有限空間內(nèi)4G監(jiān)測分站設(shè)計(jì)與研究

陳旭

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

有限空間廣泛存在于工貿(mào)行業(yè)與城市市政工作中，在冶金、化工、機(jī)械、城市地下空間等領(lǐng)域較為普遍。有限空間環(huán)境出入口狹窄、通風(fēng)情況差，容易造成毒害物質(zhì)積聚，對(duì)有限空間環(huán)境內(nèi)作業(yè)人員造成傷害。在城市管道內(nèi)的有機(jī)物積聚容易產(chǎn)生大量可燃性氣體，空間溫度過高可能有燃爆風(fēng)險(xiǎn)。監(jiān)測分站作為監(jiān)測系統(tǒng)中的樞紐，需要具備大帶寬、低延時(shí)、數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定等核心功能。現(xiàn)如今，監(jiān)測系統(tǒng)朝著多參數(shù)多傳感器方向發(fā)展，一個(gè)監(jiān)測分站需要同時(shí)接入數(shù)個(gè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的功能的同時(shí)還需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。4G監(jiān)測分站采用有線結(jié)合無線的通訊方式搭配無線傳感器兼顧遠(yuǎn)、中、近距離通訊，模塊化設(shè)計(jì)，滿足各類監(jiān)測系統(tǒng)需求。

近年來，隨著通信、算法、傳感器等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用于各類工程中的狀態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)層出不窮，監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展已經(jīng)從有線通信、監(jiān)測量單一及智能化程度低的單參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)向無線化、智能化、多參數(shù)化的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。其中，作為傳感器層與上位機(jī)聯(lián)系的樞紐，監(jiān)測分站在監(jiān)測系統(tǒng)中占據(jù)重要角色。本文主要設(shè)計(jì)一款以STM32單片機(jī)為核心的多模監(jiān)測分站，采用無線與有線結(jié)合的通訊方式，包括網(wǎng)口與4G結(jié)合的通訊方式，通過上述通訊方式采集各類傳感器信號(hào)，具有采集、傳輸、顯示、儲(chǔ)存等功能，能夠在有限空間環(huán)境內(nèi)的水質(zhì)監(jiān)測、空氣監(jiān)測、工程監(jiān)測等方面使用，具有較強(qiáng)的兼容性與適用范圍。

1 有限空間監(jiān)測系統(tǒng)

有限空間監(jiān)測系統(tǒng)由上位機(jī)、交換機(jī)、監(jiān)測分站與傳感器組成如圖1所示，監(jiān)測分站主要從傳感器采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過交換機(jī)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)顯示到監(jiān)測分站的LCD屏中，完成有限空間環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)連續(xù)性，監(jiān)測分站通過利用閃存芯片將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的方式以保證數(shù)據(jù)不丟失。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于有限空間內(nèi)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，有限空間內(nèi)的有線通信易受如強(qiáng)腐蝕性、施工環(huán)境影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，且維護(hù)成本高，分站采用4G無線通信技術(shù)，無需布設(shè)通信電纜，成本大幅降低，且維護(hù)方便可隨時(shí)更換位置，避免線纜損壞，極大降低了數(shù)據(jù)斷聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)。搭配可攜帶的4G傳感器，在各類管道、地下道、船艙、罐體等狹窄作業(yè)環(huán)境下由作業(yè)人員攜帶，通過監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)作業(yè)人員周邊環(huán)境的毒害氣體、氧氣濃度、溫濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，為監(jiān)控人員提供實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)，保障作業(yè)人員的人身安全與身體健康，避免重大事故的發(fā)生同時(shí)降低有限空間行業(yè)從業(yè)人員的職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)。

2 監(jiān)測分站硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，監(jiān)測分站主要由主控芯片模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊、4G模塊、串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊組成。主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6，控制其他各模塊的工作。儲(chǔ)存模塊通過一路SPI總線與分站通過4G模塊采集接收傳感器模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)存在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊中，再經(jīng)由串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊發(fā)送至交換機(jī)中，光電轉(zhuǎn)換模塊支持分站與交換機(jī)之間遠(yuǎn)距離傳輸信息，上位機(jī)通過實(shí)時(shí)監(jiān)聽收集整理分站數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)測分站硬件框圖

2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片成本低廉、可用資源多、具備高性能處理能力，搭配嵌入式軟件開發(fā)，拓展性強(qiáng)。

2.2 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

考慮到有限空間作業(yè)環(huán)境內(nèi)，數(shù)據(jù)需要技術(shù)儲(chǔ)存避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，如圖3所示，分站采用儲(chǔ)存容量為W25Q128芯片作為閃存芯片，該芯片理論上可進(jìn)行數(shù)十萬次擦寫，且數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)間長達(dá)20年，該芯片通過SPI總線與主控芯片連接，儲(chǔ)存空間為16M字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳輸速率最大為75MHz，采用四線制接入主控芯片中，節(jié)約芯片資源，且支持JEDEC工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。搭配主控芯片實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的功能，保障通信質(zhì)量差時(shí)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖3 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊

