習(xí)海旭， 張 杰， 時(shí)國(guó)龍， 李民強(qiáng)

(1.江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，江蘇 常州 213001；2.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所 智能傳感器件研究中心，安徽 合肥 230031)

0 引 言

水是重要的環(huán)境要素之一, 也是人體的重要組織成分[1]。然而隨著我國(guó)人口數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，資源消耗、能源需求的迅速增長(zhǎng)[2]，水總量的減少引起水污染加劇，水資源的供需矛盾越來(lái)越突出[3]。食用水不僅受日常污染，更受有毒有害離子污染，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲用水中重金屬元素的濃度，對(duì)人類生產(chǎn)生活具有及其重要的意義[4]。

目前水中離子的檢測(cè)多數(shù)使用離線檢測(cè)，即取水后異地測(cè)試，這種測(cè)試方式的缺點(diǎn)是樣品在采集、運(yùn)輸、檢測(cè)等過(guò)程中受到的污染較為嚴(yán)重，因而影響到了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且整個(gè)測(cè)試的周期很長(zhǎng)[5]。世界上當(dāng)前最先進(jìn)的測(cè)試方式是全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)地水中的元素含量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)時(shí)反映水中各微量含量的變化。這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得水中微量元素含量變化的連續(xù)記錄[6]。相比與傳統(tǒng)測(cè)試儀器，該儀器操作簡(jiǎn)單、成本較低、針對(duì)性強(qiáng)、測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程無(wú)線控制，使飲用水中有害離子實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)成[7]。

本文設(shè)計(jì)的基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，分為硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要包括信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)集成與人機(jī)界面軟件，無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊等。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)水樣和測(cè)試試劑的自動(dòng)精確進(jìn)樣控制及測(cè)試儀器的常用遠(yuǎn)程控制功能；信號(hào)采集與處理系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集檢測(cè)電路中的信號(hào)，轉(zhuǎn)換并進(jìn)行去噪處理，形成離子溶度數(shù)據(jù)；無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，按需通過(guò)實(shí)地測(cè)試儀上安裝的支持串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊和室內(nèi)設(shè)立的監(jiān)測(cè)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)和信號(hào)的交互；系統(tǒng)集成于人機(jī)界面將接收到的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程進(jìn)行統(tǒng)一管理，提供給操作員使用系統(tǒng)的友好界面。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、低成本、針對(duì)性強(qiáng)、測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程無(wú)線控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)通信和控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域范圍比較廣，包括智能研究所、北京的管理部門、水樣檢測(cè)示范地及服務(wù)器機(jī)房所在地。地區(qū)之間的通信都基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)。在水樣檢測(cè)過(guò)程中，水樣的離子溶度測(cè)試數(shù)據(jù)首先被保存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的硬盤(pán)中，之后利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程的中心服務(wù)器端，智能所的測(cè)試人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件查看離子溶度數(shù)據(jù)并進(jìn)一步處理。測(cè)試人員也可以根據(jù)實(shí)際需要，在指定的時(shí)間遠(yuǎn)程啟動(dòng)分析儀，待其測(cè)試完畢之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)發(fā)送至服務(wù)器端，所處理的數(shù)據(jù)按照需要可報(bào)送至北京有關(guān)管理部門，以便其查看統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)整體工作流程見(jiàn)圖1。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，測(cè)試人員通過(guò)網(wǎng)址登錄遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面，選擇示范地監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)置或選擇相應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)，確定后主界面指示分析儀的通訊狀況(正常、不正常)，分析儀的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，飲用水處理前后的砷、氟濃度等信息。研究人員可以點(diǎn)擊主界面上的開(kāi)啟按鈕，系統(tǒng)將會(huì)檢測(cè)GPRS模塊、下位機(jī)等網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備連接是否正常，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)把指令發(fā)送到位于下位機(jī)處的GPRS模塊。然后遠(yuǎn)程控制處理系統(tǒng)通過(guò)串口接收GPRS模塊發(fā)送的指令啟動(dòng)并且遠(yuǎn)程啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器，原始數(shù)據(jù)也可通過(guò)點(diǎn)擊主界面進(jìn)行下載。

