有限空間內4G監測分站設計與研究

陳旭

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

有限空間廣泛存在于工貿行業與城市市政工作中，在冶金、化工、機械、城市地下空間等領域較為普遍。有限空間環境出入口狹窄、通風情況差，容易造成毒害物質積聚，對有限空間環境內作業人員造成傷害。在城市管道內的有機物積聚容易產生大量可燃性氣體，空間溫度過高可能有燃爆風險。監測分站作為監測系統中的樞紐，需要具備大帶寬、低延時、數據鏈路穩定等核心功能。現如今，監測系統朝著多參數多傳感器方向發展，一個監測分站需要同時接入數個傳感器產生的數據量十分龐大，且系統實現實時在線監測的功能的同時還需要保證數據傳輸的連續性。4G監測分站采用有線結合無線的通訊方式搭配無線傳感器兼顧遠、中、近距離通訊，模塊化設計，滿足各類監測系統需求。

近年來，隨著通信、算法、傳感器等領域的技術進步，應用于各類工程中的狀態環境監測系統層出不窮，監測系統經過數十年發展已經從有線通信、監測量單一及智能化程度低的單參數監測系統轉向無線化、智能化、多參數化的多參數監測系統。其中，作為傳感器層與上位機聯系的樞紐，監測分站在監測系統中占據重要角色。本文主要設計一款以STM32單片機為核心的多模監測分站，采用無線與有線結合的通訊方式，包括網口與4G結合的通訊方式，通過上述通訊方式采集各類傳感器信號，具有采集、傳輸、顯示、儲存等功能，能夠在有限空間環境內的水質監測、空氣監測、工程監測等方面使用，具有較強的兼容性與適用范圍。

1 有限空間監測系統

有限空間監測系統由上位機、交換機、監測分站與傳感器組成如圖1所示，監測分站主要從傳感器采集環境參數數據并將數據通過交換機傳輸到上位機，同時將采集到的數據顯示到監測分站的LCD屏中，完成有限空間環境參數的采集與傳輸。由于在線監測系統要求的數據連續性，監測分站通過利用閃存芯片將數據儲存的方式以保證數據不丟失。

圖1 監測系統結構圖

由于有限空間內作業環境復雜，有限空間內的有線通信易受如強腐蝕性、施工環境影響導致數據丟失，且維護成本高，分站采用4G無線通信技術，無需布設通信電纜，成本大幅降低，且維護方便可隨時更換位置，避免線纜損壞，極大降低了數據斷聯風險。搭配可攜帶的4G傳感器，在各類管道、地下道、船艙、罐體等狹窄作業環境下由作業人員攜帶，通過監測系統對作業人員周邊環境的毒害氣體、氧氣濃度、溫濕度等參數進行監測，為監控人員提供實時在線數據，保障作業人員的人身安全與身體健康，避免重大事故的發生同時降低有限空間行業從業人員的職業病風險。

2 監測分站硬件設計

如圖2所示，監測分站主要由主控芯片模塊、數據儲存模塊、4G模塊、串口轉TCP/IP模塊、光電轉換模塊、電源模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊組成。主控芯片采用意法半導體公司的STM32F103RCT6，控制其他各模塊的工作。儲存模塊通過一路SPI總線與分站通過4G模塊采集接收傳感器模塊的監測數據，接著數據被轉存在數據儲存模塊中，再經由串口轉TCP/IP模塊發送至交換機中，光電轉換模塊支持分站與交換機之間遠距離傳輸信息，上位機通過實時監聽收集整理分站數據。

圖2 監測分站硬件框圖

2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片成本低廉、可用資源多、具備高性能處理能力，搭配嵌入式軟件開發，拓展性強。