2.3 4G模塊

分站采用移遠(yuǎn)公司的EC20作為4G通信模塊，最大下行速率與最大上行速率均滿足系統(tǒng)要求，且能夠向下兼容3G網(wǎng)絡(luò)，集成多個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，滿足系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)速率和可靠性的要求。4G模塊通過USRT1串口與主控芯片連接完成數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)現(xiàn)AT指令的傳輸。

2.4 串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊

如圖4所示，主控模塊通過串口從4G模塊中采集數(shù)據(jù)，再通過串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊將串口ttl數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，模塊采用MJ-SOC01Tiny芯片設(shè)計(jì)串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊，該芯片采用ARM內(nèi)核，具有工業(yè)級(jí)溫度范圍，支持網(wǎng)線直連自適應(yīng)，能夠自動(dòng)獲取IP，在工業(yè)應(yīng)用中具有適配性、可靠性，開發(fā)難度較低。

圖4 串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊

2.5 光電轉(zhuǎn)換模塊

由于網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)有效傳輸距離只有100m，在諸如隧道、煤礦、船舶等特殊有限空間工作環(huán)境中無法滿足長距離傳輸，采用光電轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)，光信號(hào)的傳輸距離不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電信號(hào)，且實(shí)際布設(shè)時(shí)可采用多芯光纜，最大限度地節(jié)省布設(shè)線材時(shí)的成本。

2.6 電源模塊

采用工業(yè)級(jí)127V/12V本安型穩(wěn)壓電源將交流電轉(zhuǎn)換成直流12V為分站供電，利用ASM1117-5、ASM1117-3.3等電源轉(zhuǎn)換芯片將12V電壓降壓至5V、3.3V，4G通信模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊采用5V供電，其他模塊均采用3.3V供電。通過加裝UPS備用不間斷電源模塊保證短時(shí)間斷電情況下能夠維持系統(tǒng)運(yùn)行，避免因施工等不可控因素導(dǎo)致的停電影響監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)連續(xù)性。

2.7 顯示模塊

采用以ILI9486為控制芯片的TFT-LCD顯示屏模塊，通過SPI接口與主控芯片相連接，能夠顯示接入分站的傳感器數(shù)據(jù)并支持用戶查詢，能夠?yàn)橛脩籼峁└鱾鞲衅鲾?shù)值、各傳感器工作狀態(tài)等基本信息，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)異常連接提供報(bào)警信息。

2.8 按鍵輸入模塊

為滿足作業(yè)人員對(duì)分站工作情況的查詢，設(shè)計(jì)了按鍵輸入模塊，能夠?qū)Ψ终具M(jìn)行設(shè)置、查詢、開關(guān)等指令操作，減少維修困難，為日常檢修提供便利。

3 分站軟件設(shè)計(jì)

軟件通過FreeRTOS移植系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，操作系統(tǒng)能夠通過對(duì)任務(wù)和隊(duì)列的合理調(diào)度實(shí)現(xiàn)偽多線程作業(yè)，由于任務(wù)調(diào)度器在各個(gè)任務(wù)之間切換非?？欤斐梢环N同一時(shí)刻有多個(gè)任務(wù)同時(shí)運(yùn)行的錯(cuò)覺，且FreeRTOS十分小巧，可以在資源較為有限的主控芯片中運(yùn)行，為后期分站軟件的調(diào)試移植提供便捷。滿足監(jiān)測分站對(duì)于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)自檢、故障報(bào)錯(cuò)等功能。

3.1 分站軟件需求

分站軟件主要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能、設(shè)置查詢功能、數(shù)據(jù)收發(fā)功能等。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集功能

系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先對(duì)分站通訊進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)分站無法連接網(wǎng)絡(luò)，便彈出報(bào)錯(cuò)窗口，提醒作業(yè)人員檢查網(wǎng)絡(luò)接線是否正常，再通過定時(shí)器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)定時(shí)采集，若有無法讀取單個(gè)傳感器的情況便在LCD屏幕上顯示該傳感器離線，提示作業(yè)人員進(jìn)行檢修。

3.1.2 數(shù)據(jù)顯示功能

分站系統(tǒng)通過LCD顯示函數(shù)調(diào)用分站采集的傳感器數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)投放到顯示屏中。

3.1.3 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存功能

分站將傳感器數(shù)據(jù)收集完畢后，將數(shù)據(jù)寫入閃存芯片同時(shí)擦除歷史數(shù)據(jù)，保證閃存芯片有足夠的寫入空間，并保證數(shù)據(jù)能夠盡可能地被保存。

