【安防知识网】：本文以32位ARM7微处理器为核心，设计了一种集建筑水质信号监测、以太网通信和自动报警为一体的嵌入式应用系统，并以此为基础构建了基于以太网的分布式嵌入式监控系统，用于对建筑内分散的水质监测点进行远程监控、统一管理。

        建筑水质监测数据是建筑环境保护决策的重要依据，在资源日益紧张的今天，日常生活所需的水资源广泛引起人们的关注，在全世界都在提倡节约水资源、保护水资源的今天，人们希望有关部门对水资源状态有一个实时的信息公布。目前，在实际工作中，大量采用的建筑水质监测手段仍然是传统的实验室手工分析方法，这种水质监测存在着很多问题，水质监测点少，不能全面实时提供建筑用水的水质情况；现场监测能力低，不能及时掌握水污染事故和水质突变情况；同时水质监测信息处理实时性差，不能满足新时期水资源管理保护的要求。随着建筑环境保护事业的不断发展，对建筑环境监测的要求越来越高，传统的监测方法和手段已经不能满足当今社会的需求。针对上面问题，经过分析国内外水质监测方法，某公司自主研究开发了一套建筑水质监测系统，可以对建筑水域进行连续在线监测、自动采样、自动分析，并自动将数据上传到监控中心。

        在这个系统中，以32位嵌入式S3C44B0X-ARM7作为水质监测仪的核心器件，配合相关的外围电路，和无线通信接口，将水质传感器检测到的电信号转换成标准信号，经过数据运算处理，变换成代表实际化学或物理量的数据显示在液晶屏上，以供现场人员的观测、记录和分析，为建筑管理部门分析水质状况，及时地提供了现场数据资料。

监测系统的总体设计
        本系统的设计目标是对建筑内相对分散的无人值守的用水区域进行集中监控、统一管理，要求下位机能对其进行实时监控，及时发现不达标的水质，对发现的异常情况迅速通知监控人员。为此，系统采用了如图1所示的结构。

        整个系统由中心机房和各远程监测端组成，远端监测端的核心设备是远端监测仪，各远端监测仪与监测中心计算机通过以太网接口组成VLAN（也可通Internet相连），终端之间的数据通过TCP/IP协议进行通讯。

系统上/下位机的设计
        系统的上位机由装有专用监控软件的PC机构成。监控人员可以直接通过以太网访问各个远程监测端——监测仪，了解其工作状态。

        系统的下位机是数台远端监测仪，该监测仪是整个监控系统的核心处理设备，主要实现如下功能。

        ·实时监控机房的水质参数，包括pH值、含氧量、浊度等；

        ·通过以太网与中心机房保持实时通讯；

        ·通过键盘和液晶显示屏设置系统信息；

        ·通过LCD显示屏和扬声器，发出报警信号。[nextpage]

        本监测仪以基于Linux的嵌入式系统为核心，通过键盘进行人机对话，数据可通过LCD屏实现现场显示。重要数据以文件形式保存在Flash存储器中，数据和报警信息还可通过串口向上位机传输，也可通过以太网向Inernet发布信息。用户可通过显示界面查看水质的各种参数，实现远程监控、远程维护。其结构如图2所示。

水质监测仪的硬件设计
        由于ARM处理器接口丰富，功能较强，因此以ARM处理器为核心构成的嵌入式系统电路较为复杂。为了使设计过程更加条理清晰，这里将整个系统分为微处理器及其外围电路、数据采集和处理电路、网络接口电路和电源、复位电路等功能模块，分别展开设计。

数据采集和处理电路
        嵌入式系统是嵌入到设备内部完成特定控制功能的计算机系统，因此对所控制对象的特征信号进行采集和处理，转换成控制信息是各种嵌入式系统必不可少的环节。本系统设计了由pH值传感器、溶解氧传感器、浊度传感器等组成的多路数据采集端，对建筑水质的pH值、溶解氧、浊度等进行实时监控。S3C44B0X自带一个8通道的10位A/D转换器，该转换器可以通过软件设置为Sleep模式以减少功耗。

