嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)污染物監(jiān)測(cè)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃浩然 謝其國(guó)

摘要： 該文介紹了嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)污染監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，以Android作為平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟、硬件系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)在各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)不同污染物的數(shù)據(jù)采集、處理、上傳等功能，提供了一種拓展性強(qiáng)、接口豐富、可操作性高的污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：Android；監(jiān)測(cè)；污染物

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）08-0238-02

1概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，針對(duì)日漸嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題，國(guó)家不斷推動(dòng)新的政策和體制改革。習(xí)近平同志在十九大報(bào)告中指出，堅(jiān)持人與自然和諧共生。必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國(guó)策。參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為環(huán)境污染數(shù)據(jù)獲取手段，對(duì)污染源的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理有重要作用。本文介紹一種基于Android的嵌入式工業(yè)污染物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)污染物現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、處理、上傳等功能，進(jìn)而為上位機(jī)提供可靠及時(shí)的污染物數(shù)據(jù)。

2設(shè)計(jì)分析

（1）嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體中以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)的軟件、硬件組成可按需剪裁，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃崛起，嵌入式系統(tǒng)在我們生產(chǎn)生活的各個(gè)角落發(fā)揮極其重要的作用。

（2）功能分析。工業(yè)污染以生產(chǎn)過程中的廢水，廢氣，廢渣以及噪聲為主。在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，由于供電、網(wǎng)絡(luò)、溫濕度等工作條件的多變性，要求嵌入式系統(tǒng)軟件硬件設(shè)計(jì)能夠保證高效可靠的運(yùn)行。針對(duì)不同的污染物有相應(yīng)的前端傳感器，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠與不同類型的傳感器保持兼容，能夠通過總線協(xié)議完成與傳感器的串口通訊，對(duì)模擬和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)制轉(zhuǎn)換。同時(shí)需要相應(yīng)的開關(guān)量控制使污染物數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及時(shí)反饋到現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)?？刂圃O(shè)備。系統(tǒng)需要可靠的電源模塊克服工業(yè)供電電壓波動(dòng)，在出現(xiàn)臨時(shí)斷電的情況下，能夠通過備用電源供應(yīng)選擇保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的完整性和連續(xù)性。一般的嵌入式設(shè)備主要采用基于ARM甚至是普通單片機(jī)的平臺(tái)，搭載μC/OS、Linux、WINCE等嵌入式操作系統(tǒng)，在本設(shè)計(jì)中采用性能更強(qiáng)的嵌入式硬件平臺(tái)，同時(shí)以當(dāng)今熱門的Android作為操作系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的兼容性，拓寬系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景。

3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1總體設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括傳感器、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)等。如圖1所示，其中傳感器用于采集各類污染物的數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)用于處理源數(shù)據(jù)、匯總上傳數(shù)據(jù)，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)與各級(jí)環(huán)保中心的監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)匯報(bào)。

3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括六個(gè)模塊，如圖2所示。主控芯片是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，選用開放性好、成熟度高的Android系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，使其方便應(yīng)用于各類工業(yè)污染源現(xiàn)場(chǎng)，二次開發(fā)與可移植性好。通訊模塊設(shè)計(jì)包括以太網(wǎng)、LTE、WLAN等模組，滿足與上位機(jī)即的數(shù)據(jù)傳送要求。顯示模塊結(jié)合觸摸操作提供與用戶的顯示與交互功能。電源模塊采用鋰電池模塊與市電雙路設(shè)計(jì)，滿足現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)供電需求。通過驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)連接I/O設(shè)備與串口設(shè)備，使系統(tǒng)能夠接入各用途的傳感器采集污染物數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、通訊功能模塊。

（1）參數(shù)設(shè)置模塊。針對(duì)不同工業(yè)污染源的現(xiàn)場(chǎng)情況，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過對(duì)串口通道的設(shè)置使其前端的傳感器可以正確的采集數(shù)據(jù)，通過對(duì)I/O通道得設(shè)置使系統(tǒng)連接的外圍設(shè)備正確工作，通過對(duì)傳輸協(xié)議的設(shè)置滿足通訊需求，設(shè)置各傳感器所采集通道的污染物參數(shù)采集類型、傳輸波特率、校驗(yàn)信息等信息。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊。傳感器：能夠探測(cè)被測(cè)量信息并將被測(cè)信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為其他所需形式的信息輸出，從而滿足對(duì)數(shù)據(jù)的操作需求的裝置。污染物前端傳感器以氣、液、固、聲為主，針對(duì)一氧化碳、PM2.5、臭氧、氨氮含量、PH值、重金屬含量等，將采集數(shù)據(jù)通過I2C總線或電壓電流變送傳送給系統(tǒng)。

