小型污水厂远程监控系统设计

摘要：为了实现对污水厂远程监控系统的需求，文中提出了基于ARM的小型污水厂远程监控系统设计方案，并完成了系统软硬件设计。文中采用ARM微处理器为主控制器，用模数转换采集现场数据，用摄像头采集现场图片，采用GPRS无线通信模块传输采集的信息，实现了小型污水厂图像和数据的采集、存储和无线传输功能。
关键词：污水厂；GPRS；ARM；远程监控

    随着国家对环保投入的不断增加以及污水处理行业改革的不断深入，城市污水处理厂的运营管理向市场化、专业化、规模化、集团化趋势发展。许多专业的运营企业要运营管理同一城市的多个污水处理厂。因此，对污水处理厂的生产实施远程监控，对降低运行成本和加强生产管理以及确保污水处理工艺的高效运行和水质达标排放、提升企业运营管理的效率具有重要的意义。文中结合GPRS技术为小型污水处理厂设计一套基于ARM的污水处理远程监控系统。

1 监控系统的总体设计方案
    根据污水处理装置的性能要求，监控点的系统由数据采集系统和图像采集系统及无线通信网络构成，数据采集系统由模拟量传感器，变送器，A／D模数转换器及ARM系统构成，各模拟量传感器将模拟信号送至信号变送器，使之放大变成标准信号，然后逐一送至AD／转换器，将模拟信号转换成数字信号，再由ARM处理器对数据进行采集、图像采集部分由串口摄像头和ARM控制器构成，摄像头先采集现场图片然后通过串口传给ARM控制器，ARM控制器把采集的数据和图像通过GPRS无线通信网传送给监控中心。系统总体结构图如图1所示。

    使用AT指令通过GPRS Modem拨号，正确应答后，一条物理通道就是指GPRS信道就在系统中的GPRS Modem和GPRS网络之间建立起来。PPP协议将原始的GPRS物理层连接改造成无差错的数据链路，系统将远程登录Internet。并得到GPRS网关分配的IP地址。采用IP协议作为网络层协议。IP协议将接入Internet的具有不同IP地址的终端都联系起来。经过IP路由选择，可以实现系统与连在Internet上的任一IP终端进行数据交互。选择TCP作为传输层协议，为数据传输提供面向连接的、端对端的可靠服务。通过无线网络将数据包发送到具有固定IP地址的监控中心服务器端口以便在监控中心实时监控污水的参数，监控中心对采集到的数据进行处理、显示、存储、打印等。
    文中以下主要就监控终端的硬件设计部分和软件部分做简要介绍。
2 系统硬件设计
    根据污水处理装置的性能要求，监控点的系统由模拟量传感器、变送器、模数(A／D)转换器及ARM处理器等组成。各模拟量传感器将模拟信号送至信号变送器，使之放大变成标准信号，然后由多路开关逐一送至A／D转换器，将模拟信号转换成数字信号，再由ARM处理器对数据进行采集、数据处理、显示。同时，ARM处理系统通过GPRS将图像和数据经GPRS网络送到远程监控中心。系统硬件框图如图2所示。

