基于ARM的工廠排污監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán)正國，李凱

（西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測國家教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710065）

0 引言

在我們生活周圍，存在眾多的污染源，造成大氣環(huán)境惡劣，PM2.5急劇上升，主要的污染物包括工業(yè)廢氣、揚(yáng)塵、汽車尾氣等幾方面，工廠是環(huán)境污染的主要根源。因此各個工廠都需要向社會公布自己工廠的實(shí)時排放情況?！叭旌蚺盼墼诰€監(jiān)測系統(tǒng)”應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對電廠排污情況進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)控、管理一體化，大大地提升了監(jiān)管部門的管理效率，同時可以讓普通民眾隨時得知工廠排污情況。是“環(huán)境保護(hù)”的重要組成部分，為治理環(huán)境、提升空氣質(zhì)量做出了很大貢獻(xiàn)[1-3]。

1 電廠排污監(jiān)控系統(tǒng)簡介

電廠排污監(jiān)測系統(tǒng)是為改善空氣質(zhì)量而研發(fā)的排污實(shí)時采集監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等熱力電廠主要排放物的采集。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析來檢測排放是否存在超標(biāo)，并通過LCD顯示屏將實(shí)時排放物向公眾進(jìn)行實(shí)時公布。一旦出現(xiàn)排放超標(biāo)通過警示設(shè)備提醒工廠，督促工廠按照環(huán)保要求進(jìn)行生產(chǎn)。本系統(tǒng)使用的傳感器主要有PM2.5/PM10傳感器、SO2傳感器、CO傳感器、CO2傳感器，通訊方式為以太網(wǎng)。

2 需求分析

本監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能主要有：通過ARM平臺實(shí)現(xiàn)的 PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等排放物采集，按照日期將采集到的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫；實(shí)現(xiàn)B/S模型Web服務(wù)器，構(gòu)建控制主頁，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時通過控制主頁發(fā)布；數(shù)據(jù)處理中心主要實(shí)現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)接收采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計在線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)間隔1分鐘完成一次數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)按照時間存儲在數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)通過本地LCD以柱狀圖形式實(shí)時顯示，可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，通過曲線顯示當(dāng)天、每周、每月、每年歷史數(shù)據(jù)，可以通過觸摸屏查詢一年中排放最嚴(yán)重和最好的日期。

3 監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計

本控測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了排放數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計和數(shù)據(jù)接受處理終端設(shè)計。數(shù)據(jù)接收處理終端和采集節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)了排放數(shù)據(jù)實(shí)時采集、存儲、通過網(wǎng)絡(luò)傳遞等功能。通過PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等傳感器采集實(shí)時污染物數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲，實(shí)現(xiàn)B/S模型Web服務(wù)器將采集到的污染物數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布到控制主頁，方便數(shù)據(jù)處理，采集節(jié)點(diǎn)每1分鐘會更新一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理終端每1分鐘通過HTTP請求進(jìn)行一次數(shù)據(jù)接收，將接收的信息通過數(shù)據(jù)解析得到所有的排放數(shù)據(jù)，并按照時間進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析，通過LCD屏幕使用Framebuffer繪屏技術(shù)通過柱狀圖實(shí)時顯示，還支持使用LCD通過曲線顯示歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)支持當(dāng)天數(shù)據(jù)、一周、一月、一年數(shù)據(jù)查詢。通過觸摸屏進(jìn)行顯示切換。并且可以查詢一年中污染物排放最嚴(yán)重的時段。

4 排放數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計

本節(jié)點(diǎn)的主要組成包括煙塵監(jiān)控模塊、三星4412主控模塊、Web服務(wù)器模塊。整體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1排放數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計框圖

揚(yáng)塵監(jiān)控模塊監(jiān)測大氣中的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)，將收集到的數(shù)據(jù)存儲到寄存器中，然后通過URAT電路發(fā)送給三星4412主控芯片。主控芯片接收到數(shù)據(jù)后將解析好的數(shù)據(jù)通過調(diào)用相關(guān)程序及網(wǎng)絡(luò)編程的API接口一路按時間順序存儲到SQLite數(shù)據(jù)庫中，一路直接寫入到主控制頁中，方便有關(guān)部門查看，最后一路使用B/S模型建立Web服務(wù)器，讓人們能通過手機(jī)、電腦等無線設(shè)備遠(yuǎn)程訪問這些信息。