Modbus：Modbus協(xié)議是一種公開通用的串行通信協(xié)議，常用于連接工業(yè)電子設(shè)備，大多數(shù)通過串口EIA-485物理層進(jìn)行，基于Master/Slave架構(gòu)， 串行協(xié)議中除有奇偶校驗(yàn)外，ASCII模式采用LRC校驗(yàn)，RTU模式采用16位CRC校驗(yàn)。在本系統(tǒng)中通過Modbus協(xié)議進(jìn)行系統(tǒng)與傳感器之間的串口數(shù)據(jù)通信與命令控制。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊。對(duì)于傳感器采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格處理并存儲(chǔ)入數(shù)據(jù)庫。對(duì)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按照采集時(shí)間、污染物類型等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，得到最大值、最小值、平均值等數(shù)據(jù)入庫。同時(shí)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示與查詢功能，并按照參數(shù)設(shè)置模塊所設(shè)置的預(yù)警值、超限值等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行反饋與提示。

（4）通訊功能模塊。針對(duì)污染監(jiān)測(cè)監(jiān)控的相關(guān)數(shù)據(jù)，環(huán)保部有《HJ 212-2017污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了標(biāo)定，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有以太網(wǎng)、LTE與WLAN等通信方式，通訊模塊對(duì)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并由上述方式通過傳輸網(wǎng)絡(luò)按照國(guó)標(biāo)傳輸給上位機(jī)并完成對(duì)上位機(jī)指令的解析。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

（1） SQLite數(shù)據(jù)庫：SQLite是由C語言編寫的輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫引擎，對(duì)大部分的SQL92提供支持。SQLite是一種強(qiáng)有力的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫，它放棄了傳統(tǒng)大型數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜特性，只保留數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)最重要的基本功能。由于其源代碼開放，可以避免在學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程中的版權(quán)問題，也有利于系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)行的穩(wěn)定性。其體積小、速度快同時(shí)具有對(duì)ACID事務(wù)特性的支持。在Android開發(fā)平臺(tái)中也對(duì)SQLite有良好的支持。

（2）數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)針對(duì)需求特性，將主要數(shù)據(jù)分為內(nèi)容編碼、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)置數(shù)據(jù)三類。內(nèi)容編碼針對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)相關(guān)內(nèi)容的統(tǒng)一編碼對(duì)應(yīng)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)即污染物采集的各類數(shù)據(jù)。由于不同污染物監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的具體需求不同，針對(duì)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置的數(shù)據(jù)以設(shè)置數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

內(nèi)容編碼：以污染物編碼表為例

依據(jù)《根據(jù)國(guó)標(biāo)《HJ 212-2017污染物在線監(jiān)控（監(jiān)測(cè)）系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)》，污染物數(shù)據(jù)必須包括以下屬性：

污染物編碼：污染物在系統(tǒng)中的唯一標(biāo)識(shí)，設(shè)定為污染物實(shí)體的主鍵，以整型為數(shù)據(jù)類型，如：一氧化碳的污染物編碼為“a21005”

污染物名稱：即污染物的名稱

應(yīng)用范圍：指污染物的類型，有噪聲、廢氣、污水等。

計(jì)量單位：所測(cè)污染物的數(shù)據(jù)單位，如廢氣的計(jì)量單位為m3/s、污水的計(jì)量單位是L/s

數(shù)據(jù)類型：所測(cè)污染物的數(shù)據(jù)類型和格式。

4小結(jié)

本文介紹了嵌入式系統(tǒng)在工業(yè)污染物監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于Android的污染物數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)。提供了豐富的外圍接口以供生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類傳感器接駁使用，采集污染物數(shù)據(jù)，進(jìn)而處理上傳，經(jīng)過測(cè)試實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。本系統(tǒng)采用高性能處理核心與熱門操作系統(tǒng)大大提高了實(shí)用性和拓展性，并提供了多種較強(qiáng)的通信方式。下一步結(jié)合實(shí)際工作情況進(jìn)行更大規(guī)模的可靠性測(cè)試，對(duì)用戶界面進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容和存儲(chǔ)空間進(jìn)行拓展。

參考文獻(xiàn)：

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