基于嵌入式技術的無線供水測控系統設計

杜岳濤，楊娜娜，董綿綿

（西安工業大學 陜西 西安 710032）

目前工業供水點的生產操作主要依靠人工完成。為了確保工業供水點各個水井的正常工作，水井調度站需要24小時有人值守，調度人員實行分班調換的方式確保工業供水生產的正常運行。由于采用人工控制方式，這樣就給在夜間、氣候惡劣時執行現場任務的調度人員帶來了很大的難度以及產生上難以預料的事故。另外，在工業供水點，一些水井與調度站之間的距離達數千米，水井和調度站之間的道路情況很差，也給到現場進行操作帶來了很大的難度。

隨著計算機技術、通信技術、數據采集技術的發展，測控技術也得到了迅速發展[1-2]。基于ARM的嵌入式系統作為核心處理器，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，監控設備工作，使設備及應用系統有較高智能和性價比。嵌入式系統的硬件以芯片、模板、組件、控制器形式埋藏于設備內部，軟件一般采用實時多任務操作系統和相應的應用軟件，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[3]。文中設計了基于嵌入式技術的無線供水測控系統可大幅度節省人力資源、有利于工業供水的安全生產以及提高生產效率。

1 基于ARM的嵌入式系統總體設計方案

整個測控系統[4-6]由工業供水測控單元、無線數據通信系統和主控計算機3大主要部分組成。

工業供水測控單元是整個系統的核心，它主要由嵌入式核心、數據采集模塊、控制輸出模塊、通信模塊4部分組成。其中：數據采集模塊通過各種傳感器采集工業供水現場的各種數據和參數；控制輸出模塊通過繼電器來切換工業供水現場的各種運行狀態；通信模塊負責與主控計算機通信，傳送各種數據與命令。嵌入式核心是現場控制單元的核心部分，它負責協調、調度各個任務的運行從而實現各種功能。

主控計算機是整個系統的系統管理中心及用戶窗口。一方面，它負責接收現場控制單元發送過來的各種數據，整理、保存在數據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，控制現場控制單元，隨時對生產現場進行生產方式的轉換。

系統的整體工作原理為：系統通過安插于生產現場的各種傳感器采集生產數據及各個參數，在操作系統通訊任務的調配下與主控計算機之間交換數據；同時接收主控計算機發出的動作命令，處理器收到命令后指揮各個繼電器動作從而實現對生產設備的控制；處理器在收到傳感器采集的數據后自行分析比較，當數據數值超出正常范圍時處理器會按既定程序對生產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，以方便現場維護；操作系統中的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參數，也可利用測控單元面板上的鍵盤對測控單元進行操作。

2 系統硬件設計

系統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硬件結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the hardware system

無線通訊部分結構圖如圖2所示。

圖2 無線通訊部分結構示意圖Fig.2 Structure diagram of wireless transmission part

1）工業供水測控單元部分 工業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的控制核心，負責協調系統各部分正常工作；開關量輸入輸出部分負責讀取生產設備的工作狀態以及實現對生產設備的控制；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生產現場的動力電供電參數；通信部分主要負責現場控制單元與無線數傳電臺之間的數據交換；電源部分負責提供系統需要的各種電壓。

2）無線數據通信部分 為了實現遠程無線測控，無線通信部分成為系統的重要組成之一。現有遠程測控系統中，測控終端大多采用GPRS、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主要應用于工業供水點的測控，工業供水點一般都分布在人煙稀少、遠離城鎮的地區，而這些地區通常沒有移動電話網絡的覆蓋或者網絡覆蓋率低、信號質量差，故無法采用依賴移動通訊網絡的GPRS或者SMS方式，即使在有網絡覆蓋的地區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單獨建設昂貴的微波通信網絡也是不切合實際的。因此目前最好的方法就是采用數字式無線數傳電臺組成數據傳輸通道。

3 系統軟件設計

該測控系統所要完成數據采集、數據計算、串行數據通信、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才能擁有穩定工作的硬件基礎，開發工作重點才能由原來硬件的調試、軟件的調試轉變為對于實際應用系統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、具有統一編程規范的操作系統基礎上，使用高級語言開發出的應用程序，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是實現測控平臺多種功能協調運作的最好途徑，也是唯一途徑。操作系統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平臺，除了可以最大限度地提高開發的效率、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。

系統軟件工作流程圖如圖3所示。

圖3 嵌入式系統軟件的工作流程圖Fig.3 Flow chart of the embedded system software design

整個系統的協調工作可由圖4的系統工作階段示意圖來描述。

圖4 系統工作階段示意圖Fig.4 Diagram of operation stage

系統上電后處執行OSInit（）初始化 μC/OS-II；初始化完畢后執行外設初始化，如UART、LCD等初始化程序，并創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[7]數據，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測，如入侵報警信號等，這兩個狀態中的各個任務從宏觀上看是并行執行的。之后將上兩個狀態的處理結果通過無線方式發送至主控計算機。完成后再采集新的傳感器數據，開始新一輪的工作，以此周而復始的在現場前端進行采集、控制、運算并將處理結果實時地發送至主控計算機。

位于調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進行實時通訊，獲得每臺測控系統測量到的數據，并向各個測控系統發送命令數據。

主控計算機調度程序采用地址輪詢的方式訪問各臺測控系統，將返回的數據參數存入數據庫保存，方便歷史數據的查詢。軟件采用先進的雙機熱備技術，主機與備用機同時運行程序，即使運行中一臺計算機出現故障，程序也能無縫切換到另一臺計算機機繼續運行，具有極高的穩定性與可靠性。調度程序的界面清晰友好，其界面畫面如圖5所示。

圖5 調度程序界面Fig.5 Interface chart of the dispatch system

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，該主要根據工業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操作系統之上的各個任務代碼并進行了實際測試。經過系統試運行表明，該嵌入式測控系統具有較高的測量精度，而且整個系統具有較高的可靠性、較低的成本和功耗等特點，非常適用于工業控制領域。

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