摘要：為了實(shí)現(xiàn)對污水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的需求，文中提出了基于ARM的小型污水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。文中采用ARM微處理器為主控制器，用模數(shù)轉(zhuǎn)換采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，用攝像頭采集現(xiàn)場圖片，采用GPRS無線通信模塊傳輸采集的信息，實(shí)現(xiàn)了小型污水廠圖像和數(shù)據(jù)的采集、存儲和無線傳輸功能。
關(guān)鍵詞：污水廠；GPRS；ARM；遠(yuǎn)程監(jiān)控

    隨著國家對環(huán)保投入的不斷增加以及污水處理行業(yè)改革的不斷深入，城市污水處理廠的運(yùn)營管理向市場化、專業(yè)化、規(guī)模化、集團(tuán)化趨勢發(fā)展。許多專業(yè)的運(yùn)營企業(yè)要運(yùn)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(chǎn)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，對降低運(yùn)行成本和加強(qiáng)生產(chǎn)管理以及確保污水處理工藝的高效運(yùn)行和水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放、提升企業(yè)運(yùn)營管理的效率具有重要的意義。文中結(jié)合GPRS技術(shù)為小型污水處理廠設(shè)計一套基于ARM的污水處理遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案
    根據(jù)污水處理裝置的性能要求，監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)及無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由模擬量傳感器，變送器，A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器及ARM系統(tǒng)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)信號，然后逐一送至AD／轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由ARM處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、圖像采集部分由串口攝像頭和ARM控制器構(gòu)成，攝像頭先采集現(xiàn)場圖片然后通過串口傳給ARM控制器，ARM控制器把采集的數(shù)據(jù)和圖像通過GPRS無線通信網(wǎng)傳送給監(jiān)控中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    使用AT指令通過GPRS Modem撥號，正確應(yīng)答后，一條物理通道就是指GPRS信道就在系統(tǒng)中的GPRS Modem和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來。PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，系統(tǒng)將遠(yuǎn)程登錄Internet。并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的IP地址。采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議將接入Internet的具有不同IP地址的終端都聯(lián)系起來。經(jīng)過IP路由選擇，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與連在Internet上的任一IP終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。選擇TCP作為傳輸層協(xié)議，為數(shù)據(jù)傳輸提供面向連接的、端對端的可靠服務(wù)。通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的監(jiān)控中心服務(wù)器端口以便在監(jiān)控中心實(shí)時監(jiān)控污水的參數(shù)，監(jiān)控中心對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、存儲、打印等。
    文中以下主要就監(jiān)控終端的硬件設(shè)計部分和軟件部分做簡要介紹。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    根據(jù)污水處理裝置的性能要求，監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng)由模擬量傳感器、變送器、模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)信號，然后由多路開關(guān)逐一送至A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由ARM處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、數(shù)據(jù)處理、顯示。同時，ARM處理系統(tǒng)通過GPRS將圖像和數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)終端以LPC2148為核心，對通信模塊TR800進(jìn)行控制。ARM CPU采用飛利浦公司的LPC2148，內(nèi)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(nèi)核工作電壓為1．8 V；內(nèi)置PLL鎖相環(huán)可以設(shè)置CPU工作頻率60 MHz，雙UART口，提供數(shù)據(jù)的異步串行發(fā)送和接受：片內(nèi)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(shù)模轉(zhuǎn)換為控制內(nèi)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(yīng)用程序在PC機(jī)上用IAR編譯好通過JTAG接口下載到FLASH中，系統(tǒng)常用的參數(shù)，通過程序的設(shè)置放到主控器的信息存儲器。
    本系統(tǒng)選用GXT-M201串口攝像頭模塊來完成現(xiàn)場圖像的采集和壓縮。GXT-M201生產(chǎn)工藝非常嚴(yán)格，能在多種環(huán)境下維持正常穩(wěn)定的工作，性能相當(dāng)可靠。已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用到圖像的無線傳輸、工業(yè)上的圖像采集監(jiān)視以及民用監(jiān)控等設(shè)備中。從使用功能上來看，GXT-M201是一款能夠?qū)⒁曨l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(shù)據(jù)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(zhì)量設(shè)置。GXT-M201的內(nèi)部構(gòu)成主要有Omni Vision公司生產(chǎn)的CMOS感光芯片OV76 40、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(fù)責(zé)將OV7640拍攝到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并傳送給外部沒備，相對很高的壓縮率和較好的圖像質(zhì)量都是OV528這個壓縮芯片能夠達(dá)到的。對于EEP ROM則可以提供11種定長6字節(jié)的用戶命令接口，用戶可以通過這些命令來設(shè)置多種不同的屬性，如圖像的色彩模式、圖像的大小、圖像數(shù)據(jù)分包的大小、是否將圖像壓縮為JPEG、靜態(tài)模式或預(yù)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(dá)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(tǒng)對圖像分辨率的要求。
    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(dāng)作終端產(chǎn)品來完成圖像和數(shù)據(jù)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(dāng)于一個協(xié)議處理器。用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令。RF天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制和解調(diào)以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)TTL電平接口，通過TTL電平和LPC2148的UART1口相連，進(jìn)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(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)的程序主要就是單片機(jī)控制程序。主要作用就是配合系統(tǒng)的硬件功能，保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行起來，達(dá)到設(shè)計要滿足的要求。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如表1所示。

