小型污水廠遠程監控系統設計

烏英嘎，羅中明，于曉霞，吳春升

（1.哈爾濱理工大學 測控技術與儀器系，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省農副產品加工機械化研究所 黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著國家對環保投入的不斷增加以及污水處理行業改革的不斷深入，城市污水處理廠的運營管理向市場化、專業化、規模化、集團化趨勢發展。許多專業的運營企業要運營管理同一城市的多個污水處理廠。因此，對污水處理廠的生產實施遠程監控，對降低運行成本和加強生產管理以及確保污水處理工藝的高效運行和水質達標排放、提升企業運營管理的效率具有重要的意義。文中結合GPRS技術為小型污水處理廠設計一套基于ARM的污水處理遠程監控系統[1]。

1 監控系統的總體設計方案

根據污水處理裝置的性能要求，監控點的系統由數據采集系統和圖像采集系統及無線通信網絡構成，數據采集系統由模擬量傳感器，變送器，A/D模數轉換器及ARM系統構成，各模擬量傳感器將模擬信號送至信號變送器，使之放大變成標準信號，然后逐一送至AD/轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，再由ARM處理器對數據進行采集、圖像采集部分由串口攝像頭和ARM控制器構成，攝像頭先采集現場圖片然后通過串口傳給ARM控制器，ARM控制器把采集的數據和圖像通過GPRS無線通信網傳送給監控中心。系統總體結構圖如圖1所示[2]。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System structure diagram

使用AT指令通過GPRS Modem撥號，正確應答后，一條物理通道就是指GPRS信道就在系統中的GPRS Modem和GPRS網絡之間建立起來。PPP協議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數據鏈路.系統將遠程登錄Internet。并得到GPRS網關分配的IP地址。采用IP協議作為網絡層協議。IP協議將接入Internet的具有不同IP地址的終端都聯系起來。經過IP路由選擇.可以實現系統與連在Internet上的任一IP終端進行數據交互。選擇TCP作為傳輸層協議.為數據傳輸提供面向連接的、端對端的可靠服務。通過無線網絡將數據包發送到具有固定IP地址的監控中心服務器端口以便在監控中心實時監控污水的參數，監控中心對采集到的數據進行處理、顯示、存儲、打印等[3]。

文中以下主要就監控終端的硬件設計部分和軟件部分做簡要介紹。

2 系統硬件設計

根據污水處理裝置的性能要求，監控點的系統由模擬量傳感器、變送器、模數（A/D）轉換器及ARM處理器等組成。各模擬量傳感器將模擬信號送至信號變送器，使之放大變成標準信號，然后由多路開關逐一送至A/D轉換器，將模擬信號轉換成數字信號，再由ARM處理器對數據進行采集、數據處理、顯示。同時，ARM處理系統通過GPRS將圖像和數據經GPRS網絡送到遠程監控中心。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Diagram of the system hardware

系統終端以LPC2148為核心，對通信模塊TR800進行控制。ARM CPU采用飛利浦公司的LPC2148，內核為基于ARM7DMI-S的精簡指令集的通用32位高速微處理器。工作電壓為3.3 V，內核工作電壓為1.8 V；內置PLL鎖相環可以設置CPU工作頻率60 MHz，雙UART口，提供數據的異步串行發送和接受；片內16 kB RAM和128 kB Flash程序存儲器。LPC2148提供了2個串口，共有6個I/O口可供使用。它的接口電路部分包括8路模擬量輸入通道，RS232串行口通信接口，其中數模轉換為控制內置模塊，精度為12位，基本可以滿足一般控制對象的要求。終端應用程序在PC機上用IAR編譯好通過JTAG接口下載到FLASH中，系統常用的參數，通過程序的設置放到主控器的信息存儲器[4]。

本系統選用GXT-M201串口攝像頭模塊來完成現場圖像的采集和壓縮。GXT-M201生產工藝非常嚴格，能在多種環境下維持正常穩定的工作，性能相當可靠。已經很廣泛的應用到圖像的無線傳輸、工業上的圖像采集監視以及民用監控等設備中。從使用功能上來看，GXT-M201是一款能夠將視頻采集和圖像壓縮集于一身的圖像采集模塊，它是通過比較簡單的串行口指令來控制圖像的捕捉和獲取，并對采集到的圖像完成JPEG格式的壓縮，接著通過串口輸出，因此模塊與微控制器之間是完全通過串口來傳輸數據和通信的，它的成本和功耗都比較低，獲得的圖片分辨率也比較高，并且支持不同分辨率可變JPEG編碼質量設置。GXT-M201的內部構成主要有Omni Vision公司生產的CMOS感光芯片OV7640、存儲器、串行接口以及硬件JPEG壓縮芯片OV528等部分。整個GXT-M201的核心組成部分就是嵌入式JPEG壓縮控制芯片OV528，它主要負責將OV7640拍攝到的圖像數據進行壓縮并傳送給外部設備，相對很高的壓縮率和較好的圖像質量都是OV528這個壓縮芯片能夠達到的。對于EEPROM則可以提供11種定長6字節的用戶命令接口，用戶可以通過這些命令來設置多種不同的屬性，如圖像的色彩模式、圖像的大小、圖像數據分包的大小、是否將圖像壓縮為JPEG、靜態模式或預覽模式以及串口的波特率，并且它還帶有錯誤返回命令，能夠檢測多達20種的錯誤。GXT-M201模塊最大可獲取30萬像素的JPEG壓縮圖像，完全能夠滿足本系統對圖像分辨率的要求[5]。

