基于STM32的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院 武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司 張 慧 賈寶良 羅 熠

1.引言

目前，我國(guó)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)體系的自動(dòng)化程度和信息化程度不足，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信及自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)并建立全方位水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)有著重大意義[1]。STM32處理器和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速靈活部署、成本低、功耗低、節(jié)點(diǎn)體積小、抗干擾性強(qiáng)，適用于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)方法主觀性強(qiáng)、監(jiān)測(cè)范圍小和難以應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件等缺點(diǎn)，能夠提供更快的實(shí)時(shí)響應(yīng)，縮短信息傳播周期，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[2]

本文基于STM32處理器，將無(wú)線傳感器布置于被監(jiān)測(cè)水域，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制，使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩糁行?，?shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和發(fā)布，為水質(zhì)評(píng)價(jià)和管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。

2.系統(tǒng)原理

2.1 STM32處理器

本設(shè)計(jì)中選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32處理器。STM32微處理器具有Cortex-M3多項(xiàng)新型的增強(qiáng)架構(gòu)，性能優(yōu)異、功耗超低，集成度高，擁有復(fù)位電路、低電壓檢測(cè)、調(diào)壓器、精確的RC 振蕩器等，并提供豐富的外設(shè)和USB 接口，便于進(jìn)行USB 開發(fā)， STM32 固件庫(kù)提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問(wèn)STM32的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)[3]。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）包括傳感器節(jié)點(diǎn)、IP網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、路由器、用戶管理端，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，它們通過(guò)自組織和多跳的方式構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至路由器，路由器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星等方式將所有數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶管理端[4]。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用WQ系列的水質(zhì)傳感器，美國(guó)GLOBALWATER公司生產(chǎn)的專門應(yīng)用于水環(huán)境測(cè)量的WQ系列水質(zhì)傳感器具有很高的精度和測(cè)量準(zhǔn)確性，安全可靠，而且價(jià)格比其他公司生產(chǎn)的水質(zhì)傳感器要低，滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)的需要。本系統(tǒng)所選用的傳感器的部分型號(hào)和參數(shù)如表1所示。

STM32處理器擁有32位的Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率達(dá)到72 MHz．內(nèi)部集成了512Kbytes Flash存儲(chǔ)器和64Kbytes SRAM，并且擁有豐富的外設(shè)。強(qiáng)大的處理能力能夠滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器協(xié)議與TCWIP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。ENC28J60是兼容IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成MAC和10 BASE-T PHY，8KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM，最高可達(dá)10Mb/s的SPI端口。ENC28J60通過(guò)SPI接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊是裝有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信協(xié)議的CC2530的最小系統(tǒng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊通過(guò)UART接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖1所示，主要由STM32處理器、DTU和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器無(wú)線模塊組成。

表1 部分傳感器參數(shù)表Table 1 Part of the sensor parameter table

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件框圖Figure1 Hardware block diagram of gateway

在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)功能模塊。數(shù)據(jù)采集考慮的性能指標(biāo)是采集精度和采集速度，因此選擇A/D芯片時(shí)主要考慮采樣位數(shù)（分辨率）、采樣率和采樣通道，同時(shí)考慮成本。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)容量和速度是關(guān)鍵。高速、實(shí)時(shí)、連續(xù)采集和存儲(chǔ)的情況下，一方面要求系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行信號(hào)采集，同時(shí)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，否則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，本設(shè)計(jì)采用雙緩沖區(qū)交替存儲(chǔ)模式。數(shù)據(jù)傳輸采用通用串行總線USB、232 485串口通訊相結(jié)合，及時(shí)觀察和調(diào)試程序運(yùn)行的狀態(tài)，同時(shí)還提供一些外圍功能模塊，如JTAG 調(diào)試接口、LED 指示燈，電源模塊、復(fù)位模塊等。

傳感器輸出的信號(hào)為模擬電流信號(hào)，這些信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的濾波、放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。信號(hào)處理與射頻模塊采用CC2530芯片，它是應(yīng)用于IEEE802.15.4無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器和RF4C的片上系統(tǒng)解決方案。該芯片集成了高性能的RF收發(fā)器，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051控制器，在系統(tǒng)可編程的flash和多達(dá)8KB的RAM。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用Z—stack協(xié)議棧，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集觸發(fā)條件限定為：定時(shí)器時(shí)間間隔到達(dá)；接收到數(shù)據(jù)采集命令，可以在滿足數(shù)據(jù)采集要求的前提下減少數(shù)據(jù)采集的次數(shù)，最大限度節(jié)約能量，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Figure 2 Flowchart of data acquisition

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器與以太網(wǎng)通過(guò)UC/OS—II提供的消息隊(duì)列進(jìn)行通信，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器協(xié)議到TCP/IP協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換，與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信相關(guān)的Task（）和與以太網(wǎng)通信相關(guān)的任務(wù)Ethernet Task（），兩個(gè)任務(wù)通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4.結(jié)束語(yǔ)

高性能低價(jià)位的處理器不斷推出也為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)采集的發(fā)展提供了動(dòng)力和保障，本文對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)存在人工采集，采樣間隔時(shí)間長(zhǎng)，難以連續(xù)監(jiān)控水質(zhì)等缺點(diǎn)，提出了基于STM32的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有功耗低、高可靠性、抗高過(guò)載、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置于所監(jiān)測(cè)水域，利用傳感器協(xié)議實(shí)時(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù)，使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舯O(jiān)控中心，本系統(tǒng)全面提升了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平，能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和發(fā)布，對(duì)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，為管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]杜曉明．多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．大連理工大學(xué),2015．

[2]王斐,趙牛杰．基于STM32與FPGA的信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)[J]．江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018(01)．

[3]李志廣．基于STM32單片機(jī)的四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集研究[D]．安徽理工大學(xué),2017．

[4]Cao X．H．,J．M．Chen,Y．Zhang．Development of an integrated wireless sensor network micro-environmental monitoring system．ISA Transactions．2008．