4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計的排放采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中硬件主要包括三星4412最小系統(tǒng)和MQ-135空氣質(zhì)量傳感器模塊。當(dāng)空氣中污染物氣體濃度發(fā)生改變時，空氣質(zhì)量傳感器的電導(dǎo)率隨之發(fā)生改變，然后通過內(nèi)置的信號轉(zhuǎn)換電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體相應(yīng)的濃度數(shù)據(jù)，最后，通過URAT電路發(fā)送給主控制芯片，用戶只需要從芯片相應(yīng)的GPIO引腳讀取濃度數(shù)據(jù)即可，不同的氣體只需外接不同的濃度傳感器即可實(shí)現(xiàn)對有害氣體濃度的采集。

（1）三星4412最小系統(tǒng)

三星4412最小系統(tǒng)板以Cortex-A9為核心，內(nèi)部集成了GPU為Mali-400 MP的高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，流暢運(yùn)行Android等高級操作系統(tǒng)，非常適合開發(fā)高端物聯(lián)網(wǎng)終端、廣告多媒體終端、智能家居、高端監(jiān)控系統(tǒng)、游戲機(jī)控制板等設(shè)備[4]。

（2）MQ-135空氣質(zhì)量傳感器模塊

MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害的監(jiān)測也很理想，這種傳感器可檢測多種有害氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[5]。

該氣體敏感元件原理圖如圖2所示，采用5V供電，該元件不僅支持TTL電平輸出，還支持模擬信號輸出，以滿足不同的硬件需求，經(jīng)過測試，可以輸出濃度范圍為10-1000ppm，當(dāng)測量濃度大于設(shè)定的濃度時，三星4412的GPIO引腳輸出低電平。

圖2 MQ135型氣敏傳感器原理圖

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次軟件設(shè)計主要包括Web服務(wù)器的搭建，煙塵數(shù)據(jù)庫的搭建。Web服務(wù)器程序?qū)鞲衅鞑杉降臒焿m數(shù)據(jù)插入到預(yù)先創(chuàng)建好的數(shù)據(jù)庫中，并寫入到HTML文件中，利用Socket套接字搭建一個輕量級的服務(wù)器，LISTEN監(jiān)聽外部客戶瀏覽器的訪問請求。一旦用戶有請求，服務(wù)器從數(shù)據(jù)庫中查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)，再通過HTTP協(xié)議發(fā)送給客戶瀏覽器，即可達(dá)到實(shí)時查詢煙塵數(shù)據(jù)的效果[6-10]。

（1）主程序設(shè)計

在本節(jié)點(diǎn)的主程序中，首先使芯片通電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括Socket套接字的創(chuàng)建，服務(wù)器端口號的綁定，數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，煙塵數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建。主程序分為一個線程，一個進(jìn)程，主進(jìn)程實(shí)時監(jiān)聽客戶瀏覽器發(fā)來的請求數(shù)據(jù)；主線程負(fù)責(zé)把傳感器采集到的數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)庫中。本節(jié)點(diǎn)程序框圖如圖3所示。

圖3節(jié)點(diǎn)程序框圖

（2）Web服務(wù)器子程序設(shè)計

當(dāng)程序執(zhí)行到服務(wù)器子程序時，程序首先利用創(chuàng)建的監(jiān)聽套接字等待客戶瀏覽器接入請求，請求來臨時程序打開一個HTML模板，填入采集到的實(shí)時煙塵數(shù)據(jù)，并發(fā)回給客戶，這樣客戶就能查閱到當(dāng)時的大氣污染數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉Socket套接字，完成一次HTTP協(xié)議通信[9]，具體流程如圖4所示，客戶瀏覽器訪問頁面如圖5所示。

圖4 Web服務(wù)器程序流程圖

5 數(shù)據(jù)接收處理終端設(shè)計

本數(shù)據(jù)處理終端主要模塊包括主控制芯片三星4412、電源模塊、LCD顯示屏、報警器模塊。整體方案設(shè)計框圖如圖6所示。

圖6數(shù)據(jù)處理終端整體設(shè)計框圖

數(shù)據(jù)處理終端通過HTTP協(xié)議來遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的Web服務(wù)器，把接收到的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)包發(fā)送給三星4412主控芯片，然后通過數(shù)據(jù)解析程序解析出大氣濃度數(shù)據(jù)，利用Framebuffer技術(shù)實(shí)時以柱狀圖的形式繪制在LCD屏上，如果有某項(xiàng)煙塵數(shù)據(jù)超標(biāo)，則驅(qū)動報警器響，以告知監(jiān)測人員及時采取處理措施；同時，用戶還可以觸控屏幕選擇當(dāng)天、歷史數(shù)據(jù)，從而達(dá)到大氣污染物實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)超標(biāo)報警的效果。

