嵌入式燃氣管道管理終端的設計與實現

謝 燦

(重慶電子工程職業學院，重慶 401331)

嵌入式燃氣管道管理終端的設計與實現

謝 燦

(重慶電子工程職業學院，重慶401331)

為了確保可燃氣體安全傳輸并解決管網覆蓋地域廣而不便于實時精確管理的問題，利用嵌入式系統、RFID、圖片獲取及校驗和存儲空間檢測等技術實現一整套低電能消耗和低電磁輻射的設計。該終端能夠實現人員管理、管網設備識別、故障采集、配置管理和故障隱患取證等功能。重點介紹了圖片獲取及校驗和存儲空間檢測兩種關鍵技術的算法和實現，并最終完成該終端的設計。結果證明該設計在性能方面具備較好的可靠型和精準性，因此有著良好的應用前景。

WINCE嵌入式操作系統；MMU；WININET協議；圖片校驗；存儲空間檢測

0 引言

可燃氣體資源是國家重要的生產資料和戰略資源，不但推動著整個國民經濟的發展，還為人民群眾的生產生活提供主要能源，其重要性不言而喻。燃氣管網是可燃氣體生產運輸的重要通道，它一旦出現故障往往引起大范圍火災爆炸事故，不但造成國家財產損失，還會對周邊人民群眾的人身財產安全產生重大影響。

傳感器技術、嵌入式技術和圖像技術的發展為解決這些問題提供了可行性。它有效地融合了取證圖片的獲取、文件處理、實時傳輸和無差錯控制等關鍵模型，保證管理信息來源的真實性、處理的合理性和傳輸的可靠性，為管理中心或者主管部門的科學快速決策提供依據。

1 系統架構分析

本設計采用了嵌入式系統、RFID、WININET協議、文件傳輸協議、存儲空間檢測和圖片校驗等軟硬件技術實現整套燃氣管網識別管理終端的解決方案。

燃氣管網識別管理系統結構如圖1所示。

圖1 燃氣管網識別管理系統

本系統中，管網識別管理終端(下文簡稱“本終端”)開機后主動向管理中心的服務器設備發起登錄請求，服務器根據數據庫SQL系統存放的巡查人員注冊信息驗證終端的請求合法性，并允許后續的服務請求。

獲得管理中心授權的本終端可以通過RFID射頻識別完成燃氣管網設備的注冊信息查詢記錄工作，方便巡查人員進行管網設備身份識別；利用終端提供的軟件實現隱患故障信息登錄。如果隱患故障的復雜度使得巡查人員無法進行現場定位和解決，則可以利用本終端的圖片獲取功能完成圖片資料采集以便后續遠程分析。

2 方案設計

2.1 核心處理單元

本終端采用了基于ARM920T的S3C2440微處理器作為控制單元[1]，如圖2所示，其具有很低的功耗水平。

圖2 燃氣管網識別管理終端核心處理單元

利用全性能的內存管理單元(MMU)支持文件系統從而保證該平臺支持操作系統的運行，因此本終端的核心處理單元相對于傳統平臺在功能和性能上都有了較大的提升。

2.2 RFID單元

為了降低電能消耗，本終端采用了125 kHz低功耗RFID射頻單元[2]，它主要包括三個模塊，如圖3所示。

(1)標簽(即射頻卡)[3]：由耦合元器件及E2PROM存儲芯片組成，內含天線，用于和射頻天線間進行通信。

(2)閱讀器：負責完成讀取存儲在射頻卡中的編碼信息。

(3)天線：在標簽和閱讀器[4]之間傳輸射頻信號，閱讀器通過UART接口與S3C2440連接，為軟件編解碼處理提供通道。

圖3 RFID識別技術

利用RFID技術解決燃氣管網身份驗證工作，彌補了傳統人工識別方式低效和準確性差等不足。

2.3 圖片獲取及校驗算法設計

2.3.1設計描述

圖片資料是本終端采集的重要信息，不但可以直觀、更準確地描述燃氣管網故障和隱患點，而且還可以輔助巡查人員和管理中心人員處理現場突發意外情況，因此設計有效和準確的圖片獲取功能是本終端的關鍵技術之一。