GPRS模塊選用iwow公司的TR800。TR800模塊提供了完整的GPRS和GSM無線連接口，能夠直接被當作終端產品來完成圖像和數據的傳輸，這是由于它集成的射頻電路和GPRS基帶處理器都是非常完整的。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發送AT指令。RF天線部分主要實現信號的調制和解調以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。匹配電源為處理器基帶射頻部分提供所需的電源。GPRS模塊提供了標準TTL電平接口，通過TTL電平和LPC2148的UART 1口相連，進行全雙工通信。TR800工作電壓為3.4～5.5 V。模塊上電后，給模塊RESET腳或者PWON腳（建議前者）一個至少30 ms的低電平，模塊便啟動了。

3 系統軟件設計

本系統的程序主要就是單片機控制程序。主要作用就是配合系統的硬件功能，保證整個系統穩定可靠的運行起來，達到設計要滿足的要求。系統的軟件結構如表1所示。

表1 系統軟件結構Tab.1 System software architecture

系統從上電到開始正常工作的整個過程都是由主程序負責的，這個過程的任務就是各子模塊的初始化，其中包括了系統時鐘的初始化、串口初始化、輸入輸出口的初始化。系統的初始化子程序集就是由這些子程序組成的。監視終端的微控制器主程序流程圖如圖3所示。

對于監視終端模塊，主控制器LPC2148的系統時鐘選用的是8 M高速的時鐘源。輸入輸出口初始化的作用是初始輸入輸出模塊、清除標志位和中斷使能等。對于LPC2148負責與攝像頭模塊通信的串口USART0接收終端，其傳輸波特率應該在串口初始化的過程中設置為38 400 bps，并把串口接收中斷啟用。串口USART1負責接收終端與GPRS模塊通信，波特率設置為9 600 bps，用指令AT+IPR更改波特率。

TCP/IP采用協議分層的結構：應用層、傳輸層、網絡層和鏈路層。由于系統對污水參數和圖像進行傳遞，所以可對TCP/IP協議進行大量的裁減。應用層只需用到HTTP協議。在傳輸層用TCP傳輸控制協議有助于提高數據通信的可靠性。網絡層需要用到IP、APP/RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和無連接的數據包傳送服務，ARP協議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監測網絡通訊狀況，由于采用的是無線通訊方式，易出現掉線情況，所以GPRS通過定時監控中心發送ICMP回顯請求，并通過實時監測，一旦發生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，保持系統實時在線。鏈路層采用GPRS支持的IP協議。只要使用TCP/UDP提供的套 接 字 函 數 80（2ket、connect、close、bind、listen、accept、send、i'eev等調用就能實現客戶端與服務器之間的TCP連接。通過裁減TCP／IP協議既能滿足功能的需要，也可以節約ARM的存儲器資源[6]。

圖3 監視終端單片機主程序流程圖Fig.3 Program flow chart of monitor terminal signal chip

4 結 論

文中設計和實現的針對小型污水廠的無線監控系統，借助成熟的第三方網絡構建實時數據的遠程無線監控通信網，是無線監系統的新思路。基于GPRS網絡的遠程無線監控系統是信息化社會中企業信化的一個重要嘗試。本文從小水廠的需求出發，結合成本、功能、傳輸速度等多方面因素，設計了基于GPRS網絡的小型水廠遠程監控系統。

對系統實現的基本理論和基本方法進行了有益的嘗試，由于水平和時間所限，實時的無線監控系統的軟硬件還有許多需要改進的地方，可以從以下方面進行更深入的研究:系統的主站軟件可以進一步的開發，以圖形或曲線的形式實時的顯示所采集到的數據，采用多線程技術，開發多終端的主站軟件。

總之，無線監控系統對社會生活信息化和工業自動化有著巨大的作用，如何很好的利用第三方網絡是無線監控發展的一項重要工作，而且隨著3G網絡的建成和使用，這方面的應用開發研究的需求量將會蓬勃發展。

[1]趙誠，王東.基于GPRS的污水處理監控系統設計[J].電子設計工程，2010（2）:48-49.

ZHAO Cheng，WANG Dong.Design of sewage treatment monitoring system based on GPRS[J].Electronic Design Engineering，2010（2）:48-49.

[2]吳美玲.基于GPRS的污水處理遠程監控系統的設計與研究[D].武漢：武漢理工大學，2006（4）:21-22.

[3]鄧榮欽.基于GPRS的無線監控系統的研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[4]周立功，張華.深入淺出ARM7[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]晏英俊，張自強.基于ARM Cortex-M3的采樣技術[J].電子科技，2010，23（9）：116-117.

MAN Ying-jun，ZHANG Zi-qiang.Cortex-M3 of sampling technology based on ARM[J].Electronic Science and Technology，2010，23（9）：116-117.

[6]趙霞，張凱.基于ARM的GPRS的污水遠程監控系統[J].微計算機信息，2008（24）:169-170.

ZHAO Xia，ZHANG Kai.Sewage remote monitoring system based on ARM and GPRS[J].Microcomputer Information，2008（24）:169-170.