基于CAN總線的水質在線監測嵌入式系統研究

梁先宇 黃茂飛

摘要：水是人類和地球一切生物賴以生存不可缺少的重要物質，水資源是經濟發展、環境改善和工農業生產不可替代的自然資源，特別是人類日常的飲用水，它直接與我們的日常生產生活息息相關，尤其是隨著我國經濟和社會的不斷發展，城市化進程的不斷加快，我國的生產生活所排放的污染物已經對水資源造成了污染，因此，必須要嚴格監控水質狀況，只有保證水質狀況符合生產生活用水要求，才能促進我國經濟社會的不斷發展進步。故此，必須要高度重視水質在線監測工作，通過引入高效的監測系統，及時精確地監測我國水質情況，文本旨在探討基于CAN總線的情況下，進行水質在線監測嵌入式系統研究。

關鍵詞：基于CAN總線;水質在線監測;嵌入式系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）31-0262-02

水資源作為人類生存和發展的必不可少的重要資源，如果水資源一旦被污染，不單會直接影響到人們身體健康，還會對經濟社會的發展造成阻礙作用，因此必須要高度重視水資源的保護工作，通過水質監測來及時反映水質狀況，保證水質符合生產生活標準要求。但是我國水質監測方面的工作還存在諸多問題，一是水質自動監測能力還待提高。二是監測設備落后。三是水質數據分析能力不強。因此，必須采取切實可行的辦法來提高我國水質監測水平。通過探討基于CAN總線的水質在線監測嵌入式系統，以此來保證我國水質監測質量。

1水質在線監測系統的概述

水質監測系統總體分為兩部分，分別是下位嵌人式監測系統和上位遠程監控中心，遠程監控中心有以下幾方面的功能：

（1）實時監控水質。水資源區域的水質參數情況可以通過該系統來進行實時監測監控，利用下位嵌入式監測系統所反饋的水質參數來分析水質狀況。

（2）數據綜合分析利用。主要作用是將系統所反饋的水質參數數據來分析水域的水質情況。

（3）方便建立水質歷史數庫。通過實時查詢記錄所監測到的水質參數，建立該水域的歷史水質庫，通過歷史大數據的分析來反映水域的情況。

（4）方便綜合預測分析。在特定的時間段內，繪制水域的水質參數變化曲線圖，通過分析變化曲線圖，來預測水質可能的趨勢狀況。

下位嵌入式系統的功能主要功能是對水域進行在線監測，及時獲取水質參數，反映水質實時狀況，分析水質參數，監控異常指標的變化隋況。圖1為水質監測系統總體情況效果圖。

2嵌入式水質在線監測系統設計情況分析

2.1總體設計情況

嵌入式水質在線監測系統從功能的角度可以分為三個模塊，分別是執行器件模塊、數據處理模塊、傳感器檢測模塊。

傳感器檢測模塊，其主要作用是用于處理監測系統數據。數據分為兩個方面，一是水質參數數據，二是系統通過數據。而文本中的通信數據由兩部分構成，分別是GPRS（3G）數據和CAN總線數據。CAN總結數據主要是作用于系統模塊間通信。而遠程監控中心通信和監測系統則要利用到GPRS（3G）數據。水質參數數據的處理功能也是由兩個部分所組成，分別是：一是歷史數據查詢和儲存，二是通過發揮傳感器檢測模塊的作用，用于接收該模塊的實時數據，并不斷更新處理模塊所檢測到的參數資料，以此達到水質參數監測的目標。

傳感器檢測模塊所發出的信息主要都通過執行器件模塊來接收，系統通過設置好相應的執行器件，發揮其相應功能，從功能的角度劃分，系統執行器件可分為六大部分。其執行器件組成圖如圖2所示。對系統清洗用水和現場水樣通過排除系統來進行排水處理。這是排水功能的作用;基于現場水環境復雜多變的背景下，水中存在大量的藻類，傳感器探頭和系統管道都可能依附大量的藻類，這樣會造成傳感器失靈，檢測率降低、管道阻塞等問題，因此，要及時對系統進行清洗，保證系統干凈整潔，這就是系統清洗的作用。在檢測過程中，如果能將檢測所用的添加劑進行快速溶解，能有效加快速檢測進程，這就是攪拌部分的作用。提高測量的精確度就是離子強度劑的作用。根據現場水域的水樣情況來調節其PH值，確保離子傳感器在正常的水質環境下進行測量，這是緩沖液添加的作用。收集現場水域的水樣，以待開展下一步的檢測工作，這就是現場水樣采集的作用。