圖片獲取及校驗算法架構如圖4所示。圖片獲取及校驗算法是基于嵌入式攝像機硬件和微軟WINCE操作系統實現的。三星的S3C2440處理器通過USB接口與攝像機進行物理連接。圖片獲取、圖片校驗和WININET協議程序均需依靠S3C2440硬件和WINCE嵌入式操作系統才能運行。

圖4 圖片獲取及校驗算法架構

2.3.2算法設計

由前面分析可知，本終端為了適應廣袤地域的巡查工作，同時也考慮到燃氣管網可燃易爆的特點，較長的工作時間和較低的電磁信號發射是重要的性能指標，因此必須采用GPRS這種窄帶通信方式來降低電能消耗。

GPRS通信理論帶寬不超過114 kb/s，也就是14.25 KB/s，而一般圖片大小是遠遠大于這個傳輸帶寬的。

圖片獲取及校驗算法運行環境分析如圖5所示。由圖可知，單位時間內一張圖片經過WINCE操作系統控制的攝像機驅動程序完成獲取和編碼處理速度遠高于GPRS通信信道14.25 KB/s的帶寬，從而圖片的分片在TCP/IP協議棧緩沖區造成擁塞堆積，一旦GPRS無線傳輸信道因誤碼或者其他因素無法及時將圖片分片發送出去，僅依靠協議棧的緩沖區勢必會引起分片的覆蓋和亂序，造成對圖片質量災難性的影響。

圖5 圖片獲取及校驗算法運行環境分析

本終端鍵盤鍵值檢測線程周期性檢測“預覽按鈕”或者“圖片獲取按鈕”被按下的事件是否發生，如果是預覽按鈕鍵值則進入視頻瀏覽模式，方便巡查人員進行故障隱患定位并為圖片獲取功能提供前提條件；如果S3C2440微處理器檢測到圖片獲取按鈕鍵值，則可以進入故障隱患抓拍模式實現原始圖片獲取。

首先，S3C2440處理器將識別管理終端向服務器預先注冊的終端號和當前的系統時間轉換成字符流形式，并以.JPG后綴名結尾，形成終端號加系統時間的.JPG形式圖片文件名。

其次，在內存中創建一片連續的空間用于存放原始圖片。完成上述工作以后，WINCE嵌入式操作系統調度攝像機驅動線程獲取圖片流，并通過圖片獲取線程將原始圖片流存入前述.JPG文件中。線程切換過程中利用消息隊列機制實現共享緩沖區的保護。經過存儲空間檢測后可以激活WININET協議接口，如果失敗則通過人機交互通知巡查人員網絡連接失敗，請他們檢查GPRS物理連接和PPPoE撥號；如果激活網絡成功，則本終端利用存儲的服務器IP地址、端口號和用戶注冊等信息通過互聯網向服務器發起“三次握手”[5]連接請求，成功后獲取服務器的當前工作路徑，若失敗則提示巡查人員連接失敗，并主動關閉服務器連接和網絡連接。

再次，利用GPRS網絡和傳輸函數算法將圖片上傳至服務器。此時分別將本終端的圖片和服務器上的圖片副本以二進制流的數據結構暫存于內存中，圖片校驗線程則啟動對二者的每個字節內容和流長度的深度比較。

最后，如果圖片校驗線程驗證圖片內容和流長度均正確無誤，則軟件算法關閉服務器連接和網絡連接，等待下一次算法處理，從而關閉S3C2440處理器的冗余指令處理過程，釋放網絡連接和服務器連接，達到降低運算和存儲資源消耗及電能消耗的目的。如果圖片校驗失敗則通過人機交互通知巡查人員網絡故障，改用USB接口上傳圖片并關閉服務器連接和網絡連接，完成算法處理。

圖片獲取及校驗算法流程如圖6所示。

2.4 存儲空間檢測算法設計

2.4.1設計描述

本終端配置了大容量的Flash閃存儲器用于存放系統各功能模塊產生的字符、文字以及圖片信息。隨著采集的綜合信息數量增加，會逐步耗盡閃存的空間，最新采集的信息由于缺乏足夠的存儲空間存放而造成丟失，因此須設計一種策略來保證這些信息準確無誤地提交給服務器。

