調(diào)理電路對傳感器采集來的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和穩(wěn)壓處理[4]，被處理后的信號(hào)經(jīng)過開發(fā)板的2路AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的結(jié)果計(jì)算，同時(shí)通過以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)跟以太網(wǎng)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換，最后在客戶端的瀏覽器中對檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取。

1.2采樣電路的設(shè)計(jì)

酸堿度傳感器采用E-201-C型pH復(fù)合玻璃電極，在25 ℃時(shí)，其電極輸出電壓與pH值的關(guān)系為59.16 mV/pH，即在氫離子活度變化10倍時(shí)，電動(dòng)勢偏移59.16 mV。由于pH復(fù)合玻璃電極的內(nèi)阻值較大，要求前置放大器具備高輸入阻抗值[5]，因此選擇高輸入阻抗的運(yùn)算放大器 CA3140來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配、降低測量噪聲、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性等[6]，其余的普通運(yùn)放選用運(yùn)算放大器TL082，硬件電路如圖2所示。

在測量pH值之前要對其調(diào)理電路作調(diào)試，首先對運(yùn)算放大器CA3140的調(diào)零端進(jìn)行調(diào)零，調(diào)零時(shí)應(yīng)將2個(gè)輸入端全部接地，小量程電壓表連接運(yùn)放輸出端，調(diào)整P1，使得電壓表讀數(shù)接近零。而后對整個(gè)pH信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)試，其方法是：斷開pH電極輸入，使P2居中，之前接pH值信號(hào)輸入運(yùn)放的輸入端接地，調(diào)節(jié)P3，使電路輸出電壓為700 mV，此時(shí)相當(dāng)于輸出的pH值為7；之前接pH值信號(hào)輸入的運(yùn)放輸入端接通-414.1 mV的輸入電壓，調(diào)節(jié)P2，使電路輸出電壓為1 400 mV，此時(shí)對應(yīng)的是輸出pH值為14，pH信號(hào)調(diào)理電路板便可以正常工作。

1.3嵌入式網(wǎng)關(guān)構(gòu)建

嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。在嵌入式網(wǎng)關(guān)的構(gòu)建中，選用DM9000A作為以太網(wǎng)芯片的核心。DM9000A以太網(wǎng)芯片是功能異常強(qiáng)大的以太網(wǎng)控制器，產(chǎn)自Davicom公司，有1個(gè)10/100 M的自適應(yīng)物理層與4 k雙字節(jié)的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。此外，DM9000A控制器還提供了與介質(zhì)無關(guān)的接口，該控制器支持8位、16位的接口來訪問內(nèi)部的存儲(chǔ)器設(shè)備，從而支持不同模型的處理器[7-8]。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1Web服務(wù)器在軟件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

本研究完成了1個(gè)簡易、低成本的Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了Web服務(wù)器的基本功能，包括頁面的請求與響應(yīng)、HTML 文件解析和數(shù)據(jù)傳送[9]。建立socket網(wǎng)絡(luò)連接是構(gòu)建Web服務(wù)器的基礎(chǔ)，在Linux下，用戶通過socket接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程操作[10]。編寫Web服務(wù)器本質(zhì)上就是建立起客戶端與服務(wù)器端的socket連接，服務(wù)器端讀取客戶端請求，并進(jìn)行相應(yīng)操作；客戶端首先讀取服務(wù)器端應(yīng)答和請求，然后對其進(jìn)行解析、繪圖并且加以運(yùn)行[11]?？蛻舳伺c服務(wù)器的交互主要包括客戶請求及服務(wù)器應(yīng)答，請求和應(yīng)答格式均在超文本傳輸協(xié)議（HTTP）中有明確定義。Web服務(wù)器工作流程如圖4所示。客戶端和Web服務(wù)器交互的基本布局為：（1）客戶發(fā)送請求：GET filename HTTP/version；（2）服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答：HTTP/version status-code status-message。

用戶瀏覽器端與服務(wù)器端建立socket連接后，用戶通過在瀏覽器端單擊1個(gè)鏈接的形式獲取網(wǎng)頁，即發(fā)送1個(gè)命令請求，服務(wù)器端利用GET命令接受請求、讀取請求，并打印輸出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。endprint

2.2應(yīng)用層CGI程序設(shè)計(jì)

通用網(wǎng)關(guān)接口 （common gateway interface，CGI）表示一段程序，運(yùn)行在Web服務(wù)器上，其主要功能是在Web的環(huán)境下，從客戶端向Web服務(wù)器傳達(dá)若干信息或命令，而后Web服務(wù)器啟動(dòng)指定程序來完成特定工作[12]。在瀏覽器/服務(wù)器模式下，CGI是由瀏覽器的輸入命令進(jìn)行觸發(fā)的。

