基于ARM的水質檢測系統的設計

卜勝

【摘 要】對于目前人力采集水質信息方式的不足，設計了一種以ARM為核心的水質檢測系統。系統以ARM920TS3C2410為主控制器，信號經傳感器采集后，通過ZigBee和GPRS網絡傳輸到監控中心并顯示。測驗數據表明，系統穩定可靠，數據采集精準，成功地實現了對水質的遠距離檢測。

【關鍵詞】水質檢測；傳感器；ARM；ZigBee；GPRS

【Abstract】For the lack of water quality information collection method， a water quality detection system based on ARM is designed. The system takes ARM920TS3C2410 as the main controller， and the signals are collected by sensors and transmitted to the monitoring center through the ZigBee and GPRS networks. The test data show that the system is stable and reliable， and the data acquisition is accurate， and the remote detection of water quality has been successfully realized.

【Key words】Water quality testing； Sensors； ARM； ZigBee； GPRS

0 引言

在嵌入式系統和無線技術的引領下，人們的生活正走向無人化，智能化[1]。在水質檢測過程中，如果光靠人力來采集酸堿度、水溫、電導率和溶解氧等水質信息，難免會有檢測效率低，檢測數據不準確等問題[2]。文中設計了一種基于ARM的水質信息檢測系統，該系統能夠隨時檢測水質信息，既能滿足水質檢測的要求，又能減少人力檢測的工作量，對水環境的保護起著非常大的作用。

1 水質檢測系統總體設計

設計的水質檢測系統核心模塊有四個，從上到下依次為：上位機監控中心，ARM數據處理器，ZigBee網絡協調器節點和若干ZigBee節點，水質監測系統結構圖如圖1所示。最下層的是若干ZigBee節點，這些ZigBee節點和傳感器集成在一起，被分配在所要檢測的水域。水質傳感器采得數據后經ZigBee節點無線傳輸給ZigBee網絡中的協調器節點，協調器節點將傳過來的數據匯總，接著經過串口電路傳輸給ARM數據處理器。ARM數據處理器對其進行接收并處理，之后交給GPRS模塊整理后發送到上位機。上位機將數值和數據庫比對和分析，完成后給出處理建議，同時在監控中心對水質信息及時顯示。

2 部分器件和硬件電路介紹

系統主要用到的器件有S3C2410 ARM數據處理芯片，CC2430 Zig Bee芯片，SIM300D GPRS芯片，WQ系列水質傳感器等。系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 ARM數據處理器模塊

S3C2410系列CPU是三星公司在ARM920T基礎上開發的新一代CPU芯片。這款處理器采用AMBA BUS總線結構和哈弗體系結構，指令Cache和數據Cache達到16KB且相互獨立，具有功耗低，兼容性好，處理速度快的優點[3]。同時該處理器的寄存器個數多，尋址方式多樣，有豐富的源程序可供參考。因此，此款處理器完全滿足本次設計的需求。

2.2 GPRS模塊

GPRS遠程數據傳輸模塊選擇了SIM300D芯片。SIM300D是一款四頻無線數據傳輸芯片，集成TCP/TP協議棧，功耗低，數據傳輸快，結構緊湊小巧，被廣泛的應用到各種場合[4]。連線時把SIM300D芯片的TXD口和RXD口依次和CPU的TX0口和RX0口連起來。用GPRS無線發送數據前必須插入SIM卡，它是不同終端設備的標識。GPRS模塊結構圖如圖3所示。

2.3 Zig Bee模塊

Zig Bee模塊選用的是Chipcon公司制造的CC2430芯片。該芯片沿用了51核心，但做了升級，集成無線收發裝置，功能強大，同時上手簡單[5]。CC2430芯片不但外設資源豐富，而且可以智能跳頻，能夠有效地改善無線傳輸中頻率沖突和碰撞的問題。Zig Bee網絡在通信時，還需通過一個以RS-232協議為基礎的串口轉換電路，才能成功與ARM處理器互聯。具體連線時把CC2430芯片的P03口經串口轉換電路和CPU的TXD2口相連，以同樣方式再把P02口和RXD2口相連。

2.4 水質傳感器模塊

因為主要采集水域中重要的幾個數據，包含水溫，酸堿度、電導率、溶解氧這四個簡單的數值，考慮到傳感器工作環境在水中，所以選擇GLOBAL WATER公司制造的WQ系列水質傳感器。該系列傳感器可以同時采集我們所需要的這四個參數，不但準確率和精度較高，而且價格比起其他公司的產品更有優勢。WQ系列水質傳感器以電流形式輸出所采集的信號，因此需外接一個150Ω左右大小的電阻將電流信號變成電壓信號，再通過一個電容簡單濾波后，才能變成CC2430芯片所能識別的電壓信號。水質傳感器電路圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

在完成硬件部分設計后，還要完成相關軟件設計，這樣才能使得硬件按照我們設想的方式運行。對于水質信息檢測系統軟件的設計可分為：ARM數據處理器，Zig Bee模塊，GPRS 模塊這三塊程序的編寫。

3.1 ARM數據處理器軟件設計

ARM處理器部分軟件的設計是本水質檢測系統設計的最重要的地方。它既要完成對下層ZigBee模塊傳來的數據進行接收和處理，又要把處理后的數據通過GPRS模塊發送給上層監控中心。如圖5所示，首先，系統經初始化后，開始對各個模塊進行相關配置，如Flash，JTAG，串行口，AD/DA模塊等。配置結束后ARM處理器等待ZigBee協調器對其傳輸數據，若是有數據傳輸過來就對該數據進行處理，沒有的話就一直等待。處理完后發向GPRS模塊，進行后續步驟。

3.2 ZigBee模塊設計

當水質傳感器獲得數據后，經ZigBee模塊上傳至協調器節點，以便對數據進一步處理。如圖6所示，設備初始化后便開始組建網絡，接著各個ZigBee節點添加到此網絡，至此網絡形成，所有ZigBee節點設備都有自己的地址且互不相同，目的是區分不同節點。在數據通信時各節點設備先向協調器節點發出握手信號，協調器節點會做出應答信號，若是協調器同意接收則雙方連接成功。之后將所收集的信號傳向協調器節點，以此循環，完成全部數據的傳輸。

3.3 GPRS模塊軟件設計

GPRS模塊和監控中心的信息交互是通過ARM數據處理器完成的。如圖7所示，處理器首先對GPRS模塊進行檢測，當檢測到GPRS模塊后，開始建立連接管理配置文件以及服務配置文件，這兩項工作完成后才能和Internet進行通信。接著打開與Internet連接端口準備數據的傳送，傳送完后關閉連接。GPRS模塊會將數據發送到我們一開始設置好的終端IP地址。

4 結語

本文設計的基于ARM的水質檢測系統既完成了對水質的遠距離采集，又能在監控中心顯示檢測結果。該檢測系統不但能減少水質監測的工作量，而且檢測的數據精準可靠，同時系統安裝和運行成本低，具有較好的應用價值。

【參考文獻】

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程（第二版）[M].北京航空航天大學出版，2008.

[2]劉占來.基于ARM的故障監測診斷系統設計[D].北京交通大學碩士論文，2010.

[3]基于S3C2410嵌入式Linux開發實驗與實踐手冊[Z].深圳市英蓓特Edu Kit信息技術有限公司，2009.

[4]黃承安，張躍.基于GPRS的遠程儀表監控系統[J].電測與儀表，2003.

[5]任培家.基于Zig Bee的灌溉水渠水質監測系統設計[D].黑龍江大學，2012.

[責任編輯：朱麗娜]endprint