5.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本數(shù)據(jù)處理終端硬件部分主要包括三星4412最小系統(tǒng)、LCD顯示屏和報警器模塊。終端外接網(wǎng)線訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器，獲取HTML數(shù)據(jù)包，每分鐘獲取一次，數(shù)據(jù)包經(jīng)過解析程序分離出大氣中有害氣體濃度數(shù)據(jù)，處理器操作顯存設(shè)備文件，改變LCD上的每個像素點(diǎn)的顏色信息，即可在顯示屏上繪制出污染物濃度的柱狀圖、折線圖，一旦某一項(xiàng)濃度超標(biāo)，則通過改變報警器GPIO的電平信號可使報警器報警。

（1）TD35顯示屏

本次設(shè)計采用統(tǒng)寶35系列RGB888真彩色LCD顯示屏，分別率240×320，支持觸摸功能，功能齊全，價格低廉，非常適合嵌入式開發(fā)。

（2）板載蜂鳴器

報警器模塊是利用最小系統(tǒng)板自帶的板載蜂鳴器，它的蜂鳴器是通過PWM0控制的，原理圖如圖7所示，其中PWM0對應(yīng)GPD0_0，該引腳可通過軟件設(shè)置為PWM輸出，也可以作為普通的GPIO使用，要想使它工作，需將GPD0先清0再將第0位置1即可。

圖7蜂鳴器原理圖

5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本節(jié)點(diǎn)的軟件部分主要包括數(shù)據(jù)獲取子程序和監(jiān)控屏幕事件子程序。數(shù)據(jù)獲取子程序通過發(fā)送HTTP請求遠(yuǎn)端Web服務(wù)器返回一個包含大氣濃度數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，然后數(shù)據(jù)解析程序把數(shù)據(jù)包解析成對應(yīng)的數(shù)字信息，最后利用Framebuffer技術(shù)把污染物數(shù)據(jù)以柱狀圖的形式繪制在LCD顯示屏上。屏幕監(jiān)控程序監(jiān)測觸控事件的來臨，處理器通過操作屏幕設(shè)備文件描述符來判斷用戶點(diǎn)擊今日數(shù)據(jù)區(qū)域、歷史數(shù)據(jù)區(qū)域、實(shí)時數(shù)據(jù)區(qū)域、退出程序區(qū)域中的哪一個，從而進(jìn)行對應(yīng)的處理。

（1）主程序設(shè)計

在本節(jié)點(diǎn)的主程序中，芯片通電后首先進(jìn)入初始化函數(shù)，主要包括綁定板子的IP地址和端口號，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，打開屏幕設(shè)備文件描述符。主程序包括兩個進(jìn)程，一個進(jìn)程負(fù)責(zé)連接Web服務(wù)器，把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，并在屏幕上繪制柱狀圖；另一個進(jìn)程負(fù)責(zé)監(jiān)控屏幕事件，流程圖如圖8所示。

圖8主程序流程圖

（2）屏幕監(jiān)控子程序設(shè)計

一切設(shè)備皆文件，屏幕是字符設(shè)備，要想操作它，只需要調(diào)用open函數(shù)打開設(shè)備文件，然后調(diào)用read、write函數(shù)對文件進(jìn)行讀寫操作即可，如圖9為部分源代碼截圖。

圖9屏幕監(jiān)控子程序部分源代碼

（3）Framebuffer繪屏子程序設(shè)計

與監(jiān)控程序類似，改變顯存即可改變顯示。也是對文件的操作，在此不再贅述，部分源代碼如圖10所示。

圖10 Framebuffer繪屏子程序部分源代碼

6 結(jié)語

基于ARM芯片三星4412為核心，設(shè)計了一套簡易且實(shí)用的工廠排污監(jiān)控系統(tǒng)。由于其是基于嵌入式微控制器開發(fā)，因此這套系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該套系統(tǒng)符合人們足不出戶就能知曉大氣質(zhì)量的需要，應(yīng)該會越來越普遍的應(yīng)用與工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域，因此本套系統(tǒng)具有很好的發(fā)展前景。