首先，用戶在瀏覽器端的地址欄中輸入要訪問的地址并通過回車來觸發(fā)這個(gè)指令申請，同時(shí)瀏覽器將這個(gè)申請命令通過TCP協(xié)議發(fā)送到服務(wù)器端并被接收。Web服務(wù)器端在接收完這些申請之后，按照.htm或者.html的后綴來認(rèn)識(shí)這個(gè)文件是否是HTML類型的文件。如果是HTML類型的文件，Web服務(wù)器會(huì)從當(dāng)前的存儲(chǔ)中讀取到正確的HTML型文件，并將其以網(wǎng)頁的形式送回到瀏覽器端。Web瀏覽器、服務(wù)器以及CGI程序運(yùn)行關(guān)系如圖5所示。

用戶瀏覽器端與服務(wù)器端建立socket連接后，用戶通過在瀏覽器端單擊1個(gè)鏈接的形式獲取網(wǎng)頁，即發(fā)送一個(gè)命令

請求，服務(wù)器端利用GET命令接受請求、讀取請求，并打印輸出相關(guān)數(shù)據(jù)信息。本研究設(shè)計(jì)的簡易Web服務(wù)器僅支持GET命令，僅接受請求行，而略過了其他復(fù)雜參數(shù)。主循環(huán)如下所示：

sock=make_server_socket（atoi（av[1]））；//建立socket連接監(jiān)聽客戶端請求

if （sock=-1）

exit（2）；

while（1）

{fd=accept（sock，NULL，NULL）；//接受請求

fpin=fdopen（fd，“r”）；

fgets（fpin，request，LEN）； //讀取客戶端的請求

read_until_crnl（fpin）； //跳過其他命令

process_rq（request，fd）； //接收客戶端請求

Fclose（fpin）；

}……3試驗(yàn)測試

通過在不同的溫度下對pH值進(jìn)行校正，完成pH值為400、6.86、9.18的標(biāo)準(zhǔn)溶液測量，然后通過最小二乘法對不同溫度下pH值直線進(jìn)行擬合（pH值相對應(yīng)溫度變化保持線性關(guān)系），寫入到檢測程序中，通過查詢相應(yīng)直線就能得到不同溫度下測量的相對應(yīng)pH值[13]。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1pH值標(biāo)定數(shù)據(jù)

溫度

（℃）Ex（pH值=4.00）

（mV）Ex（pH值=6.86）

（mV）Ex（pH值=9.18）

（mV）254937669562649776695627492764957284937609572949276395530492762956注：Ex為標(biāo)定電壓值。

考慮到溫度對pH值的影響，采用了常用的最小二乘法來擬合直線。

設(shè)定標(biāo)曲線，也就是實(shí)際輸出與輸入的特性曲線是y=f（x）；擬合直線的方程是Y=A+BX。按最小二乘法，擬合直線與定標(biāo)曲線的響應(yīng)點(diǎn)輸出量偏差平方和為最低[14]。

（A，B）=∑ni=1（yi-A-Bxi）2（1）

式中：xi是測試得到的輸入數(shù)據(jù)；yi是測試得到的輸出數(shù)據(jù)；n為測試數(shù)據(jù)組數(shù)目。

確定擬合直線方程中的A、B作為變量來求解，分別對A、B變量求偏導(dǎo)，且令其等于零得：

A=2∑ni=1（yi-A-Bxi）=0；

B=2∑ni=1（yi-A-Bxi）xi=0。

整理后得：

∑ni=1yi=nA+B∑ni=1xi

∑ni=1xiyi=A∑ni=1xi+B∑ni=1x2i。

經(jīng)過計(jì)算∑xi、∑yi、∑xiyi、∑x2i數(shù)值，代入方程組，構(gòu)成關(guān)于A、B的二元方程組，解得A、B值，即求得擬合直線方程。

在對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，采用了最小二乘法擬合直線。本試驗(yàn)選用pH值為6.86、9.18進(jìn)行2點(diǎn)標(biāo)定，具體擬合的直線參數(shù)如表2所示。其系數(shù)k=1/b，b=A。

表2不同溫度下擬合pH值曲線系數(shù)

溫度

（℃）pHx=k（Ex-b）bk≤24219.129 080.012 477 225～29193.606 420.012 036 730～34174.005 020.011 744 135～39174.374 180.011 779 8≥40182.629 240.011 999 3

同時(shí)，在嵌入式開發(fā)板上運(yùn)行Web服務(wù)器，在上位機(jī)瀏覽器中輸入應(yīng)用CGI程序的名稱，通過Web服務(wù)器執(zhí)行應(yīng)用程序[15]，在客戶端瀏覽器上實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)的pH值顯示信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測。

4結(jié)論

在系統(tǒng)中，將ARM芯片既作為信號(hào)的采集終端又作為以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的核心，有效利用了硬件資源。同時(shí)，在實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性較強(qiáng)的Linux操作系統(tǒng)上移植TCP/IP協(xié)議，構(gòu)建Web服務(wù)器，編寫應(yīng)用層通用網(wǎng)關(guān)接口程序，實(shí)現(xiàn)對水質(zhì)中pH值的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足了信息傳輸和對系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的要求。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證明，系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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