基于RAM的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高 戰(zhàn)，袁 毅，喬云嬌，田 鵬

（1. 江蘇出入境檢驗檢疫局機電產(chǎn)品及車輛檢測中心，無錫 214000；2. 無錫華認檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，無錫 214064）

基于RAM的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高 戰(zhàn)1，袁 毅1，喬云嬌2，田 鵬1

（1. 江蘇出入境檢驗檢疫局機電產(chǎn)品及車輛檢測中心，無錫 214000；2. 無錫華認檢測技術(shù)服務(wù)有限公司，無錫 214064）

為了實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量實時監(jiān)測任務(wù)，給出了一種基于ARM處理器和GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，開發(fā)出一套環(huán)境質(zhì)量多點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實現(xiàn)了對液位、濃度、流量、pH值、風(fēng)力、風(fēng)向、光照強度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的實時測量，滿足了實時性好、抗干擾能力強、穩(wěn)定性強、低功耗的需要，并且該環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成本低、移植性好，自帶供電系統(tǒng)，無需外部供電，能夠適應(yīng)各種被測環(huán)境，具有良好的自適應(yīng)能力。數(shù)據(jù)通過GPRS通訊系統(tǒng)向監(jiān)控中心傳輸實時數(shù)據(jù)。

ARM；PGRS；數(shù)據(jù)采集

引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化程度的增加，在生產(chǎn)過程中常常需要對水源質(zhì)量、溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、光照強度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控。通過采集灌溉水渠內(nèi)的水位、水溫、流速等水體參數(shù)，從而分析灌溉用水的質(zhì)量；通過采集化肥、農(nóng)藥的濃度、PH值等參數(shù)，以滿足生產(chǎn)需要。通過采集大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度等參數(shù)，從而了解農(nóng)作物的生長環(huán)境。通過以上措施為生產(chǎn)人員提供實時可靠的數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)過程把控提供依據(jù)。

目前工業(yè)上常用的數(shù)據(jù)采集方式是使用單一的數(shù)據(jù)采集模塊，在本地采集本地顯示。但是我國農(nóng)業(yè)已向大規(guī)模化、綜合化的生產(chǎn)模式方向發(fā)展，所需要采集的數(shù)據(jù)量極大，數(shù)據(jù)采集點極多。如果仍沿用常規(guī)的采集方式，則需要大量的數(shù)據(jù)采集模塊，不僅安裝麻煩，易受到模塊之間的電磁干擾，而且由于受到數(shù)據(jù)傳輸方式的限制，其所需要的配套設(shè)施將會更加繁瑣。

嵌入式系統(tǒng)是用來控制或者監(jiān)視機器、裝置、工廠等大規(guī)模設(shè)備的系統(tǒng)，以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)能夠減少現(xiàn)場通訊線路的鋪設(shè)。綜上所述，采用嵌入式系統(tǒng)能夠較好的完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。本文設(shè)計了一種基于ARM處理器和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，數(shù)據(jù)采集電路由模塊化設(shè)計，可以任意匹配傳感器類型及型號。傳感器包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器、流速傳感器、光敏傳感器、濃度傳感器、PH值測量儀。傳感器將環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，信號類型參見表1。數(shù)據(jù)采集模塊兼容了所有傳感器的接口，接受傳感器發(fā)來的電信號，通過運算將電信號轉(zhuǎn)化為便于傳輸?shù)臄?shù)字信號。

ARM處理器根據(jù)既定程序?qū)?shù)據(jù)進行處理，得到相應(yīng)的報警值、動作指令等數(shù)據(jù)。經(jīng)過ARM處理后的數(shù)字量信號就可以通過GPRS通訊模塊進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，一部分動作指令可以直接控制末端操作機構(gòu)（如電磁閥、加熱器、風(fēng)機等），另一部分可傳送給遠端的監(jiān)控中心。

同時，重要的數(shù)據(jù)能夠在ARM嵌入式系統(tǒng)中存儲，便于工作人員調(diào)用。只要在傳感器、RAM嵌入式系統(tǒng)及遠端監(jiān)控中心之間建立相應(yīng)的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)就能夠自由交換[2]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中包含了核心電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲模塊、GPRS通訊模塊、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘電路、數(shù)據(jù)采集電路、按鍵電路、顯示電路等。如圖2所示。

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)有一下幾個特點：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 傳感器列表

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

圖3 傳感器測試過程

1）嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于小型電子設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)資源相對有限，針對性較強，低功耗低成本是嵌入式系統(tǒng)的極大優(yōu)點。

2）嵌入式系統(tǒng)功能性很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，處理單一功能的速度極快。

3）嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的區(qū)分，簡化了軟件設(shè)計，有利于控制設(shè)計成本，同時也增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4）嵌入式系統(tǒng)使用固態(tài)存儲機制，以提高運行速度，使用固態(tài)存儲機制能有效提高系統(tǒng)的安全性。

5）嵌入式系統(tǒng)可以保持長時間運行穩(wěn)定，支持在線升級軟件，具有較長的工作運行生命周期[3]。

2.2 數(shù)據(jù)存儲

在本系統(tǒng)中，采用Flash存儲，存儲內(nèi)存包括了以下內(nèi)容：水溫、水位、溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、光照強度、PH值等；系統(tǒng)當(dāng)前時間；各種數(shù)據(jù)的上下限參數(shù)值；實時上報時間間隔；上報數(shù)據(jù)時間；采集頻率等。

數(shù)據(jù)根據(jù)時間順序存儲，60 s為1個記錄周期。如果某個傳感器沒有數(shù)據(jù)則其數(shù)據(jù)位以符號“—”表示。采集時間間隔遠小于存儲時間間隔，如在采集周期內(nèi)觸發(fā)報警值，則立刻觸發(fā)存儲功能并發(fā)出報警信號。數(shù)據(jù)存儲在EEPROM的物理位置如下：