    系统终端以LPC2148为核心，对通信模块TR800进行控制。ARM CPU采用飞利浦公司的LPC2148，内核为基于ARM7DMI-S的精简指令集的通用32位高速微处理器。工作电压为3．3 V，内核工作电压为1．8 V；内置PLL锁相环可以设置CPU工作频率60 MHz，双UART口，提供数据的异步串行发送和接受：片内16 kB RAM和128 kB Flash程序存储器。LPC2148提供了2个串口，共有6个I／O口可供使用。它的接口电路部分包括8路模拟量输入通道，RS232串行口通信接口，其中数模转换为控制内置模块，精度为12位，基本可以满足一般控制对象的要求。终端应用程序在PC机上用IAR编译好通过JTAG接口下载到FLASH中，系统常用的参数，通过程序的设置放到主控器的信息存储器。
    本系统选用GXT-M201串口摄像头模块来完成现场图像的采集和压缩。GXT-M201生产工艺非常严格，能在多种环境下维持正常稳定的工作，性能相当可靠。已经很广泛的应用到图像的无线传输、工业上的图像采集监视以及民用监控等设备中。从使用功能上来看，GXT-M201是一款能够将视频采集和图像压缩集于一身的图像采集模块，它是通过比较简单的串行口指令来控制图像的捕捉和获取，并对采集到的图像完成JPEG格式的压缩，接着通过串口输出，因此模块与微控制器之间是完全通过串口来传输数据和通信的，它的成本和功耗都比较低，获得的图片分辨率也比较高，并且支持不同分辨率可变JPEG编码质量设置。GXT-M201的内部构成主要有Omni Vision公司生产的CMOS感光芯片OV76 40、存储器、串行接口以及硬件JPEG压缩芯片OV528等部分。整个GXT-M201的核心组成部分就是嵌入式JPEG压缩控制芯片OV528，它主要负责将OV7640拍摄到的图像数据进行压缩并传送给外部没备，相对很高的压缩率和较好的图像质量都是OV528这个压缩芯片能够达到的。对于EEP ROM则可以提供11种定长6字节的用户命令接口，用户可以通过这些命令来设置多种不同的属性，如图像的色彩模式、图像的大小、图像数据分包的大小、是否将图像压缩为JPEG、静态模式或预览模式以及串口的波特率，并且它还带有错误返回命令，能够检测多达20种的错误。GXT -M201模块最大可获取30万像素的JPEG压缩图像，完全能够满足本系统对图像分辨率的要求。
    GPRS模块选用iwow公司的TR800。TR800模块提供了完整的GPRS和GSM无线连接口，能够直接被当作终端产品来完成图像和数据的传输，这是由于它集成的射频电路和GPRS基带处理器都是非常完整的。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器。用来处理外部系统通过串口发送AT指令。RF天线部分主要实现信号的调制和解调以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换。匹配电源为处理器基带射频部分提供所需的电源。GPRS模块提供了标准TTL电平接口，通过TTL电平和LPC2148的UART1口相连，进行全双工通信。TR800工作电压为3．4～5．5 V。模块上电后，给模块RESET脚或者PWON脚(建议前者)一个至少30 ms的低电平，模块便启动了。

3 系统软件设计
    本系统的程序主要就是单片机控制程序。主要作用就是配合系统的硬件功能，保证整个系统稳定可靠的运行起来，达到设计要满足的要求。系统的软件结构如表1所示。

    系统从上电到开始正常工作的整个过程都是由主程序负责的，这个过程的任务就是各子模块的初始化，其中包括了系统时钟的初始化、串口初始化、输入输出口的初始化。系统的初始化子程序集就是由这些子程序组成的。监视终端的微控制器主程序流程图如图3所示。

    对于监视终端模块，主控制器LPC2148的系统时钟选用的是8 M高速的时钟源。输入输出口初始化的作用是初始输入输出模块、清除标志位和中断使能等。对于LPC2148负责与摄像头模块通信的串口USART0接收终端，其传输波特率应该在串口初始化的过程中设置为38 400 bps，并把串口接收中断启用。串口USART1负责接收终端与GPRS模块通信，波特率设置为9 600 bps，用指令AT+IPR更改波特率。
    TCP／IP采用协议分层的结构：应用层、传输层、网络层和链路层。由于系统对污水参数和图像进行传递，所以可对TCP／IP协议进行大量的裁减。应用层只需用到HTYP协议。在传输层用TCP传输控制协议有助于提高数据通信的可靠性。网络层需要用到IP、APP／RARP、ICMP，其中IP的作用是提供高可靠和无连接的数据包传送服务，ARP协议完成IP地址和物理地址的映射，ICMP用于监测网络通讯状况，由于采用的是无线通讯方式，易出现掉线情况，所以GPRS通过定时监控中心发送ICMP回显请求，并通过实时监测，一旦发生异常，GPRS模块自动重新建立链路，保持系统实时在线。链路层采用GPRS支持的IP协议。只要使用TCP／UDP提供的套接字函数80(2ket、connect、close、bind、listen、accept、send、i’eev等调用就能实现客户端与服务器之间的TCP连接。通过裁减TCP／IP协议既能满足功能的需要，也可以节约ARM的存储器资源。

4 结论
    文中设计和实现的针对小型污水厂的无线监控系统，借助成熟的第三方网络构建实时数据的远程无线监控通信网，是无线监系统的新思路。基于GPRS网络的远程无线监控系统是信息化社会中企业信化的一个重要尝试。本文从小水厂的需求出发，结合成本、功能、传输速度等多方面因素，设计了基于GPRS网络的小型水厂远程监控系统。
    对系统实现的基本理论和基本方法进行了有益的尝试，由于水平和时间所限，实时的无线监控系统的软硬件还有许多需要改进的地方，可以从以下方面进行更深入的研究：系统的主站软件可以进一步的开发，以图形或曲线的形式实时的显示所采集到的数据，采用多线程技术，开发多终端的主站软件。
    总之，无线监控系统对社会生活信息化和工业自动化有着巨大的作用，如何很好的利用第三方网络是无线监控发展的一项重要工作，而且随着3G网络的建成和使用，这方面的应用开发研究的需求量将会蓬勃发展。