基于區(qū)域處理單元的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

基于區(qū)域處理單元的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

0我國城市水質(zhì)自動監(jiān)測的現(xiàn)狀水質(zhì)監(jiān)測是解決水資源保護和合理使用問題的基礎(chǔ)工作。從區(qū)域生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā),只有建立成本合理、覆蓋面廣、反饋實時性高的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)才能保障區(qū)域的水資源健康可持續(xù)利用。國外的水質(zhì)監(jiān)測工作起步較早,20世紀70年代,美國、英國、日本、荷蘭等國已開始建立相當(dāng)規(guī)模的水質(zhì)自動監(jiān)測體系,但若照搬國外的成熟體系,將存在系統(tǒng)價格昂貴、運轉(zhuǎn)費用高等缺點,最終無法推廣,失去意義。我國的水質(zhì)監(jiān)測工作起步較晚,還存在諸多問題:(1)覆蓋面窄,很多區(qū)域由于資金、技術(shù)、意識等問題尚未建立完善的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),僅在重點區(qū)域和發(fā)達地區(qū)建立了局部網(wǎng)絡(luò);(2)實時性差,檢測工作嚴重滯后,很多地區(qū)還處在定期提取水樣,送實驗室檢測后再反饋的原始階段,這種滯后性對于水資源保護嚴重不利,若監(jiān)測對象是居民飲用水更是無法起到保障人民生活健康的目的;(3)已建立水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)地區(qū)的體系及設(shè)備大都從國外引進,其成本很高,無推廣價值,無法形成統(tǒng)一的組織實施方案。為了解決上述問題,筆者及團隊成員對水質(zhì)監(jiān)測的整體方案及設(shè)備進行了研究,以期提出合理的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)方案,并設(shè)計實現(xiàn)高效、低成本的區(qū)域水質(zhì)監(jiān)測處理單元。1化發(fā)展網(wǎng)絡(luò)為了達到低成本和高通用性,水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該是層次化的體系,各層之間相互獨立,通過各種網(wǎng)絡(luò)連接成為一個體系。為此筆者將整個系統(tǒng)設(shè)計成3層體系:網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心、區(qū)域處理單元、水質(zhì)采集模塊,如圖1所示。1.1網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心是整個系統(tǒng)的管理中樞,用于匯集并處理各區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)供決策者參考。在合理的監(jiān)測負載范圍內(nèi)設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心,它對下層進行數(shù)據(jù)匯集和管理,并可通過Internet連接其它網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心形成更大范圍的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。其構(gòu)成一般是高性能PC系統(tǒng)或者服務(wù)器系統(tǒng)。本文中筆者采用的是P4PC系統(tǒng),由于其軟硬件均是市場成熟產(chǎn)品,下文對此不做贅述。1.2區(qū)域水質(zhì)檢測指標區(qū)域處理單元是一個水質(zhì)監(jiān)測區(qū)域的中心,它對下層負責(zé)接收、存儲、處理每個水質(zhì)采集模塊采集到的各種數(shù)據(jù)參數(shù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)連接Internet為上層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心提供區(qū)域水質(zhì)檢測指標。其構(gòu)成為通過性較強的嵌入式Linux系統(tǒng)。1.3區(qū)域處理單元水質(zhì)采集模塊處在整個監(jiān)測系統(tǒng)的最底層,它負責(zé)采集具體的水資源參數(shù)指標,并將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給上層的區(qū)域處理單元。在該模塊中,具體的每個水質(zhì)參數(shù)由不同的無線傳感器節(jié)點構(gòu)成,它們通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息匯集到一個ZigBee無線單片機系統(tǒng)中進行存儲、組合及轉(zhuǎn)發(fā)。