2.4.2算法設計

存儲空間檢測算法設計如圖7所示。系統開始工作后，首先軟件通過WINCE嵌入式操作系統創建專門的檢測線程，該線程為檢測算法運行提供堆棧、共享內存和現場保護等資源，如果創建失敗，則提示巡查人員終端軟件資源告警；如果創建成功，則利用獲取空閑容量函數周期性檢查剩余的閃存儲器容量值。算法設定閾值為1 MB，當剩余容量小于1 MB的時候，WINCE嵌入式操作系統利用消息機制通知巡查人員存儲器即將溢出以便及時釋放更多的存儲空間。

圖6 圖片獲取及校驗算法流程

圖7 存儲空間檢測算法設計

3 方案實現

目前本終端已經完成了研發，并在電子信息工程實驗中心完成驗證工作，測試功能包括基于RFID技術[6]的模擬管網信息識別、故障隱患的便捷采集、遺漏巡查工作查詢、參數配置和故障隱患取證等功能。

識別管理終端提供輸入界面如圖8所示，由巡查人員填寫管理中心IP地址、FTP登錄和終端號等參數，并通過確定按鈕完成與管理中心的無線連接，成功以后便可以進入各個子功能模塊的應用，否則終端將無法正常工作。

本終端可以采集常規故障信息，還可以采集圖片信息用于故障隱患的精確定位。通過獲取按鈕獲取圖片，并利用圖片校驗算法實現遠程圖片的校驗，保證取證圖片的精準度。

圖8 識別管理終端網絡參數管理

4 結論

本設計結合本行業實際問題和可燃氣體資源安全傳輸的需要，將低功耗和低電磁輻射作為重點研究目標，既考慮處理信息的實時性、多樣性和準確性，又考慮系統的穩定性和健壯性，設計并實現了嵌入式燃氣管道終端系統，達到了預期效果，為地域覆蓋廣、地形復雜和安全要求高等行業提供了可靠的應用保證。

[1] 劉志華.基于ARM和Linux的視頻圖像采集系統[J].微型機與應用,2014,33(3):12-14,17.

[2] 張小紅,張留洋.無源RFID自適應幀時隙防碰撞算法研究[J].電子學報,2016,44(9):2211-2218.

[3] 于銀山,俞曉磊,劉佳玲，等.利用Fisher矩陣的RFID多標簽最優分布檢測方法[J].西安電子科技大學學報(自然科學版),2016,43(2):108-113.

[4] 熊雄,洪衛軍,趙振濤，等.一種具有應用普適性的RFID標簽天線[J].華南理工大學學報(自然科學版),2016,44(5):73-77.

[5] 李靜,王素珍,賀雪飛，等.RFID技術在變電站巡檢系統中的應用[J].微型機與應用,2011,30(22):90-92.

[6] 張李浩,楊斌.基于RFID技術的標簽成本分攤及投資策略[J].計算機集成制造系統,2016,22(5):1329-1338.

Design and implementation of embedded gas pipeline management terminal

Xie Can

(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

In order to ensure the safety transmission and solve the problem that because of piple’s wide coverage area of combustible gas,it is not easy to realize the real-time and accurate management,we design and implementation of a low power consumption and low electromagnetic radiation based on embedded system,RFID,image acquisition and calibration and storage space detection technology are realized. The terminal can realize the function of personnel management,pipe network equipment identification,routine fault collection,configuration management and fault hidden evidence collection. This paper focuses on two kinds of key technology of the algorithm—image acquisition and calibration and storage space for detection,and finally completes the design and implementation of the terminal. The results show that it has good reliability and precision in performance,so it has good application prospects.

WINCE embedded operating system; MMU; WININET protocol; image verification; storage space detection

TP399

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.018

謝燦.嵌入式燃氣管道管理終端的設計與實現J.微型機與應用，2017,36(24)：62-64，68.

2017-06-19)

謝燦(1980-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信數字信號處理、嵌入式系統和數字圖像處理與模式識別。