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

    對于監(jiān)視終端模塊，主控制器LPC2148的系統(tǒng)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(biāo)志位和中斷使能等。對于LPC2148負(fù)責(zé)與攝像頭模塊通信的串口USART0接收終端，其傳輸波特率應(yīng)該在串口初始化的過程中設(shè)置為38 400 bps，并把串口接收中斷啟用。串口USART1負(fù)責(zé)接收終端與GPRS模塊通信，波特率設(shè)置為9 600 bps，用指令A(yù)T+IPR更改波特率。
    TCP／IP采用協(xié)議分層的結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。由于系統(tǒng)對污水參數(shù)和圖像進(jìn)行傳遞，所以可對TCP／IP協(xié)議進(jìn)行大量的裁減。應(yīng)用層只需用到HTYP協(xié)議。在傳輸層用TCP傳輸控制協(xié)議有助于提高數(shù)據(jù)通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包傳送服務(wù)，ARP協(xié)議完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通訊狀況，由于采用的是無線通訊方式，易出現(xiàn)掉線情況，所以GPRS通過定時監(jiān)控中心發(fā)送ICMP回顯請求，并通過實(shí)時監(jiān)測，一旦發(fā)生異常，GPRS模塊自動重新建立鏈路，保持系統(tǒng)實(shí)時在線。鏈路層采用GPRS支持的IP協(xié)議。只要使用TCP／UDP提供的套接字函數(shù)80(2ket、connect、close、bind、listen、accept、send、i’eev等調(diào)用就能實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器之間的TCP連接。通過裁減TCP／IP協(xié)議既能滿足功能的需要，也可以節(jié)約ARM的存儲器資源。

4 結(jié)論
    文中設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的針對小型污水廠的無線監(jiān)控系統(tǒng)，借助成熟的第三方網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實(shí)時數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控通信網(wǎng)，是無線監(jiān)系統(tǒng)的新思路?；贕PRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)是信息化社會中企業(yè)信化的一個重要嘗試。本文從小水廠的需求出發(fā)，結(jié)合成本、功能、傳輸速度等多方面因素，設(shè)計了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的小型水廠遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
    對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本理論和基本方法進(jìn)行了有益的嘗試，由于水平和時間所限，實(shí)時的無線監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件還有許多需要改進(jìn)的地方，可以從以下方面進(jìn)行更深入的研究：系統(tǒng)的主站軟件可以進(jìn)一步的開發(fā)，以圖形或曲線的形式實(shí)時的顯示所采集到的數(shù)據(jù)，采用多線程技術(shù)，開發(fā)多終端的主站軟件。
    總之，無線監(jiān)控系統(tǒng)對社會生活信息化和工業(yè)自動化有著巨大的作用，如何很好的利用第三方網(wǎng)絡(luò)是無線監(jiān)控發(fā)展的一項(xiàng)重要工作，而且隨著3G網(wǎng)絡(luò)的建成和使用，這方面的應(yīng)用開發(fā)研究的需求量將會蓬勃發(fā)展。