基于嵌入式技術的無線供水測控系統(tǒng)設計

摘要：為了便于對水源地供水系統(tǒng)進行方便、快捷、有效的控制，減少供水成本，提高供水系統(tǒng)的可靠性，文中研究并設計了一種基于ARM的嵌入式技術、無線傳輸技術的水井遠程測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水井生產(chǎn)現(xiàn)場工作參數(shù)的監(jiān)測、對生產(chǎn)方式的遠程控制、無線傳輸?shù)裙δ堋嶋H應用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。
關鍵詞：ARM；嵌入式；無線傳輸；測控

    目前工業(yè)供水點的生產(chǎn)操作主要依靠人工完成。為了確保工業(yè)供水點各個水井的正常工作，水井調(diào)度站需要24小時有人值守，調(diào)度人員實行分班調(diào)換的方式確保工業(yè)供水生產(chǎn)的正常運行。由于采用人工控制方式，這樣就給在夜間、氣候惡劣時執(zhí)行現(xiàn)場任務的調(diào)度人員帶來了很大的難度以及產(chǎn)生上難以預料的事故。另外，在工業(yè)供水點，一些水井與調(diào)度站之間的距離達數(shù)千米，水井和調(diào)度站之間的道路情況很差，也給到現(xiàn)場進行操作帶來了很大的難度。
    隨著計算機技術、通信技術、數(shù)據(jù)采集技術的發(fā)展，測控技術也得到了迅速發(fā)展。基于ARM的嵌入式系統(tǒng)作為核心處理器，它體積小，結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中。它提供用戶接口，管理有關信息的輸入輸出，監(jiān)控設備工作，使設備及應用系統(tǒng)有較高智能和性價比。嵌入式系統(tǒng)的硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內(nèi)部，軟件一般采用實時多任務操作系統(tǒng)和相應的應用軟件，一般固化在閃存中。軟件硬件可裁剪，非常適合構成一種高性能、高可靠性、低成本、小體積、低功耗的測控系統(tǒng)。文中設計了基于嵌入式技術的無線供水測控系統(tǒng)可大幅度節(jié)省人力資源、有利于工業(yè)供水的安全生產(chǎn)以及提高生產(chǎn)效率。

1 基于ARM的嵌入式系統(tǒng)總體設計方案
    整個測控系統(tǒng)由工業(yè)供水測控單元、無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和主控計算機3大主要部分組成。
    工業(yè)供水測控單元是整個系統(tǒng)的核心，它主要由嵌入式核心、數(shù)據(jù)采集模塊、控制輸出模塊、通信模塊4部分組成。其中：數(shù)據(jù)采集模塊通過各種傳感器采集工業(yè)供水現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)和參數(shù)；控制輸出模塊通過繼電器來切換工業(yè)供水現(xiàn)場的各種運行狀態(tài)；通信模塊負責與主控計算機通信，傳送各種數(shù)據(jù)與命令。嵌入式核心是現(xiàn)場控制單元的核心部分，它負責協(xié)凋、調(diào)度各個任務的運行從而實現(xiàn)各種功能。
    主控計算機是整個系統(tǒng)的系統(tǒng)管理中心及用戶窗口。一方面，它負責接收現(xiàn)場控制單元發(fā)送過來的各種數(shù)據(jù)，整理、保存在數(shù)據(jù)庫中并在屏幕上顯示最新信息；另一方面，管理人員可以通過主控軟件提供的控制命令，控制現(xiàn)場控制單元，隨時對生產(chǎn)現(xiàn)場進行生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)換。
    系統(tǒng)的整體工作原理為：系統(tǒng)通過安插于生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感器采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)及各個參數(shù)，在操作系統(tǒng)通訊任務的調(diào)配下與主控計算機之間交換數(shù)據(jù)；同時接收主控計算機發(fā)出的動作命令，處理器收到命令后指揮各個繼電器動作從而實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的控制；處理器在收到傳感器采集的數(shù)據(jù)后自行分析比較，當數(shù)據(jù)數(shù)值超出正常范圍時處理器會按既定程序?qū)ιa(chǎn)設備實施相應的保護操作，同時將錯誤類型信息通過無線方式上報給主控計算機；處理器可通過UART1實時向外輸出工作參數(shù)，以方便現(xiàn)場維護；操作系統(tǒng)中的LCD顯示任務和鍵盤掃描任務可實時通過LCD顯示器對外顯示相應的工作狀態(tài)參數(shù)，也可利用測控單元面板上的鍵盤對測控單元進行操作。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件結構分為供水測控單元部分、無線通訊部分。供水測控單元部分系統(tǒng)硬件結構示意圖如圖1所示。