2.2 數據儲存模塊

考慮到有限空間作業環境內，數據需要技術儲存避免出現數據丟失的情況，如圖3所示，分站采用儲存容量為W25Q128芯片作為閃存芯片，該芯片理論上可進行數十萬次擦寫，且數據儲存時間長達20年，該芯片通過SPI總線與主控芯片連接，儲存空間為16M字節的數據，傳輸速率最大為75MHz，采用四線制接入主控芯片中，節約芯片資源，且支持JEDEC工業標準。搭配主控芯片實現儲存傳感器數據的功能，保障通信質量差時數據的連續性。

圖3 數據儲存模塊

2.3 4G模塊

分站采用移遠公司的EC20作為4G通信模塊，最大下行速率與最大上行速率均滿足系統要求，且能夠向下兼容3G網絡，集成多個工業標準接口，滿足系統對于數據速率和可靠性的要求。4G模塊通過USRT1串口與主控芯片連接完成數據收發實現AT指令的傳輸。

2.4 串口轉TCP/IP模塊

如圖4所示，主控模塊通過串口從4G模塊中采集數據，再通過串口轉TCP/IP模塊將串口ttl數據轉換成網絡數據，模塊采用MJ-SOC01Tiny芯片設計串口轉TCP/IP模塊，該芯片采用ARM內核，具有工業級溫度范圍，支持網線直連自適應，能夠自動獲取IP，在工業應用中具有適配性、可靠性，開發難度較低。

圖4 串口轉TCP/IP模塊

2.5 光電轉換模塊

由于網絡電信號有效傳輸距離只有100m，在諸如隧道、煤礦、船舶等特殊有限空間工作環境中無法滿足長距離傳輸，采用光電轉換模塊將電信號轉成光信號，光信號的傳輸距離不僅遠遠大于電信號，且實際布設時可采用多芯光纜，最大限度地節省布設線材時的成本。

2.6 電源模塊

采用工業級127V/12V本安型穩壓電源將交流電轉換成直流12V為分站供電，利用ASM1117-5、ASM1117-3.3等電源轉換芯片將12V電壓降壓至5V、3.3V，4G通信模塊、光電轉換模塊采用5V供電，其他模塊均采用3.3V供電。通過加裝UPS備用不間斷電源模塊保證短時間斷電情況下能夠維持系統運行，避免因施工等不可控因素導致的停電影響監測系統采集的數據連續性。

2.7 顯示模塊

采用以ILI9486為控制芯片的TFT-LCD顯示屏模塊，通過SPI接口與主控芯片相連接，能夠顯示接入分站的傳感器數據并支持用戶查詢，能夠為用戶提供各傳感器數值、各傳感器工作狀態等基本信息，并對網絡異常連接提供報警信息。

2.8 按鍵輸入模塊

為滿足作業人員對分站工作情況的查詢，設計了按鍵輸入模塊，能夠對分站進行設置、查詢、開關等指令操作，減少維修困難，為日常檢修提供便利。

3 分站軟件設計

軟件通過FreeRTOS移植系統進行開發，操作系統能夠通過對任務和隊列的合理調度實現偽多線程作業，由于任務調度器在各個任務之間切換非常快，造成一種同一時刻有多個任務同時運行的錯覺，且FreeRTOS十分小巧，可以在資源較為有限的主控芯片中運行，為后期分站軟件的調試移植提供便捷。滿足監測分站對于數據采集、數據顯示、數據查詢、數據儲存、數據收發、系統自檢、故障報錯等功能。

3.1 分站軟件需求

分站軟件主要能夠實現數據采集功能、數據顯示功能、數據儲存功能、設置查詢功能、數據收發功能等。

3.1.1 數據采集功能

系統啟動后，首先對分站通訊進行檢測，若發現分站無法連接網絡，便彈出報錯窗口，提醒作業人員檢查網絡接線是否正常，再通過定時器對傳感器數據定時采集，若有無法讀取單個傳感器的情況便在LCD屏幕上顯示該傳感器離線，提示作業人員進行檢修。

