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        基于STM32的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

        2018-04-26 08:51:28長江水利委員會長江科學(xué)院武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司賈寶良
        電子世界 2018年7期
        關(guān)鍵詞:無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)處理器

        長江水利委員會長江科學(xué)院 武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司 張 慧 賈寶良 羅 熠

        1.引言

        目前,我國的水質(zhì)監(jiān)測體系的自動化程度和信息化程度不足,隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信及自動化技術(shù)的飛速發(fā)展,設(shè)計(jì)并建立全方位水質(zhì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)有著重大意義[1]。STM32處理器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有快速靈活部署、成本低、功耗低、節(jié)點(diǎn)體積小、抗干擾性強(qiáng),適用于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)方法主觀性強(qiáng)、監(jiān)測范圍小和難以應(yīng)對突發(fā)性水污染事件等缺點(diǎn),能夠提供更快的實(shí)時(shí)響應(yīng),縮短信息傳播周期,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[2]

        本文基于STM32處理器,將無線傳感器布置于被監(jiān)測水域,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲控制,使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后通過互聯(lián)網(wǎng)把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩糁行模瑢?shí)現(xiàn)水質(zhì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和發(fā)布,為水質(zhì)評價(jià)和管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。

        2.系統(tǒng)原理

        2.1 STM32處理器

        本設(shè)計(jì)中選用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32處理器。STM32微處理器具有Cortex-M3多項(xiàng)新型的增強(qiáng)架構(gòu),性能優(yōu)異、功耗超低,集成度高,擁有復(fù)位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC 振蕩器等,并提供豐富的外設(shè)和USB 接口,便于進(jìn)行USB 開發(fā), STM32 固件庫提供易用的函數(shù)可以使用戶方便地訪問STM32的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)[3]。

        2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、IP網(wǎng)關(guān)、互聯(lián)網(wǎng)、路由器、用戶管理端,大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi),它們通過自組織和多跳的方式構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò),傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過網(wǎng)關(guān)發(fā)送至路由器,路由器通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星等方式將所有數(shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶管理端[4]。

        3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 硬件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)選用WQ系列的水質(zhì)傳感器,美國GLOBALWATER公司生產(chǎn)的專門應(yīng)用于水環(huán)境測量的WQ系列水質(zhì)傳感器具有很高的精度和測量準(zhǔn)確性,安全可靠,而且價(jià)格比其他公司生產(chǎn)的水質(zhì)傳感器要低,滿足水質(zhì)監(jiān)測的需要。本系統(tǒng)所選用的傳感器的部分型號和參數(shù)如表1所示。

        STM32處理器擁有32位的Cortex-M3內(nèi)核,最高工作頻率達(dá)到72 MHz.內(nèi)部集成了512Kbytes Flash存儲器和64Kbytes SRAM,并且擁有豐富的外設(shè)。強(qiáng)大的處理能力能夠滿足無線網(wǎng)絡(luò)傳感器協(xié)議與TCWIP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。ENC28J60是兼容IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器,內(nèi)部集成MAC和10 BASE-T PHY,8KB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM,最高可達(dá)10Mb/s的SPI端口。ENC28J60通過SPI接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊是裝有無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信協(xié)議的CC2530的最小系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)傳感器模塊通過UART接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖1所示,主要由STM32處理器、DTU和無線網(wǎng)絡(luò)傳感器無線模塊組成。

        表1 部分傳感器參數(shù)表Table 1 Part of the sensor parameter table

        圖1 網(wǎng)關(guān)硬件框圖Figure1 Hardware block diagram of gateway

        在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)傳輸三個(gè)功能模塊。數(shù)據(jù)采集考慮的性能指標(biāo)是采集精度和采集速度,因此選擇A/D芯片時(shí)主要考慮采樣位數(shù)(分辨率)、采樣率和采樣通道,同時(shí)考慮成本。數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)中存儲容量和速度是關(guān)鍵。高速、實(shí)時(shí)、連續(xù)采集和存儲的情況下,一方面要求系統(tǒng)不間斷地進(jìn)行信號采集,同時(shí)還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲,否則會造成數(shù)據(jù)丟失,本設(shè)計(jì)采用雙緩沖區(qū)交替存儲模式。數(shù)據(jù)傳輸采用通用串行總線USB、232 485串口通訊相結(jié)合,及時(shí)觀察和調(diào)試程序運(yùn)行的狀態(tài),同時(shí)還提供一些外圍功能模塊,如JTAG 調(diào)試接口、LED 指示燈,電源模塊、復(fù)位模塊等。

        傳感器輸出的信號為模擬電流信號,這些信號需要經(jīng)過信號調(diào)理電路的濾波、放大后轉(zhuǎn)換為電壓信號,A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信號處理與射頻模塊采用CC2530芯片,它是應(yīng)用于IEEE802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)傳感器和RF4C的片上系統(tǒng)解決方案。該芯片集成了高性能的RF收發(fā)器,符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051控制器,在系統(tǒng)可編程的flash和多達(dá)8KB的RAM。

        3.2 軟件設(shè)計(jì)

        網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用Z—stack協(xié)議棧,完成無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集觸發(fā)條件限定為:定時(shí)器時(shí)間間隔到達(dá);接收到數(shù)據(jù)采集命令,可以在滿足數(shù)據(jù)采集要求的前提下減少數(shù)據(jù)采集的次數(shù),最大限度節(jié)約能量,數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示。

        圖2 數(shù)據(jù)采集流程圖Figure 2 Flowchart of data acquisition

        無線網(wǎng)絡(luò)傳感器與以太網(wǎng)通過UC/OS—II提供的消息隊(duì)列進(jìn)行通信,完成無線網(wǎng)絡(luò)傳感器協(xié)議到TCP/IP協(xié)議之間的數(shù)據(jù)交換,與無線網(wǎng)絡(luò)傳感器通信相關(guān)的Task()和與以太網(wǎng)通信相關(guān)的任務(wù)Ethernet Task(),兩個(gè)任務(wù)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

        4.結(jié)束語

        高性能低價(jià)位的處理器不斷推出也為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)終端數(shù)據(jù)采集的發(fā)展提供了動力和保障,本文對現(xiàn)階段我國水質(zhì)監(jiān)測存在人工采集,采樣間隔時(shí)間長,難以連續(xù)監(jiān)控水質(zhì)等缺點(diǎn),提出了基于STM32的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有功耗低、高可靠性、抗高過載、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。該系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置于所監(jiān)測水域,利用傳感器協(xié)議實(shí)時(shí)采集和傳輸數(shù)據(jù),使用網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后,通過互聯(lián)網(wǎng)把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舯O(jiān)控中心,本系統(tǒng)全面提升了監(jiān)測自動化水平,能夠?qū)崿F(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和發(fā)布,對水質(zhì)進(jìn)行評價(jià)和預(yù)測,為管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。

        [1]杜曉明.多參數(shù)水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué),2015.

        [2]王斐,趙牛杰.基于STM32與FPGA的信號采集電路設(shè)計(jì)[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018(01).

        [3]李志廣.基于STM32單片機(jī)的四旋翼無人機(jī)姿態(tài)的數(shù)據(jù)采集研究[D].安徽理工大學(xué),2017.

        [4]Cao X.H.,J.M.Chen,Y.Zhang.Development of an integrated wireless sensor network micro-environmental monitoring system.ISA Transactions.2008.

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