网络接口电路
        随着Internet的普及，为适应嵌入式分布处理和上网需求，嵌入式系统要求配备一种或多种标准的网络通信接口，支持TCP/IP协议。本系统选用RTLSO19AS芯片作为网络控制器，通过S3C44B0X控制，与上位机实现以太网通信。RTLSO19AS内部结构按功能可划分为：接收功能模块、CRC产生模块、发送功能模块、地址识别模块、FIFO控制模块、协议逻辑阵列模块及DMA和缓冲控制模块。

输入/出接口电路
        为了降低系统的功耗和成本，嵌入式应用系统的输入输出设备常常比较简单。常用的有键盘、液晶显示屏等，通过这些设备可以对系统进行功能设置。

1、键盘接口电路
        键盘是嵌入式应用系统中最常用的输入设备，本系统将设置8个端口为外部中断输入端口，组成最简单的4×4按键电路，配合液晶屏进行系统的设置和查询。[nextpage]

2、音频报警电路
        本系统将端口PE6设置为输出端口，直接控制蜂鸣器输出，用作系统设置和调试时的操作提示。

3、LCD显示
        S3C44B0X中具有内置的LCD控制器，它具有将显示缓存（在系统存储器中）中的LCD数据传输到外部LCD驱动电路的逻辑功能。S3C44B0X中内置的LCD控制器可支持单色、4级、16级灰度模式和256级彩色的LCD。

电源和复位电路
        远端建筑水质监测仪的主要工作电压有：3.3V、2.5V，其中2.5V为ARM芯片核的工作电压，3.3V为ARM芯片UO口的供电。系统时钟电路的稳定性对系统的工作影响也是很大的。目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。基于以上原因，需要设计时钟电路。

水质监测仪的软件设计
        嵌入式系统的软件是针对特定系统设计的，与硬件的关系较为密切。这是其与通用计算机软件的主要区别。本系统的软件包括了各种设备的驱动、系统初始化以及各个任务模块的程序，内容繁多，这里只介绍系统的软件结构及其执行流程。远端水质监测仪的软件流程如图3所示。

        在线监测软件的设计过程中, 把数据显示作为主程序，通过调用A/D转换子程序和数据处理子程序实现五项水质常规参数的在线监测功能。由于选用的五种水质检测传感器的输出电信号与所测量的化学、物理量具有良好的线性关系，为了使显示数据与实际参数值相对应，采用下列公式计算:P =S×D/255。式中:P-表示实际化学、物理量的显示数据；D-数字滤波的结果；S-各项水质参数的满量程值。

实验结果
        这个系统在实验室条件下进行测试， pH值、溶解氧、浊度和温度等水质常规参数的检测性能技术指标满足了国家环保使用的要求，标准指标如表1所示。系统经过一段时间运行，工作性能稳定，数据传输可靠。根据水质监测方法，对水质参数的准确度指标做出的监测结果如表2所示。

        由表2的监测结果，可以看出，所研制的水质参数监测仪对pH值、温度、溶解氧、浊度等水质参数的测量准确度均不超过表1的标准准确度指标的规定，因此该仪器的准确度技术指标达到了设计的要求。

结语
        该水质监测系统监测速度快、精度高、操作简单可靠，有效的避免了人为误差和外界的各种干扰因素的影响。相对于其它水质监测系统的应用，基于ARM的水质监测系统节省了硬件资源，采集精度高，实时处理能力强，同时监测理论先进，给建筑环保部门提供了可靠的监测数据，为环境保护工作的开展提供了有力的支持。该系统开发成本低，便于升级，因此可以在更多的水质监测系统中得到更广泛的应用。（本文作者王汝琳、李娇、赫森现任职于中国矿业大学，胡雯任职于泰豪科技股份有限公司）