系統(tǒng)初始化值：0x0000—0x0010

系統(tǒng)口令： 0x0011—0x0017

當(dāng)前傳感器： 0x0018—0x001f

當(dāng)前數(shù)據(jù)值： 0x0020—0x0027

當(dāng)前時間： 0x0028—0x0037

累計時間： 0x0038—0x0047

報警值： 0x0048—0x0057

2.3 人機界面設(shè)計

人機界面可以直觀的顯示各個參數(shù)及系統(tǒng)的運行狀態(tài)，界面還設(shè)計有曲線圖，可以清晰地描述各個數(shù)據(jù)的變化過程。操作人員可以通過人機界面有效地分析整個環(huán)境因素并制定有效地調(diào)整方案。實現(xiàn)人機智能化操作的目的。

圖4以溫度、濕度界面為例，操作人員可以通過人機界面設(shè)置參數(shù)的上下限報警值。

2.4 電源設(shè)計

系統(tǒng)的工作電壓為DC24 V。系統(tǒng)內(nèi)部使用蓄電池提供基礎(chǔ)電源，外部使用小型太陽能電池板供電。系統(tǒng)啟動時由蓄電池激活太陽能板，使其達到工作狀態(tài)；工作時系統(tǒng)由太陽能電池板提供電源；待機時，太陽能電池板可為蓄電池充電。本系統(tǒng)以低功耗器件為主要原器件，在光照較少的情況下（如陰雨天氣），蓄電池可滿足系統(tǒng)在15天內(nèi)正常工作[4]。

太陽能電池板的輸出口接有穩(wěn)壓電路，確保電源的穩(wěn)定性及可靠性，保護系統(tǒng)電路免受電壓沖擊。蓄電池的剩余電量以及太陽能電池板的工作狀態(tài)經(jīng)由數(shù)據(jù)采集電路反饋給核心處理器，操作人員可以通過人機界面查看電源的工作狀態(tài)，并作出相應(yīng)調(diào)整[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

嵌入式開發(fā)是一種跨平臺開發(fā)，我們通過KEIL4企業(yè)版作為平臺，通過交叉編譯，PROTEL-DXP、CAD工程制圖、ST-LINK、串口調(diào)試、仿真器等工具完成設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件以KEILC4為開發(fā)平臺，編寫應(yīng)用程序。如圖5所示。

圖4 溫度、濕度人機界面

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

在嵌入式系統(tǒng)中，首先需要對ARM進行初始化設(shè)置，將數(shù)據(jù)端口與傳感器一一對應(yīng)；將控制端口與操作機構(gòu)設(shè)定映射圖；嵌入式系統(tǒng)需要給監(jiān)控中心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)地址也需要在初始化階段進行設(shè)置。可以通過初始化程序（Boot. LOADER）對硬件設(shè)備進行初始化設(shè)置、建立內(nèi)存空間的映射圖。從而將系統(tǒng)的軟、硬件環(huán)境設(shè)定在一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核、運行用戶應(yīng)用程序準(zhǔn)備好正確環(huán)境[6]。

系統(tǒng)軟件流程圖給定了系統(tǒng)運行方案，系統(tǒng)工作時按照軟件流程圖的順序進行啟動、采樣、計算、計時、中斷、存儲、輸出等工作。

4 通信協(xié)議

GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送接口協(xié)議見圖6。

5 結(jié)束語

本嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了ARM處理器，可以使系統(tǒng)小型化，便于提高性能、降低成本，能滿足實時性好、抗干擾能力強、穩(wěn)定性強、低功耗的需求。本系統(tǒng)采用了太陽能電池板作為主要供電電源，實現(xiàn)了安裝簡單，環(huán)境適應(yīng)能力強的特點。使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)能夠減少現(xiàn)場通訊線路的鋪設(shè)。

圖6 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議

[1]張宇,陳明,等.基于ARM的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù) , 2007, 30(1):99-101.

[2]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2005.

[3]王田苗,魏洪興．嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與實例開發(fā)（第3版）[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2008.

[4]張興,曹仁賢 等.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M] .北京:機械工業(yè)出版社, 2011.

[5]趙書安 主編.太陽能光伏發(fā)電及應(yīng)用技術(shù)[M] .牡丹江:東安大學(xué)出版社, 2011.

[6]孫育河,梁嵐珍. 嵌入式實時操作系統(tǒng)在ARM上移植的分析與應(yīng)用研究[J] . 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2007, 16(5):82-84.

高戰(zhàn)（1990.4-）男，從事環(huán)境可靠性技術(shù)研究5年，現(xiàn)為江蘇出入境檢驗檢疫局機電產(chǎn)品及車輛檢測中心項目工程師。

Environmental Data Acquisition System Based on RAM

GAO Zhan1, YUAN Yi1, QIAO Yun-jiao2, TIAN Peng1
(1. Mechanical and Electrical Products and Vehicles Testing Center of Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau P.R.C, Wuxi 214000; 2. Wuxi Huaren Certification & Testing Co. Ltd., Wuxi 214064)

In order to realize the real-time monitoring of environmental quality, this paper presents a set of environmental quality multi-point data acquisition system based on ARM processor and GPRS data transmission system. To realize the real-time measurement of liquid level, flow rate, concentration, pH, wind, wind, light intensity and other related environmental parameters, to meet the needs of good real-time performance, strong anti-interference ability, high stability, low power consumption, and the environmental data acquisition system with low cost, good portability, with no power supply system. The external power supply, which can adapt to various measured environment, has good adaptive ability. The data is transmitted to the monitoring center through the GPRS communication system.

ARM; PGRS; data acquisition

X859

A

1004-7204（2017）03-0055-05