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    無線通訊部分結構圖如圖2所示。

    1)工業(yè)供水測控單元部分  工業(yè)供水測控單元按照功能的不同可以分為：嵌入式處理器部分、開關量輸入輸出部分、模擬量輸入部分、三相電源電壓／電流采集部分、電源部分等。其中微控制器部分作為系統(tǒng)的控制核心，負責協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分正常工作；開關量輸入輸出部分負責讀取生產(chǎn)設備的工作狀態(tài)以及實現(xiàn)對生產(chǎn)設備的控制；模擬量輸入部分負責采集各種傳感器輸出的標準信號；三相電源電壓／電流采集部分負責采集工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的動力電供電參數(shù)；通信部分主要負責現(xiàn)場控制單元與無線數(shù)傳電臺之間的數(shù)據(jù)交換；電源部分負責提供系統(tǒng)需要的各種電壓。
    2)無線數(shù)據(jù)通信部分  為了實現(xiàn)遠程無線測控，無線通信部分成為系統(tǒng)的重要組成之一?，F(xiàn)有遠程測控系統(tǒng)中，測控終端大多采用GPR S、SMS或微波等無線傳輸方式。然而，由于本文所設計的遠程無線測控系統(tǒng)主要應用于工業(yè)供水點的測控，工業(yè)供水點一般都分布在人煙稀少、遠離城鎮(zhèn)的地區(qū)，而這些地區(qū)通常沒有移動電話網(wǎng)絡的覆蓋或者網(wǎng)絡覆蓋率低、信號質(zhì)量差，故無法采用依賴移動通訊網(wǎng)絡的GPRS或者SMS方式，即使在有網(wǎng)絡覆蓋的地區(qū)也不能保證各個測控點都能接收到良好的信號，因此也就無法保證通訊的可靠性與實時性；而且如果為這套測控系統(tǒng)單獨建設昂貴的微波通信網(wǎng)絡也是不切合實際的。因此目前最好的方法就是采用數(shù)字式無線數(shù)傳電臺組成數(shù)據(jù)傳輸通道。

3 系統(tǒng)軟件設計
    該測控系統(tǒng)所要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算、串行數(shù)據(jù)通信、屏幕顯示等一系列任務。其工作較為復雜，程序較為龐大，需要管理的外設也較多，所以只有在設計中加入嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)才能擁有穩(wěn)定工作的硬件基礎，開發(fā)工作重點才能由原來硬件的調(diào)試、軟件的調(diào)試轉(zhuǎn)變?yōu)閷τ趯嶋H應用系統(tǒng)的性能的提高以及智能化軟件的編寫。另外，只有在一個完整的、具有統(tǒng)一編程規(guī)范的操作系統(tǒng)基礎上，使用高級語言開發(fā)出的應用程序，才可能具有良好的可移植性，才可能被重復利用。可見，引入嵌入式多任務時事操作系統(tǒng)是實現(xiàn)測控平臺多種功能協(xié)調(diào)運作的最好途徑，也是唯一途徑。操作系統(tǒng)與模塊化硬件設計結合起來，共同構成一個可以重復利用的軟硬件系統(tǒng)平臺，除了可以最大限度地提高開發(fā)的效率、減少資源的浪費外，還可以通過長期對于該平臺的研究，逐步優(yōu)化平臺軟硬件資源，提高其性能，并滿足日后更多應用領域的應用需求。[!--empirenews.page--]
    系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖3所示。

    整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作可由圖4的系統(tǒng)工作階段示意圖來描述。

    系統(tǒng)上電后處執(zhí)行OSInit()初始化μC／OS-II；初始化完畢后執(zhí)行外設初始化，如UART、LCD等初始化程序，并創(chuàng)建各級任務和相應的消息郵箱、信號量等。之后開始采集傳感器數(shù)據(jù)，并相應的解析。之后可完成對主控計算機命令的解析、鍵盤掃描、LCD顯示等與完成異步事件的監(jiān)測，如入侵報警信號等，這兩個狀態(tài)中的各個任務從宏觀上看是并行執(zhí)行的。之后將上兩個狀態(tài)的處理結果通過無線方式發(fā)送至主控計算機。完成后再采集新的傳感器數(shù)據(jù)，開始新一輪的工作，以此周而復始的在現(xiàn)場前端進行采集、控制、運算并將處理結果實時地發(fā)送至主控計算機。
    位于調(diào)度室的主控計算機的任務是與位于各個水井泵房的測控系統(tǒng)進行實時通訊，獲得每臺測控系統(tǒng)測量到的數(shù)據(jù)，并向各個測控系統(tǒng)發(fā)送命令數(shù)據(jù)。
    主控計算機調(diào)度程序采用地址輪詢的方式訪問各臺測控系統(tǒng)，將返回的數(shù)據(jù)參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫保存，方便歷史數(shù)據(jù)的杏詢。軟件采用先進的雙機熱備技術，主機與備用機同時運仃程序，即使運行中一臺計算機出現(xiàn)故障，程序也能無縫切換到另一臺計算機機繼續(xù)運行，具有極高的穩(wěn)定性與可靠性。調(diào)度程序的界面清晰友好，其界面畫面如圖5所示。

4 結論
    文中基于嵌入式技術以及無線通訊技術研究并設計了一套遠程無線供水測控系統(tǒng)，該主要根據(jù)工業(yè)供水測控的具體要求設計了各種輸入／輸出接口、編寫了運行于μC／OS-II操作系統(tǒng)之上的各個任務代碼并進行了實際測試。經(jīng)過系統(tǒng)試運行表明，該嵌入式測控系統(tǒng)具有較高的測量精度，而且整個系統(tǒng)具有較高的可靠性、較低的成本和功耗等特點，非常適用于工業(yè)控制領域。