3.1.4 設(shè)置查詢功能

通過按鍵模塊對(duì)分站數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，查詢內(nèi)容包括：傳感器數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、本分站地址與接入傳感器設(shè)備地址。在分站布設(shè)完畢后需要設(shè)置分站地址和與之相連的傳感器地址，避免因地址沖突導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)無法正常工作。

3.1.5 數(shù)據(jù)收發(fā)功能

4G通信模塊通過公網(wǎng)采集傳感器數(shù)據(jù)，主控芯片通過串口讀取數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，根據(jù)交換機(jī)與分站之間的距離選用光纜或電纜。

3.2 總體設(shè)計(jì)

分站主控制器需要完成對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集的功能、數(shù)據(jù)整合儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示等多個(gè)工作任務(wù)，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)移植了FreeRTOS，可實(shí)現(xiàn)分站對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的需求，將主控模塊的作業(yè)任務(wù)劃分為數(shù)個(gè)獨(dú)立的作業(yè)任務(wù)，由調(diào)度模塊完成多線程作業(yè)任務(wù)運(yùn)行調(diào)度，理由消息隊(duì)列功能完成各個(gè)作業(yè)任務(wù)值檢測數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框圖

3.2.1 系統(tǒng)初始化

首先對(duì)分站的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初始化，包括分站地址、數(shù)據(jù)傳輸速率等信息，接著對(duì)主控制器的串口進(jìn)行配置，對(duì)4G通信模塊、串口轉(zhuǎn)TCP/IP模塊、調(diào)試模塊等接口進(jìn)行初始化，再對(duì)主控模塊的各總線接口進(jìn)行配置，包括儲(chǔ)存模塊、顯示模塊的SPI總線接口。最后從儲(chǔ)存區(qū)讀取數(shù)據(jù)傳輸速率并進(jìn)行初始化。

3.2.2 隊(duì)列設(shè)計(jì)

隊(duì)列主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間、任務(wù)與中斷的消息傳遞，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三個(gè)消息隊(duì)列，用以儲(chǔ)存以下內(nèi)容：消息接收隊(duì)列，通信模塊對(duì)隊(duì)列中的消息進(jìn)行采集接收；消息發(fā)送隊(duì)列，TCP/IP模塊將消息發(fā)送到上位機(jī)；消息儲(chǔ)存隊(duì)列，F(xiàn)LASH閃存模塊需要將消息儲(chǔ)存下來。

3.2.3 任務(wù)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分站功能需求，系統(tǒng)建立了以下幾個(gè)主要任務(wù)：

(1)初始化任務(wù)：本任務(wù)主要實(shí)現(xiàn)4G通信模塊、TCP/IP模塊的初始化，實(shí)現(xiàn)分站與上位機(jī)、傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，并將分站主要配置信息存入消息發(fā)送隊(duì)列中等待通信模塊將通信模塊發(fā)送任務(wù)執(zhí)行完畢，接著將自身掛起。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)：從消息發(fā)送隊(duì)列中將數(shù)據(jù)讀取后，根據(jù)上位機(jī)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)整合好后進(jìn)行發(fā)送。

(3)數(shù)據(jù)接收任務(wù)：主要接收傳感器的數(shù)據(jù)以及上位機(jī)的消息指令，將數(shù)據(jù)解碼后存入消息接收隊(duì)列中，等待其他任務(wù)執(zhí)行完畢。

(4)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存任務(wù)：從消息儲(chǔ)存隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到閃存芯片中。

(5)定時(shí)器任務(wù)：通過配置TCP/IP模塊定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送心跳包保持與上位機(jī)之間的連接，并定時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)整合處理完畢后存入對(duì)應(yīng)的隊(duì)列中等待其他任務(wù)執(zhí)行處理。

4 總結(jié)

本文針對(duì)有限空間環(huán)境，設(shè)計(jì)了以STM32F103RCT6作為核心的4G監(jiān)測分站，采用無線結(jié)合有線的通訊方式改善因有限空間環(huán)境內(nèi)布線困難導(dǎo)致的監(jiān)測難度高、監(jiān)測條件差，解決了信號(hào)線纜因惡劣環(huán)境導(dǎo)致無法通信數(shù)據(jù)斷連的情況，節(jié)約了成本，提高了數(shù)據(jù)連續(xù)性，為有限空間內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)提供了無線監(jiān)測的方案，為逼仄環(huán)境中的作業(yè)人員提供采用可續(xù)航的無線傳感器搭配4G監(jiān)測分站設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠降低事故的發(fā)生率并保護(hù)作業(yè)人員的身體健康，在我國工貿(mào)行業(yè)中有限空間作業(yè)環(huán)境日益增長的前提條件下，4G監(jiān)測分站具有較高的應(yīng)用價(jià)值，為我國有限空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了解決方案。