嵌入式系統在工業污染物監測中的設計與應用

黃浩然 謝其國

摘要： 該文介紹了嵌入式系統在工業污染監測監控系統中的應用，以Android作為平臺設計實現了軟、硬件系統。實現在各類工業現場針對不同污染物的數據采集、處理、上傳等功能，提供了一種拓展性強、接口豐富、可操作性高的污染物監測系統。

關鍵詞：Android；監測；污染物

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0238-02

1概述

隨著我國經濟的飛速發展，針對日漸嚴峻的環境保護問題，國家不斷推動新的政策和體制改革。習近平同志在十九大報告中指出，堅持人與自然和諧共生。必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，堅持節約資源和保護環境的基本國策。參數監測系統作為環境污染數據獲取手段，對污染源的實時監控管理有重要作用。本文介紹一種基于Android的嵌入式工業污染物現場監測系統的設計，實現工業現場污染物現場數據的采集、處理、上傳等功能，進而為上位機提供可靠及時的污染物數據。

2設計分析

（1）嵌入式系統。嵌入式系統是嵌入到對象體中以嵌入式計算機為核心的專用計算機系統，以應用為中心，以計算機技術為基礎，系統的軟件、硬件組成可按需剪裁，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。隨著網絡技術、計算機技術的高速發展和物聯網的蓬勃崛起，嵌入式系統在我們生產生活的各個角落發揮極其重要的作用。

（2）功能分析。工業污染以生產過程中的廢水，廢氣，廢渣以及噪聲為主。在復雜的工業生產環境下，由于供電、網絡、溫濕度等工作條件的多變性，要求嵌入式系統軟件硬件設計能夠保證高效可靠的運行。針對不同的污染物有相應的前端傳感器，要求監測系統能夠與不同類型的傳感器保持兼容，能夠通過總線協議完成與傳感器的串口通訊，對模擬和數字信號進行相應的調制轉換。同時需要相應的開關量控制使污染物數據的監測及時反饋到現場的環保控制設備。系統需要可靠的電源模塊克服工業供電電壓波動，在出現臨時斷電的情況下，能夠通過備用電源供應選擇保證監測系統數據采集的完整性和連續性。一般的嵌入式設備主要采用基于ARM甚至是普通單片機的平臺，搭載μC/OS、Linux、WINCE等嵌入式操作系統，在本設計中采用性能更強的嵌入式硬件平臺，同時以當今熱門的Android作為操作系統，提高系統的兼容性，拓寬系統應用場景。

3系統方案設計

3.1總體設計

一個完整的污染物監測系統應當包括傳感器、現場機、傳輸網絡、上位機等。如圖1所示，其中傳感器用于采集各類污染物的數據，現場機用于處理源數據、匯總上傳數據，通過傳輸網絡與各級環保中心的監測設備進行數據匯報。

3.2系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括六個模塊，如圖2所示。主控芯片是整個系統運行的基礎，選用開放性好、成熟度高的Android系統作為操作系統，結合軟件設計，使其方便應用于各類工業污染源現場，二次開發與可移植性好。通訊模塊設計包括以太網、LTE、WLAN等模組，滿足與上位機即的數據傳送要求。顯示模塊結合觸摸操作提供與用戶的顯示與交互功能。電源模塊采用鋰電池模塊與市電雙路設計，滿足現場系統供電需求。通過驅動程序設計連接I/O設備與串口設備，使系統能夠接入各用途的傳感器采集污染物數據并實現相應的控制功能。

3.3 系統軟件設計

系統軟件包括參數設置、數據采集模塊、數據處理、通訊功能模塊。

（1）參數設置模塊。針對不同工業污染源的現場情況，需要對系統進行參數設置，通過對串口通道的設置使其前端的傳感器可以正確的采集數據，通過對I/O通道得設置使系統連接的外圍設備正確工作，通過對傳輸協議的設置滿足通訊需求，設置各傳感器所采集通道的污染物參數采集類型、傳輸波特率、校驗信息等信息。