圖1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

無(wú)線控制水樣檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由①信號(hào)采集與處理模塊，②自動(dòng)控制模塊，③系統(tǒng)集成與人機(jī)界面模塊，④無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊四部分組成。自動(dòng)控制模塊具有液體自動(dòng)進(jìn)樣和遠(yuǎn)程控制功能。其中液體自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)包括水樣采集系統(tǒng)、離子檢測(cè)自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)量?jī)x器的功能設(shè)定和所需自動(dòng)進(jìn)樣試劑的種類，自動(dòng)抽取大量液體，精確加入微量標(biāo)準(zhǔn)液，接收遠(yuǎn)程控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相關(guān)硬件系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。信號(hào)采集與處理模塊包括水樣自動(dòng)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括檢測(cè)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和離子檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)及差分脈沖溶出伏安法數(shù)據(jù)處理中的小波分析[8]軟件等，實(shí)現(xiàn)水樣中離子的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)去噪分析，從而快速準(zhǔn)確得到水樣中離子的濃度。無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊具有信號(hào)監(jiān)測(cè)和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，它采用GPRS技術(shù)[9]，自動(dòng)監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)，控制中心服務(wù)器端和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、檢測(cè)模塊之間的數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。系統(tǒng)集成與人機(jī)界面模塊包括數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能，數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)在中心服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的信息管理系統(tǒng)，它是用戶與自動(dòng)控制、檢測(cè)系統(tǒng)交互的界面，它包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線顯示、日常業(yè)務(wù)管理功能。數(shù)據(jù)庫(kù)由示范地地址相關(guān)信息表和離子溶度值表組成，采用可視化曲線顯示離子溶度和變化趨勢(shì)，對(duì)超出安全標(biāo)準(zhǔn)值的示范地點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警并對(duì)傳回自動(dòng)控制、檢測(cè)系統(tǒng)的控制信息進(jìn)行參數(shù)修正。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理過(guò)后的數(shù)據(jù)，啟動(dòng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能模塊，將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到中心服務(wù)器中，中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)伺服系統(tǒng)啟動(dòng)線程，實(shí)時(shí)接收傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，寫(xiě)入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)表中。數(shù)據(jù)傳送原理圖如圖3所示。

圖3 文本數(shù)據(jù)的發(fā)送流程圖

3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線顯示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線的繪制采用IOCOMP控件，它是常用的第三方繪圖控件，具有強(qiáng)大的繪圖功能，能根據(jù)需要實(shí)時(shí)繪制不同線型、不同寬度、不同顏色的曲線。它主要包含iPlot、iXYPlot和iScope三個(gè)方面的繪圖功能，iPlot顯示了該控件繪制圖表的功能。iXYPlot功能是iPlot的擴(kuò)展功能，它用在當(dāng)X軸的值不是一直增加或者減少的條件下，當(dāng)使用它時(shí)，需要對(duì)一些繪圖特征和速度等進(jìn)行設(shè)置。iScope是對(duì)基于硬件的數(shù)字模擬電路事務(wù)的直接顯示，需要數(shù)據(jù)采集卡傳輸數(shù)據(jù)與之匹配[10]。

控件具有多個(gè)子對(duì)象接口，如通道、坐標(biāo)軸等，許多重要的性質(zhì)和方法都影響著控件的功能，它們分布在控件的主界面上。例如，打印機(jī)配置、背景和喜好等功能配置都分部在主界面上。通道接口和主界面接口的相似之處是它們具有相同的文件I/O功能接口，主界面的文件接口方法和性質(zhì)屬于圖表中全部外部接口，而外部接口文件接口方法屬于特定的接口。分析儀測(cè)試顯示的連續(xù)曲線如圖4所示。