2.2硬件設計

嵌入式系統的硬件設計架構詳見圖2。

2.3水質監測系統嵌入式應用軟件

根據水質監測系統的硬件平臺情況，水質監測系統嵌人式應用軟件分為三部分的內容，分別是執行器件模塊、數據處理模塊、傳感器模塊。

嵌入式應作軟件設計必須依靠嵌入式實時操作系統。正常情況下，嵌入式實時操作系統有以下幾方面的優勢特點：

（1）適應性強。嵌入式硬件平臺具有較大的兼容性，所以嵌入式操作系統能夠根據用戶的產品需要來動態提供相應的功能。

（2）實效性強，能夠根據即時的需要進行系統的實時響應，滿足實時需求。

（3）存在較高的可移植性。為了保證在不同嵌入式硬件平臺都可以應用嵌入式操作系統，嵌入式操作系統具備極強的兼容性，可以簡單高效穩定地將操作系統移植到任何場景下的硬件平臺。

（4）操作系統具有極高的可靠性和安全性。由于嵌人式系統面對的作來環境十分繁復多變，外界干擾因素較多，由于嵌入式實時系統具有極高可靠性和安全性，可以有效保證系統的容錯空間和防錯能力。為水質監測系統的穩定提供有力的保障。

3CAN總線

3.1CAN總線的概述

CAN總線是西方國家20世紀80年代所提出來概念，其英語全稱為controller area network，CAN總線具有眾多優點，其優點分別為維護成本低、抗干擾能力高、可靠穩定。因此，CAN憑借著自身的優點，在智能監測裝置、工業生產現場這些應用場景中越來越受到廣泛使用，CAN總線可以通過發揮模塊化的作用，保證實時通信系統的效果。因此，它在各行各業都有著廣泛的發展空間。

3.2CAN總線性質

CAN總線實質是一種串行通信總線，它的出現豐富和發展了數據鏈路層和物理層的內涵，因此CAN總線與其他現場總線相比，它具有更大的領先優勢，CAN總線通信優勢和特點主要有以下幾個方面：

（1）CAN總線通信速率更高，通信可承受的距離更長。

（2）CAN總線所采用的傳輸方式為差分信號傳輸方式，只需2條信號線，就可以保證高效高質的通信。

（3）CAN總線發送消息的方式運用短幀格式，需要通過CRC對每幀數據信息進行檢驗，以此方式來保證通信的質量，因此它極大地保障了系統的抗干擾性，而且還能大幅度地減少數據出錯的可能性。

（4）CAN總線具有仲裁技術非常具有優勢，它通過非破壞性總線仲裁技術，發揮載波監聽多路訪問方式以及逐位仲裁的作用，有效保證CAN總線的使用效率和實時性。

（5）利用配置發送遠程幀的作用，在遠程數據請求的過程中，CAN總線上節點能夠利用其他節點的數據。保證多節點的高效運用。

3.3 CAN總線的網絡結構情況

CAN總線作為一種總線型網絡，圖C就是CAN總線的網絡拓撲結構效果圖。在不需要斷電的情況下，在總線的節點數上，CAN總線能夠實現自由減少或增加節點。因此，利用CAN總線，維護和組網更加便利。

4結束語

水質狀況的好壞直接影響到人們生產生活的質量，為保證水質狀況符合生產生活的標準要求，必須要對水質進行嚴格監測，通過監視和測定水體中的污染物種類、污染物的濃度情況以及變化趨勢。因此，應積極發展基于CAN總線下的水質在線監測嵌入式系統，通過該系統來實現高效監測水質狀況，及時反饋水質參數，方便技術人員分析水質狀況和預測水質趨勢。為保證水資源質量提供有力的數據支持。