基于CAN總線的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)嵌入式系統(tǒng)研究

梁先宇 黃茂飛

摘要：水是人類和地球一切生物賴以生存不可缺少的重要物質(zhì)，水資源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境改善和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可替代的自然資源，特別是人類日常的飲用水，它直接與我們的日常生產(chǎn)生活息息相關(guān)，尤其是隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)的生產(chǎn)生活所排放的污染物已經(jīng)對(duì)水資源造成了污染，因此，必須要嚴(yán)格監(jiān)控水質(zhì)狀況，只有保證水質(zhì)狀況符合生產(chǎn)生活用水要求，才能促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步。故此，必須要高度重視水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)工作，通過引入高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)精確地監(jiān)測(cè)我國(guó)水質(zhì)情況，文本旨在探討基于CAN總線的情況下，進(jìn)行水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)嵌入式系統(tǒng)研究。

關(guān)鍵詞：基于CAN總線;水質(zhì)在線監(jiān)測(cè);嵌入式系統(tǒng)

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

文章編號(hào)：1009-3044（2019）31-0262-02

水資源作為人類生存和發(fā)展的必不可少的重要資源，如果水資源一旦被污染，不單會(huì)直接影響到人們身體健康，還會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展造成阻礙作用，因此必須要高度重視水資源的保護(hù)工作，通過水質(zhì)監(jiān)測(cè)來及時(shí)反映水質(zhì)狀況，保證水質(zhì)符合生產(chǎn)生活標(biāo)準(zhǔn)要求。但是我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)方面的工作還存在諸多問題，一是水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)能力還待提高。二是監(jiān)測(cè)設(shè)備落后。三是水質(zhì)數(shù)據(jù)分析能力不強(qiáng)。因此，必須采取切實(shí)可行的辦法來提高我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)水平。通過探討基于CAN總線的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)嵌入式系統(tǒng)，以此來保證我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

1水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的概述

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體分為兩部分，分別是下位嵌人式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和上位遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心有以下幾方面的功能：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控水質(zhì)。水資源區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)情況可以通過該系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，利用下位嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所反饋的水質(zhì)參數(shù)來分析水質(zhì)狀況。

（2）數(shù)據(jù)綜合分析利用。主要作用是將系統(tǒng)所反饋的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)來分析水域的水質(zhì)情況。

（3）方便建立水質(zhì)歷史數(shù)庫。通過實(shí)時(shí)查詢記錄所監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)參數(shù)，建立該水域的歷史水質(zhì)庫，通過歷史大數(shù)據(jù)的分析來反映水域的情況。

（4）方便綜合預(yù)測(cè)分析。在特定的時(shí)間段內(nèi)，繪制水域的水質(zhì)參數(shù)變化曲線圖，通過分析變化曲線圖，來預(yù)測(cè)水質(zhì)可能的趨勢(shì)狀況。

下位嵌入式系統(tǒng)的功能主要功能是對(duì)水域進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)獲取水質(zhì)參數(shù)，反映水質(zhì)實(shí)時(shí)狀況，分析水質(zhì)參數(shù)，監(jiān)控異常指標(biāo)的變化隋況。圖1為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體情況效果圖。

2嵌入式水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況分析

2.1總體設(shè)計(jì)情況

嵌入式水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從功能的角度可以分為三個(gè)模塊，分別是執(zhí)行器件模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器檢測(cè)模塊。

傳感器檢測(cè)模塊，其主要作用是用于處理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分為兩個(gè)方面，一是水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，二是系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)。而文本中的通信數(shù)據(jù)由兩部分構(gòu)成，分別是GPRS（3G）數(shù)據(jù)和CAN總線數(shù)據(jù)。CAN總結(jié)數(shù)據(jù)主要是作用于系統(tǒng)模塊間通信。而遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則要利用到GPRS（3G）數(shù)據(jù)。水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的處理功能也是由兩個(gè)部分所組成，分別是：一是歷史數(shù)據(jù)查詢和儲(chǔ)存，二是通過發(fā)揮傳感器檢測(cè)模塊的作用，用于接收該模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并不斷更新處理模塊所檢測(cè)到的參數(shù)資料，以此達(dá)到水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。

傳感器檢測(cè)模塊所發(fā)出的信息主要都通過執(zhí)行器件模塊來接收，系統(tǒng)通過設(shè)置好相應(yīng)的執(zhí)行器件，發(fā)揮其相應(yīng)功能，從功能的角度劃分，系統(tǒng)執(zhí)行器件可分為六大部分。其執(zhí)行器件組成圖如圖2所示。對(duì)系統(tǒng)清洗用水和現(xiàn)場(chǎng)水樣通過排除系統(tǒng)來進(jìn)行排水處理。這是排水功能的作用;基于現(xiàn)場(chǎng)水環(huán)境復(fù)雜多變的背景下，水中存在大量的藻類，傳感器探頭和系統(tǒng)管道都可能依附大量的藻類，這樣會(huì)造成傳感器失靈，檢測(cè)率降低、管道阻塞等問題，因此，要及時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清洗，保證系統(tǒng)干凈整潔，這就是系統(tǒng)清洗的作用。在檢測(cè)過程中，如果能將檢測(cè)所用的添加劑進(jìn)行快速溶解，能有效加快速檢測(cè)進(jìn)程，這就是攪拌部分的作用。提高測(cè)量的精確度就是離子強(qiáng)度劑的作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水域的水樣情況來調(diào)節(jié)其PH值，確保離子傳感器在正常的水質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量，這是緩沖液添加的作用。收集現(xiàn)場(chǎng)水域的水樣，以待開展下一步的檢測(cè)工作，這就是現(xiàn)場(chǎng)水樣采集的作用。