3.1.2 數據顯示功能

分站系統通過LCD顯示函數調用分站采集的傳感器數據，再將數據投放到顯示屏中。

3.1.3 數據儲存功能

分站將傳感器數據收集完畢后，將數據寫入閃存芯片同時擦除歷史數據，保證閃存芯片有足夠的寫入空間，并保證數據能夠盡可能地被保存。

3.1.4 設置查詢功能

通過按鍵模塊對分站數據進行查詢，查詢內容包括：傳感器數據、傳感器工作狀態、網絡連接狀態、本分站地址與接入傳感器設備地址。在分站布設完畢后需要設置分站地址和與之相連的傳感器地址，避免因地址沖突導致監測系統無法正常工作。

3.1.5 數據收發功能

4G通信模塊通過公網采集傳感器數據，主控芯片通過串口讀取數據，再將數據通過串口轉TCP/IP模塊轉換成網絡信號，根據交換機與分站之間的距離選用光纜或電纜。

3.2 總體設計

分站主控制器需要完成對多個傳感器數據采集的功能、數據整合儲存、數據傳輸、數據顯示等多個工作任務，系統的軟件設計移植了FreeRTOS，可實現分站對系統穩定性和實時性的需求，將主控模塊的作業任務劃分為數個獨立的作業任務，由調度模塊完成多線程作業任務運行調度，理由消息隊列功能完成各個作業任務值檢測數據傳遞。系統軟件總體設計如圖5所示。

圖5 系統軟件框圖

3.2.1 系統初始化

首先對分站的數據信息進行初始化，包括分站地址、數據傳輸速率等信息，接著對主控制器的串口進行配置，對4G通信模塊、串口轉TCP/IP模塊、調試模塊等接口進行初始化，再對主控模塊的各總線接口進行配置，包括儲存模塊、顯示模塊的SPI總線接口。最后從儲存區讀取數據傳輸速率并進行初始化。

3.2.2 隊列設計

隊列主要實現任務之間、任務與中斷的消息傳遞，系統設計了三個消息隊列，用以儲存以下內容：消息接收隊列，通信模塊對隊列中的消息進行采集接收；消息發送隊列，TCP/IP模塊將消息發送到上位機；消息儲存隊列，FLASH閃存模塊需要將消息儲存下來。

3.2.3 任務實現

根據上述分站功能需求，系統建立了以下幾個主要任務：

(1)初始化任務：本任務主要實現4G通信模塊、TCP/IP模塊的初始化，實現分站與上位機、傳感器實現數據連接，并將分站主要配置信息存入消息發送隊列中等待通信模塊將通信模塊發送任務執行完畢，接著將自身掛起。

(2)數據發送任務：從消息發送隊列中將數據讀取后，根據上位機通信協議將數據整合好后進行發送。

(3)數據接收任務：主要接收傳感器的數據以及上位機的消息指令，將數據解碼后存入消息接收隊列中，等待其他任務執行完畢。

(4)數據儲存任務：從消息儲存隊列中讀取數據將數據儲存到閃存芯片中。

(5)定時器任務：通過配置TCP/IP模塊定時向上位機發送心跳包保持與上位機之間的連接，并定時讀取傳感器數據將數據整合處理完畢后存入對應的隊列中等待其他任務執行處理。

4 總結

本文針對有限空間環境，設計了以STM32F103RCT6作為核心的4G監測分站，采用無線結合有線的通訊方式改善因有限空間環境內布線困難導致的監測難度高、監測條件差，解決了信號線纜因惡劣環境導致無法通信數據斷連的情況，節約了成本，提高了數據連續性，為有限空間內監測系統提供了無線監測的方案，為逼仄環境中的作業人員提供采用可續航的無線傳感器搭配4G監測分站設計的監測系統，能夠降低事故的發生率并保護作業人員的身體健康，在我國工貿行業中有限空間作業環境日益增長的前提條件下，4G監測分站具有較高的應用價值，為我國有限空間環境監測系統提供了解決方案。