2018年02月14日 | 基于嵌入式及无线通讯技术设计的远程无线供水测控系统

    目前工业供水点的生产操作主要依靠人工完成。为了确保工业供水点各个水井的正常工作，水井调度站需要24小时有人值守，调度人员实行分班调换的方式确保工业供水生产的正常运行。由于采用人工控制方式，这样就给在夜间、气候恶劣时执行现场任务的调度人员带来了很大的难度以及产生上难以预料的事故。另外，在工业供水点，一些水井与调度站之间的距离达数千米，水井和调度站之间的道路情况很差，也给到现场进行操作带来了很大的难度。

    随着计算机技术、通信技术、数据采集技术的发展，测控技术也得到了迅速发展。基于ARM的嵌入式系统作为核心处理器，它体积小，结构紧凑，可作为一个部件埋藏于所控制的装置中。它提供用户接口，管理有关信息的输入输出，监控设备工作，使设备及应用系统有较高智能和性价比。嵌入式系统的硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部，软件一般采用实时多任务操作系统和相应的应用软件，一般固化在闪存中。软件硬件可裁剪，非常适合构成一种高性能、高可靠性、低成本、小体积、低功耗的测控系统。文中设计了基于嵌入式技术的无线供水测控系统可大幅度节省人力资源、有利于工业供水的安全生产以及提高生产效率。

    1 基于ARM的嵌入式系统总体设计方案

    整个测控系统由工业供水测控单元、无线数据通信系统和主控计算机3大主要部分组成。

    工业供水测控单元是整个系统的核心，它主要由嵌入式核心、数据采集模块、控制输出模块、通信模块4部分组成。其中：数据采集模块通过各种传感器采集工业供水现场的各种数据和参数；控制输出模块通过继电器来切换工业供水现场的各种运行状态；通信模块负责与主控计算机通信，传送各种数据与命令。嵌入式核心是现场控制单元的核心部分，它负责协凋、调度各个任务的运行从而实现各种功能。

    主控计算机是整个系统的系统管理中心及用户窗口。一方面，它负责接收现场控制单元发送过来的各种数据，整理、保存在数据库中并在屏幕上显示最新信息；另一方面，管理人员可以通过主控软件提供的控制命令，控制现场控制单元，随时对生产现场进行生产方式的转换。

    系统的整体工作原理为：系统通过安插于生产现场的各种传感器采集生产数据及各个参数，在操作系统通讯任务的调配下与主控计算机之间交换数据；同时接收主控计算机发出的动作命令，处理器收到命令后指挥各个继电器动作从而实现对生产设备的控制；处理器在收到传感器采集的数据后自行分析比较，当数据数值超出正常范围时处理器会按既定程序对生产设备实施相应的保护操作，同时将错误类型信息通过无线方式上报给主控计算机；处理器可通过UART1实时向外输出工作参数，以方便现场维护；操作系统中的LCD显示任务和键盘扫描任务可实时通过LCD显示器对外显示相应的工作状态参数，也可利用测控单元面板上的键盘对测控单元进行操作。

    2 系统硬件设计

    系统硬件结构分为供水测控单元部分、无线通讯部分。供水测控单元部分系统硬件结构示意图如图1所示。

    无线通讯部分结构图如图2所示。

    1)工业供水测控单元部分  工业供水测控单元按照功能的不同可以分为：嵌入式处理器部分、开关量输入输出部分、模拟量输入部分、三相电源电压／电流采集部分、电源部分等。其中微控制器部分作为系统的控制核心，负责协调系统各部分正常工作；开关量输入输出部分负责读取生产设备的工作状态以及实现对生产设备的控制；模拟量输入部分负责采集各种传感器输出的标准信号；三相电源电压／电流采集部分负责采集工业生产现场的动力电供电参数；通信部分主要负责现场控制单元与无线数传电台之间的数据交换；电源部分负责提供系统需要的各种电压。

    2)无线数据通信部分  为了实现远程无线测控，无线通信部分成为系统的重要组成之一。现有远程测控系统中，测控终端大多采用GPR S、SMS或微波等无线传输方式。然而，由于本文所设计的远程无线测控系统主要应用于工业供水点的测控，工业供水点一般都分布在人烟稀少、远离城镇的地区，而这些地区通常没有移动电话网络的覆盖或者网络覆盖率低、信号质量差，故无法采用依赖移动通讯网络的GPRS或者SMS方式，即使在有网络覆盖的地区也不能保证各个测控点都能接收到良好的信号，因此也就无法保证通讯的可靠性与实时性；而且如果为这套测控系统单独建设昂贵的微波通信网络也是不切合实际的。因此目前最好的方法就是采用数字式无线数传电台组成数据传输通道。

    3 系统软件设计

    该测控系统所要完成数据采集、数据计算、串行数据通信、屏幕显示等一系列任务。其工作较为复杂，程序较为庞大，需要管理的外设也较多，所以只有在设计中加入嵌入式多任务实时操作系统才能拥有稳定工作的硬件基础，开发工作重点才能由原来硬件的调试、软件的调试转变为对于实际应用系统的性能的提高以及智能化软件的编写。另外，只有在一个完整的、具有统一编程规范的操作系统基础上，使用高级语言开发出的应用程序，才可能具有良好的可移植性，才可能被重复利用。可见，引入嵌入式多任务时事操作系统是实现测控平台多种功能协调运作的最好途径，也是唯一途径。操作系统与模块化硬件设计结合起来，共同构成一个可以重复利用的软硬件系统平台，除了可以最大限度地提高开发的效率、减少资源的浪费外，还可以通过长期对于该平台的研究，逐步优化平台软硬件资源，提高其性能，并满足日后更多应用领域的应用需求。

    系统软件工作流程图如图3所示。

    
    整个系统的协调工作可由图4的系统工作阶段示意图来描述。

    系统上电后处执行OSInit()初始化μC／OS-II；初始化完毕后执行外设初始化，如UART、LCD等初始化程序，并创建各级任务和相应的消息邮箱、信号量等。之后开始采集传感器数据，并相应的解析。之后可完成对主控计算机命令的解析、键盘扫描、LCD显示等与完成异步事件的监测，如入侵报警信号等，这两个状态中的各个任务从宏观上看是并行执行的。之后将上两个状态的处理结果通过无线方式发送至主控计算机。完成后再采集新的传感器数据，开始新一轮的工作，以此周而复始的在现场前端进行采集、控制、运算并将处理结果实时地发送至主控计算机。

    位于调度室的主控计算机的任务是与位于各个水井泵房的测控系统进行实时通讯，获得每台测控系统测量到的数据，并向各个测控系统发送命令数据。

    主控计算机调度程序采用地址轮询的方式访问各台测控系统，将返回的数据参数存入数据库保存，方便历史数据的杏询。软件采用先进的双机热备技术，主机与备用机同时运仃程序，即使运行中一台计算机出现故障，程序也能无缝切换到另一台计算机机继续运行，具有极高的稳定性与可靠性。调度程序的界面清晰友好，其界面画面如图5所示。

    4 结论

    文中基于嵌入式技术以及无线通讯技术研究并设计了一套远程无线供水测控系统，该主要根据工业供水测控的具体要求设计了各种输入／输出接口、编写了运行于μC／OS-II操作系统之上的各个任务代码并进行了实际测试。经过系统试运行表明，该嵌入式测控系统具有较高的测量精度，而且整个系统具有较高的可靠性、较低的成本和功耗等特点，非常适用于工业控制领域。