簡而言之,水質(zhì)采集模塊是一個無線傳感器節(jié)點+ZigBee無線單片機芯片+GPRS模塊的單片機系統(tǒng)。2區(qū)域管理單元本文為了提高區(qū)域處理單元的通用性,并降低其成本,采用了一嵌入式Linux系統(tǒng)構(gòu)成該單元。2.1fpga系統(tǒng)程序監(jiān)控系統(tǒng)區(qū)域處理單元的硬件平臺以S3C2410處理器為核心,主要包括I/O單元、存儲單元、系統(tǒng)接口及通訊單元等構(gòu)成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。類似于PC系統(tǒng)的啟動過程,S3C2410處理器上電后,同樣產(chǎn)生一個復(fù)位信號,使程序計數(shù)器總是從0地址啟動系統(tǒng),0地址循環(huán)映射到NorFlash的起始位置,此處存放BootLoader,它是嵌入式系統(tǒng)的引導(dǎo)裝載程序,用于硬件的初始化及自檢工作等。BootLoader的最后幾條指令將引導(dǎo)位于NandFlash中的Linux鏡像文件,將其裝入SDRAM,Linux啟動后將自動運行(通過設(shè)置/etc/init.d中的腳本)GPRS監(jiān)控程序。筆者之所以將存儲單元設(shè)計為SDRAM+NandFlash+NorFlash的體系是為了保障穩(wěn)定性、速度及存儲容量3個要素兼顧。將BootLoader等最基本的系統(tǒng)軟件存儲在相對只讀的NorFlash上,保護其不被意外操作破壞以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將操作及應(yīng)用軟件存儲在NandFlash上,可以保證其靈活性及足夠的存儲空間。各種軟件工作時均裝入SDRAM可以保證運行速度。GPRS模塊采用市場常見的MC35i,它通過RS232連接S3C2410處理器。發(fā)送數(shù)據(jù)時,由RS232的TXD引腳將串行數(shù)據(jù)發(fā)送到MC35i。接收數(shù)據(jù)時,RXD引腳接收來自MC35i的串行數(shù)據(jù)。MC35i自身通過通用移動SIM卡連接GPRS網(wǎng)絡(luò)進而連接Internet。2.2監(jiān)控程序以web服務(wù)器軟件、gprs作為通用的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺,區(qū)域處理單元的軟件體系是具有4層的層次化結(jié)構(gòu)。它包括:引導(dǎo)裝載程序、Linux操作系統(tǒng)、Web服務(wù)器軟件及GPRS監(jiān)控程序。筆者選用U-boot作為引導(dǎo)裝載程序,Linux2.6內(nèi)核版本作為操作系統(tǒng)核心。Web服務(wù)器軟件與GPRS監(jiān)控程序工作與上述軟件平臺之上。由于U-boot和Linux2.6內(nèi)核移植具備通用性,屬于一般嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的范疇,下文對此不作贅述。本文中將重點介紹Web服務(wù)器軟件以及GPRS監(jiān)控程序的移植與實現(xiàn)。2.2.1考慮水資源檢測的web服務(wù)器嵌入式Web服務(wù)器可以執(zhí)行3種基本的功能:(1)提供靜態(tài)和動態(tài)網(wǎng)頁的信息發(fā)布;(2)提供接口監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備;(3)提供接口控制現(xiàn)場設(shè)備。正是基于上述的功能,Web服務(wù)器對下層可以方便的接收來自水資源檢測模塊的參數(shù)信息,進行存儲和處理。當(dāng)上層的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心訪問區(qū)域處理單元時,瀏覽器成了設(shè)備的前端控制板。大大提高了數(shù)據(jù)獲取的界面友好性及設(shè)置新的數(shù)據(jù)參數(shù)的便利性。本文采用嵌入式系統(tǒng)中常見Boa服務(wù)器技術(shù),其特別適合工作在資源相對寶貴的嵌入式系統(tǒng)中。建立基于Boa的Web服務(wù)器可分為以下步驟:(1)下載Boa源碼包并編譯生成可執(zhí)行文件boa;(2)配置Boa服務(wù)器;(3)CGI擴展開發(fā)。詳細的過程讀者可參見筆者發(fā)表的另一篇論文:嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計與實現(xiàn),本文不作贅述。2.2.2ppp軟件擴展編程GPRS監(jiān)控程序必須實現(xiàn)兩個基本功能:在Linux系統(tǒng)啟動后自動撥號連接因特網(wǎng)的功能、在最大限度降低功耗的基礎(chǔ)上保持系統(tǒng)在線的功能。