基于ARM的水質(zhì)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

卜勝

【摘 要】對于目前人力采集水質(zhì)信息方式的不足，設(shè)計了一種以ARM為核心的水質(zhì)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM920TS3C2410為主控制器，信號經(jīng)傳感器采集后，通過ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心并顯示。測驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，成功地實現(xiàn)了對水質(zhì)的遠距離檢測。

【關(guān)鍵詞】水質(zhì)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(tǒng)和無線技術(shù)的引領(lǐng)下，人們的生活正走向無人化，智能化[1]。在水質(zhì)檢測過程中，如果光靠人力來采集酸堿度、水溫、電導(dǎo)率和溶解氧等水質(zhì)信息，難免會有檢測效率低，檢測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題[2]。文中設(shè)計了一種基于ARM的水質(zhì)信息檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠隨時檢測水質(zhì)信息，既能滿足水質(zhì)檢測的要求，又能減少人力檢測的工作量，對水環(huán)境的保護起著非常大的作用。

1 水質(zhì)檢測系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的水質(zhì)檢測系統(tǒng)核心模塊有四個，從上到下依次為：上位機監(jiān)控中心，ARM數(shù)據(jù)處理器，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干ZigBee節(jié)點，水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。最下層的是若干ZigBee節(jié)點，這些ZigBee節(jié)點和傳感器集成在一起，被分配在所要檢測的水域。水質(zhì)傳感器采得數(shù)據(jù)后經(jīng)ZigBee節(jié)點無線傳輸給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將傳過來的數(shù)據(jù)匯總，接著經(jīng)過串口電路傳輸給ARM數(shù)據(jù)處理器。ARM數(shù)據(jù)處理器對其進行接收并處理，之后交給GPRS模塊整理后發(fā)送到上位機。上位機將數(shù)值和數(shù)據(jù)庫比對和分析，完成后給出處理建議，同時在監(jiān)控中心對水質(zhì)信息及時顯示。

2 部分器件和硬件電路介紹

系統(tǒng)主要用到的器件有S3C2410 ARM數(shù)據(jù)處理芯片，CC2430 Zig Bee芯片，SIM300D GPRS芯片，WQ系列水質(zhì)傳感器等。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 ARM數(shù)據(jù)處理器模塊

S3C2410系列CPU是三星公司在ARM920T基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代CPU芯片。這款處理器采用AMBA BUS總線結(jié)構(gòu)和哈弗體系結(jié)構(gòu)，指令Cache和數(shù)據(jù)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(yōu)點[3]。同時該處理器的寄存器個數(shù)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(shè)計的需求。

2.2 GPRS模塊

GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇了SIM300D芯片。SIM300D是一款四頻無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，集成TCP/TP協(xié)議棧，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸快，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，被廣泛的應(yīng)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(fā)送數(shù)據(jù)前必須插入SIM卡，它是不同終端設(shè)備的標(biāo)識。GPRS模塊結(jié)構(gòu)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(fā)裝置，功能強大，同時上手簡單[5]。CC2430芯片不但外設(shè)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(wǎng)絡(luò)在通信時，還需通過一個以RS-232協(xié)議為基礎(chǔ)的串口轉(zhuǎn)換電路，才能成功與ARM處理器互聯(lián)。具體連線時把CC2430芯片的P03口經(jīng)串口轉(zhuǎn)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(zhì)傳感器模塊

因為主要采集水域中重要的幾個數(shù)據(jù)，包含水溫，酸堿度、電導(dǎo)率、溶解氧這四個簡單的數(shù)值，考慮到傳感器工作環(huán)境在水中，所以選擇GLOBAL WATER公司制造的WQ系列水質(zhì)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(shù)，不但準(zhǔn)確率和精度較高，而且價格比起其他公司的產(chǎn)品更有優(yōu)勢。WQ系列水質(zhì)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(zhì)傳感器電路圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在完成硬件部分設(shè)計后，還要完成相關(guān)軟件設(shè)計，這樣才能使得硬件按照我們設(shè)想的方式運行。對于水質(zhì)信息檢測系統(tǒng)軟件的設(shè)計可分為：ARM數(shù)據(jù)處理器，Zig Bee模塊，GPRS 模塊這三塊程序的編寫。

3.1 ARM數(shù)據(jù)處理器軟件設(shè)計

ARM處理器部分軟件的設(shè)計是本水質(zhì)檢測系統(tǒng)設(shè)計的最重要的地方。它既要完成對下層ZigBee模塊傳來的數(shù)據(jù)進行接收和處理，又要把處理后的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送給上層監(jiān)控中心。如圖5所示，首先，系統(tǒng)經(jīng)初始化后，開始對各個模塊進行相關(guān)配置，如Flash，JTAG，串行口，AD/DA模塊等。配置結(jié)束后ARM處理器等待ZigBee協(xié)調(diào)器對其傳輸數(shù)據(jù)，若是有數(shù)據(jù)傳輸過來就對該數(shù)據(jù)進行處理，沒有的話就一直等待。處理完后發(fā)向GPRS模塊，進行后續(xù)步驟。

3.2 ZigBee模塊設(shè)計

當(dāng)水質(zhì)傳感器獲得數(shù)據(jù)后，經(jīng)ZigBee模塊上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點，以便對數(shù)據(jù)進一步處理。如圖6所示，設(shè)備初始化后便開始組建網(wǎng)絡(luò)，接著各個ZigBee節(jié)點添加到此網(wǎng)絡(luò)，至此網(wǎng)絡(luò)形成，所有ZigBee節(jié)點設(shè)備都有自己的地址且互不相同，目的是區(qū)分不同節(jié)點。在數(shù)據(jù)通信時各節(jié)點設(shè)備先向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)出握手信號，協(xié)調(diào)器節(jié)點會做出應(yīng)答信號，若是協(xié)調(diào)器同意接收則雙方連接成功。之后將所收集的信號傳向協(xié)調(diào)器節(jié)點，以此循環(huán)，完成全部數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 GPRS模塊軟件設(shè)計

GPRS模塊和監(jiān)控中心的信息交互是通過ARM數(shù)據(jù)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(dāng)檢測到GPRS模塊后，開始建立連接管理配置文件以及服務(wù)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(zhǔn)備數(shù)據(jù)的傳送，傳送完后關(guān)閉連接。GPRS模塊會將數(shù)據(jù)發(fā)送到我們一開始設(shè)置好的終端IP地址。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于ARM的水質(zhì)檢測系統(tǒng)既完成了對水質(zhì)的遠距離采集，又能在監(jiān)控中心顯示檢測結(jié)果。該檢測系統(tǒng)不但能減少水質(zhì)監(jiān)測的工作量，而且檢測的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，同時系統(tǒng)安裝和運行成本低，具有較好的應(yīng)用價值。

【參考文獻】

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

[2]劉占來.基于ARM的故障監(jiān)測診斷系統(tǒng)設(shè)計[D].北京交通大學(xué)碩士論文，2010.

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

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

[5]任培家.基于Zig Bee的灌溉水渠水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].黑龍江大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]endprint