4 無(wú)線控制系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

RS232又被稱做EIA-232-E，是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]，它的作用是確保各個(gè)工廠產(chǎn)品之間兼容性并于1962年發(fā)布。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)也規(guī)定了一個(gè)通用串行接口規(guī)范EIARS232-C[12]。由于RS232屬于單端信號(hào)傳送，所以它的傳輸距離比較短。而且傳送時(shí)具有共模噪聲等弊端，所以RS232通常適用20 m內(nèi)的通訊。RS485繼RS232之后產(chǎn)生，它能夠彌補(bǔ)RS232傳送速度低和傳輸距離小等缺陷。RS485具有多點(diǎn)和雙向的通訊能力，發(fā)送器的動(dòng)力和出錯(cuò)保護(hù)機(jī)制也得到了有效的提高。

圖4 分析儀測(cè)試顯示的連續(xù)曲線

因?yàn)橥ㄓ么型ㄓ嵤巧衔粰C(jī)和別的硬件裝置之間產(chǎn)生通訊的常用手段，微軟公司的Windows在操作系統(tǒng)下提供了多種實(shí)現(xiàn)串口通信的應(yīng)用程序接口函數(shù)[13]。串口在使用前需經(jīng)過(guò)初始化，串口的初始化操作完成以后，接下來(lái)就可以進(jìn)行讀操作和寫(xiě)操作。串口的讀寫(xiě)函數(shù)聲明如下[14]：

BOOL ReadComm(HANDLE Comm, //串口端口的句柄

LPVOID ComBuffer, // 設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)

WORD， // 指向一DWORD類型的數(shù)值

LPDWORD NumberOfBytesRead, // 重復(fù)操作時(shí)，該參數(shù)指向一個(gè)OVERLAPPED 結(jié)構(gòu)，如果是同步操作，該參數(shù)為空。

LPOVERLAPPED Overlapped)；

BOOL WriteComm( HANDLE Comm, //串口端口的句柄

LPCVOID lpBuffer,

WORD NumberOfBytesToWrite, //定義寫(xiě)入字型數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)

LPDWORD NumberOfBytesWritten, // 重復(fù)操作時(shí)，該參數(shù)指向一個(gè)OVERLAPPED結(jié)構(gòu)，如果同步操作，該參數(shù)為空。

LPOVERLAPPED lpOverlapped);

MSCOMM是由微軟公司開(kāi)發(fā)的Windows環(huán)境下串口編程ActiveX控件[15]，有了這個(gè)控件，程序員不用消耗過(guò)多時(shí)間去編寫(xiě)復(fù)雜的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)，使用起來(lái)非常便捷。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)蠕動(dòng)泵的精確控制，需要建立合理完善的通訊控制協(xié)議。外控接口DB15-2連接的是485-B；DB15-3連接的是485-A。通訊協(xié)議的幀格式為flaghead(幀首) + address + length + pdua + fcsb。其中flaghead以E9H作幀首，傳輸時(shí)，幀頭以后的所有內(nèi)容中，若出現(xiàn)E8H，則以E8H、00H代替。若出現(xiàn)E9H，則以E8H、01H代替。接收時(shí)將E8H、00H恢復(fù)為E8H，將E8H、01H恢復(fù)為E9H。address為一個(gè)字節(jié)的地址，范圍是1～31；length代表pdua的字節(jié)個(gè)數(shù)；fcsb為address、 length 、pdua的異或。pdua應(yīng)用層編碼數(shù)據(jù)的部分內(nèi)容如下：