2.2硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)詳見圖2。

2.3水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嵌入式應(yīng)用軟件

根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)情況，水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)嵌人式應(yīng)用軟件分為三部分的內(nèi)容，分別是執(zhí)行器件模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器模塊。

嵌入式應(yīng)作軟件設(shè)計(jì)必須依靠嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。正常情況下，嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有以下幾方面的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

（1）適應(yīng)性強(qiáng)。嵌入式硬件平臺(tái)具有較大的兼容性，所以嵌入式操作系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的產(chǎn)品需要來動(dòng)態(tài)提供相應(yīng)的功能。

（2）實(shí)效性強(qiáng)，能夠根據(jù)即時(shí)的需要進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，滿足實(shí)時(shí)需求。

（3）存在較高的可移植性。為了保證在不同嵌入式硬件平臺(tái)都可以應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)具備極強(qiáng)的兼容性，可以簡(jiǎn)單高效穩(wěn)定地將操作系統(tǒng)移植到任何場(chǎng)景下的硬件平臺(tái)。

（4）操作系統(tǒng)具有極高的可靠性和安全性。由于嵌人式系統(tǒng)面對(duì)的作來環(huán)境十分繁復(fù)多變，外界干擾因素較多，由于嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有極高可靠性和安全性，可以有效保證系統(tǒng)的容錯(cuò)空間和防錯(cuò)能力。為水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供有力的保障。

3CAN總線

3.1CAN總線的概述

CAN總線是西方國(guó)家20世紀(jì)80年代所提出來概念，其英語全稱為controller area network，CAN總線具有眾多優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)分別為維護(hù)成本低、抗干擾能力高、可靠穩(wěn)定。因此，CAN憑借著自身的優(yōu)點(diǎn)，在智能監(jiān)測(cè)裝置、工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)這些應(yīng)用場(chǎng)景中越來越受到廣泛使用，CAN總線可以通過發(fā)揮模塊化的作用，保證實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)的效果。因此，它在各行各業(yè)都有著廣泛的發(fā)展空間。

3.2CAN總線性質(zhì)

CAN總線實(shí)質(zhì)是一種串行通信總線，它的出現(xiàn)豐富和發(fā)展了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的內(nèi)涵，因此CAN總線與其他現(xiàn)場(chǎng)總線相比，它具有更大的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，CAN總線通信優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）CAN總線通信速率更高，通信可承受的距離更長(zhǎng)。

（2）CAN總線所采用的傳輸方式為差分信號(hào)傳輸方式，只需2條信號(hào)線，就可以保證高效高質(zhì)的通信。

（3）CAN總線發(fā)送消息的方式運(yùn)用短幀格式，需要通過CRC對(duì)每幀數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢驗(yàn)，以此方式來保證通信的質(zhì)量，因此它極大地保障了系統(tǒng)的抗干擾性，而且還能大幅度地減少數(shù)據(jù)出錯(cuò)的可能性。

（4）CAN總線具有仲裁技術(shù)非常具有優(yōu)勢(shì)，它通過非破壞性總線仲裁技術(shù)，發(fā)揮載波監(jiān)聽多路訪問方式以及逐位仲裁的作用，有效保證CAN總線的使用效率和實(shí)時(shí)性。

（5）利用配置發(fā)送遠(yuǎn)程幀的作用，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求的過程中，CAN總線上節(jié)點(diǎn)能夠利用其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。保證多節(jié)點(diǎn)的高效運(yùn)用。

3.3 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況

CAN總線作為一種總線型網(wǎng)絡(luò)，圖C就是CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)效果圖。在不需要斷電的情況下，在總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)上，CAN總線能夠?qū)崿F(xiàn)自由減少或增加節(jié)點(diǎn)。因此，利用CAN總線，維護(hù)和組網(wǎng)更加便利。

4結(jié)束語

水質(zhì)狀況的好壞直接影響到人們生產(chǎn)生活的質(zhì)量，為保證水質(zhì)狀況符合生產(chǎn)生活的標(biāo)準(zhǔn)要求，必須要對(duì)水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)視和測(cè)定水體中的污染物種類、污染物的濃度情況以及變化趨勢(shì)。因此，應(yīng)積極發(fā)展基于CAN總線下的水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)嵌入式系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)測(cè)水質(zhì)狀況，及時(shí)反饋水質(zhì)參數(shù)，方便技術(shù)人員分析水質(zhì)狀況和預(yù)測(cè)水質(zhì)趨勢(shì)。為保證水資源質(zhì)量提供有力的數(shù)據(jù)支持。