（2）數據采集模塊。傳感器：能夠探測被測量信息并將被測信息按照一定的規律轉換為其他所需形式的信息輸出，從而滿足對數據的操作需求的裝置。污染物前端傳感器以氣、液、固、聲為主，針對一氧化碳、PM2.5、臭氧、氨氮含量、PH值、重金屬含量等，將采集數據通過I2C總線或電壓電流變送傳送給系統。

Modbus：Modbus協議是一種公開通用的串行通信協議，常用于連接工業電子設備，大多數通過串口EIA-485物理層進行，基于Master/Slave架構， 串行協議中除有奇偶校驗外，ASCII模式采用LRC校驗，RTU模式采用16位CRC校驗。在本系統中通過Modbus協議進行系統與傳感器之間的串口數據通信與命令控制。

（3）數據處理模塊。對于傳感器采集的基礎數據進行規格處理并存儲入數據庫。對數據庫中存儲的數據按照采集時間、污染物類型等標準進行統計運算，得到最大值、最小值、平均值等數據入庫。同時提供實時數據的顯示與查詢功能，并按照參數設置模塊所設置的預警值、超限值等標準進行反饋與提示。

（4）通訊功能模塊。針對污染監測監控的相關數據，環保部有《HJ 212-2017污染物在線監控（監測）系統數據傳輸標準》對數據傳輸的標準進行了標定，在本系統中設計有以太網、LTE與WLAN等通信方式，通訊模塊對系統所采集的數據進行加工，并由上述方式通過傳輸網絡按照國標傳輸給上位機并完成對上位機指令的解析。

3.4 系統數據庫設計

（1） SQLite數據庫：SQLite是由C語言編寫的輕量級數據庫引擎，對大部分的SQL92提供支持。SQLite是一種強有力的嵌入式關系數據庫，它放棄了傳統大型數據庫的復雜特性，只保留數據庫系統最重要的基本功能。由于其源代碼開放，可以避免在學習和實踐過程中的版權問題，也有利于系統的維護和運行的穩定性。其體積小、速度快同時具有對ACID事務特性的支持。在Android開發平臺中也對SQLite有良好的支持。

（2）數據庫結構設計

本系統針對需求特性，將主要數據分為內容編碼、統計數據、設置數據三類。內容編碼針對系統采集數據相關內容的統一編碼對應。統計數據即污染物采集的各類數據。由于不同污染物監控現場的具體需求不同，針對每個現場對系統進行相關設置的數據以設置數據呈現。

內容編碼：以污染物編碼表為例

依據《根據國標《HJ 212-2017污染物在線監控（監測）系統數據傳輸標準》，污染物數據必須包括以下屬性：

污染物編碼：污染物在系統中的唯一標識，設定為污染物實體的主鍵，以整型為數據類型，如：一氧化碳的污染物編碼為“a21005”

污染物名稱：即污染物的名稱

應用范圍：指污染物的類型，有噪聲、廢氣、污水等。

計量單位：所測污染物的數據單位，如廢氣的計量單位為m3/s、污水的計量單位是L/s

數據類型：所測污染物的數據類型和格式。

4小結

本文介紹了嵌入式系統在工業污染物監測監控系統中的設計與應用，設計實現了基于Android的污染物數據采集處理平臺。提供了豐富的外圍接口以供生產現場的各類傳感器接駁使用，采集污染物數據，進而處理上傳，經過測試實現了設計功能。本系統采用高性能處理核心與熱門操作系統大大提高了實用性和拓展性，并提供了多種較強的通信方式。下一步結合實際工作情況進行更大規模的可靠性測試，對用戶界面進行優化，對監測內容和存儲空間進行拓展。

參考文獻：

[1]李恒達. 基于ARM11的環保專用污染源數據采集傳輸儀的設計[D]. 天津大學， 2011.

[2]李莉. 嵌入式數據采集系統的設計與實現[D]. 南京理工大學， 2008.

[3]國家環境保護部，HJ 212-2017污染物在線監控（監測）系統數據傳輸標準，北京：2017.

【通聯編輯：代影】