(1) 讀取運(yùn)行參數(shù)RJ。

應(yīng)答：RJ+速度2byte+滿速、運(yùn)行狀態(tài)1byte+正反轉(zhuǎn)1byte。

(2) 設(shè)置設(shè)備地址WID+新地址1 byte。

應(yīng)答：WID

(3) 讀取設(shè)備地址：RID。

應(yīng)答：RID，addr只能是泵的地址(1～30)。用于驗(yàn)證所設(shè)地址的正確性。

在通訊協(xié)議中W、R、J、I、D分別對(duì)應(yīng)ASCII碼值57H、52H、4AH、49H、44H；轉(zhuǎn)速高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，最高轉(zhuǎn)速為50.0 r/min，即01F4H；全速、啟停狀態(tài)字節(jié)中的BIT0表示啟停狀態(tài)位，1表示運(yùn)行，0表示停止；BIT1表示全速狀態(tài)位，1表示全速運(yùn)行，0代表正常運(yùn)轉(zhuǎn)；真反轉(zhuǎn)字節(jié)中，BIT0為正反狀態(tài)位，1代表正轉(zhuǎn)，0代表反轉(zhuǎn)；address位自定義為1。例如，設(shè)定蠕動(dòng)泵(地址02)為正轉(zhuǎn)，速度是25 rpm，指令是：E9 02 06 57 4A 00 FA 01 01 E3。

注射泵可通過(guò)RS-232或RS-485兩種接口方式和上位機(jī)進(jìn)行通訊，它支持兩種通訊協(xié)議，一種是OEM協(xié)議，另一種叫DT(終端)協(xié)議。OEM協(xié)議提供了增強(qiáng)的錯(cuò)誤校驗(yàn)，即采用了校驗(yàn)和序號(hào)。其中，每幀數(shù)據(jù)以STX為幀頭，ETX為幀尾，校驗(yàn)和是整個(gè)數(shù)據(jù)塊的終止。泵的地址從31H-3FH；序號(hào)為定值31H；數(shù)據(jù)塊由命令和參數(shù)構(gòu)成，全部用ASCII表示，低位在后，高位在前，如I1000: 5 byte，表示為49 31 30 30 30。校驗(yàn)和是數(shù)據(jù)串中最后一個(gè)字符，是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX、ETX)。

蠕動(dòng)泵的常用控制命令解析如下：E9 01 06 57 4A 01 F4 01 01 EF，其中E9H作幀頭，首個(gè)01H表示地址，06H代表pdu的長(zhǎng)度，57H、4AH分別是W、J的ASCII碼值，01F4H表示全速運(yùn)行，第二個(gè)01中，BIT0位為1表示運(yùn)行，BIT1為0表示正常運(yùn)行，第三個(gè)01H的BIT0位表示旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，EF是address、length、pdua的異或。如果需要讓蠕動(dòng)泵反轉(zhuǎn)，將第三個(gè)01H的BIT0位改為0，然后重新計(jì)算addr、len、pdu的異或。對(duì)蠕動(dòng)泵做停止操作，將第二個(gè)01H的BIT0位改為0，然后重新計(jì)算addr、len、pdu的異或。

對(duì)注射泵控制，首先要輸入固定命令 02 31 31 5A 52 03 09，02H代表一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，31H表示泵的地址，第二個(gè)31H是定值，5AH是Z的ASCII碼值表示初始化活塞，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當(dāng)前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，09H是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX和ETX)。

將注射泵的閥移動(dòng)到輸入位置并抽取砷標(biāo)準(zhǔn)液然后排出需要執(zhí)行命令：02 31 31 49 41 31 30 30 30 4F 41 30 52 03 64，其中02H代表一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，31H表示泵的地址，第二個(gè)31H是定值，49H是I的ASCII碼值表示移動(dòng)閥到輸入口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動(dòng)活塞到絕對(duì)位置，31H、30H、30H、30H分別是字符1、0、0、0的ASCII碼值，4FH是O的ASCII碼值表示移動(dòng)閥到輸出口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動(dòng)活塞到絕對(duì)位置，30H是字符0的ASCII碼值，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當(dāng)前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，64H是從STX到ETX所有數(shù)據(jù)的異或(包括STX和ETX)。

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲用水中有害離子的含量在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、臨床、食品方面具有極其顯著的意義，對(duì)人們的生活健康極其重要?；贕PRS技術(shù)的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的遠(yuǎn)程啟動(dòng)以及測(cè)試完畢的數(shù)據(jù)的自動(dòng)發(fā)送，在具有操控簡(jiǎn)單、低成本、針對(duì)性強(qiáng)、檢測(cè)精度高，全自動(dòng)程度高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守和遠(yuǎn)距離無(wú)線操控，使飲用水中有害離子的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)成為可能。

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