為了實現(xiàn)上述兩個功能,筆者首先讓區(qū)域處理單元系統(tǒng)軟件處在休眠狀態(tài),在正常情況下它不主動對上層發(fā)送數(shù)據(jù),也不主動從下層獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)通信流時(GSM機制實現(xiàn))自動撥號接入因特網(wǎng),若數(shù)據(jù)流來自上層則激活WebServer,若數(shù)據(jù)流來自下層則存儲數(shù)據(jù)到相應(yīng)區(qū)域,當(dāng)5分鐘沒有數(shù)據(jù)收發(fā)時自動掛斷,系統(tǒng)回到休眠狀態(tài)。基于PPP軟件包擴展編程即可實現(xiàn)上述功能。PPP軟件包工作于Linux操作系統(tǒng)之上,控制GPRS模塊完成網(wǎng)絡(luò)接入,它支持開機即撥號,永不掛斷或設(shè)定自動掛斷時間模式。GPRS監(jiān)控程序核心偽代碼如下:3監(jiān)控區(qū)域水質(zhì)采集模塊的組成水質(zhì)采集模塊位于整個系統(tǒng)的最下層,它按照監(jiān)控強度的要求,以某一密度系數(shù)分布在監(jiān)控區(qū)域中,每個水質(zhì)采集模塊負責(zé)監(jiān)控區(qū)域中一點的4種水質(zhì)參數(shù)指標,其硬件部分主要有無線傳感器(采集參數(shù))、無線單片機cc2430(模塊控制核心)以及GPRS通訊模塊組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。3.1wq系列無線傳感器無線傳感器必須選擇專用的水質(zhì)檢測傳感器,這樣才能適應(yīng)水下的環(huán)境。美國GlobalWater公司生成的WQ系列無線傳感器,可專門應(yīng)用于水下環(huán)境進行水質(zhì)參數(shù)測量,該系列產(chǎn)品具有可靠性強、測量精度高及成本低等特點,并且可利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)。本文所用的4種水質(zhì)參數(shù)傳感器,均選用了WQ系列產(chǎn)品。3.2系統(tǒng)的fpga軟件芯片巨人TI公司收購無線單片機的先鋒CHIPCON公司后,推出了全新概念的新一代ZigBee無線單片機CC2430/CC2431系列。采用這些新型無線單片機,進行無線通訊、RFID及無線數(shù)傳產(chǎn)品等產(chǎn)品設(shè)計,是開發(fā)低成本、低功耗單片機應(yīng)用產(chǎn)品的非常理想方案。本文正是選用了其中的典型代表CC2430,它即可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接控制用于水質(zhì)參數(shù)檢測的無線傳感器又可以通過GPRS模塊連接上層的區(qū)域處理單元。GPRS模塊仍選用與上層相同的MC35i。水質(zhì)采集模塊的軟件系統(tǒng)較為簡單,其包括單片機控制程序及與上層類似的GPRS收發(fā)程序,其軟件運行流程見圖4。正常情況下單片機每隔一個小時控制無線傳感器檢測一次水質(zhì)參數(shù),各參數(shù)通過ZigBee傳送給單片機進行存儲處理,并轉(zhuǎn)發(fā)給上層的區(qū)域處理單元,如果各參數(shù)值不超過預(yù)設(shè)的閾值,則本次操作結(jié)束。若任一參數(shù)超過閾值,則單片機控制連續(xù)測量3次取平均值,結(jié)果仍超過閾值,區(qū)域處理單元向網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心報警。4實驗與結(jié)果分析4.1監(jiān)測點檢測結(jié)果為了對系統(tǒng)設(shè)計進行驗證,筆者在一個水質(zhì)均勻的人工湖中進行了水質(zhì)監(jiān)測實驗。從成本角度出發(fā),筆者僅設(shè)置了3個監(jiān)測點,各監(jiān)測點的位置均位于湖面相對中央的區(qū)域,呈正三角形分布。各監(jiān)測點檢測到的數(shù)據(jù)可以定時通過區(qū)域處理單元發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心,表1為某一個時刻從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心讀取的檢測結(jié)果。當(dāng)筆者通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心訪問區(qū)域處理單元的Web服務(wù)器改變某一檢測點閾值后,水質(zhì)檢測模塊的下次檢測結(jié)果超出閾值,正常反應(yīng)機制及報警均可實現(xiàn)。4.2數(shù)據(jù)的精確性分析上述實驗過程驗證了系統(tǒng)的整體運行的實時性、可行性及穩(wěn)定性,但對于實驗數(shù)據(jù)的準確性卻無法考證。為了進一步驗證實驗數(shù)據(jù)的精確性,筆者使用學(xué)院無線傳感器研究所現(xiàn)有的美國HACHSOLITAXSC濁度/懸浮物分析儀、美國ATIQ45H/64溶解臭氧分析儀以及德國E+HPH計等進口設(shè)備對上述3個監(jiān)測點的各項檢測數(shù)據(jù)進行了比對檢測,結(jié)果表明其檢測結(jié)果完全一致(各技術(shù)指標均精確至小數(shù)點后一位),進一步證明了系統(tǒng)及設(shè)備的精確性可信。