鮑 春, 謝 濤, 楊 飛, 于重重

(北京工商大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

0 引 言

城市污水管道是維持城市運(yùn)轉(zhuǎn)正常的重要部分，承擔(dān)著工業(yè)廢水和生活污水的輸送和處理作用。一直以來，污水管道里產(chǎn)生的易燃易爆且有毒氣體，如甲烷(CH4)、硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)等都是威脅城市居民的安全隱患，而污水管道監(jiān)測環(huán)境惡劣，現(xiàn)場監(jiān)測難度大，因此，污水管道氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測就成為了一項(xiàng)亟待解決的重要課題[1]。

針對污水管道氣體監(jiān)測問題，張娜提出了基于通用分組無線業(yè)務(wù)(general packet radio service,GPRS)網(wǎng)絡(luò)的管道可燃?xì)怏w監(jiān)測系統(tǒng)，但是其沒有解決運(yùn)算速度慢和運(yùn)算精度低的問題。高致慧等提出基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)只適用于現(xiàn)場氣體監(jiān)測，沒有解決遠(yuǎn)程監(jiān)測問題[2]。

本文提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band Internet of things,NB-IoT)的污水管道混合氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過FPGA組成的傳感器陣列采集氣體數(shù)據(jù)，使得測量的實(shí)時性更好。利用FPGA并行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從而提高了測量的精度。同時，該裝置嵌入了Linux操作系統(tǒng)，操作界面友好，最后，將采集的氣體數(shù)據(jù)通過NB-IoT組網(wǎng)傳送至云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

管道氣體的主要成分為CH4,H2S和NH3，因此，在檢測管道氣體時，先將混合氣體經(jīng)過氣泵抽入預(yù)先設(shè)計的密閉氣室中，抽取的混合氣體要經(jīng)過氣體傳感器陣列，該陣列分別由CH4,H2S和NH3傳感器組成。氣體數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA和ARM組成的采集裝置，由NB-IoT模塊連接基站傳至云平臺，用戶通過訪問云平臺獲得采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計部分主要包括NB-IoT模塊設(shè)計、FPGA采集硬件設(shè)計以及ARM電路設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示，以下將分成三個部分對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 NB-IoT模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選用的NB-IoT芯片為移遠(yuǎn)公司的BC95—B5模塊，BC95是最早期推出的一種NB-IoT模塊，其尺寸小，功耗低，功能強(qiáng)，極大的滿足終端小設(shè)備的設(shè)計需求。采用LCC封裝，內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，超低功耗的同時，具有超高的靈敏度。本設(shè)計基于BC95無線NB模塊，其具備電源指示燈1路，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈1路，Micro SIM卡座1個。模塊引出8個管腳用于和主控板對接，工作溫度-40～+85 ℃，支持AT指令配置，數(shù)據(jù)傳輸100 bps。

BC95模塊的電路設(shè)計如圖3所示，模塊共有94個引腳，其中，54個為LCC引腳，其余40個為LGA引腳。供電范圍為3.1～4.2 V。SIM卡由電信運(yùn)營商提供，并配有唯一的IMEI碼[3～6]。

圖3 BC95模塊硬件設(shè)計

2.2 FPGA采集硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone IV系列EP4CE30F23C8N型號的芯片。該芯片共有532個管腳，集成了28 848個邏輯單元，66個18×18 位乘法器，也可配置成為132個9×9位的乘法器；最多可具備4個增強(qiáng)型鎖相環(huán)(phase-locked loop,PLL)；包含了高達(dá) 30個全局時鐘(global clock,GCLK)網(wǎng)絡(luò)以及高達(dá)8個PLL(每個PLL上均有五個輸出端)，以提供可靠的時鐘管理；I/O 支持可編程總線保持、可編程上拉電阻、可編程延遲、可編程驅(qū)動能力。

AD模塊選用了AD7626芯片來進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于大部分傳感器的測量數(shù)據(jù)都為模擬量，所以,進(jìn)入FPGA計算的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過AD模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD7672是16位逐次逼近寄存器(SAR)架構(gòu)式ADC，能夠以10MSPS無延遲采樣，不存在流水線式ADC常有的“流水線延遲”，有良好的線性度。其內(nèi)部集成了一個轉(zhuǎn)換時鐘和一個內(nèi)部緩沖基準(zhǔn)源。本系統(tǒng)所用的A/D轉(zhuǎn)換和FPGA之間的連接如圖4所示，其中，進(jìn)入AD7626芯片的傳感器數(shù)據(jù)為DATA1_P和DATA1_N，在CNV的上升沿，AD7626對IN+和IN-引腳之間的電壓差進(jìn)行采樣[7,8]。在采樣過程中，所有的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過LVDS自時鐘串行接口或回波時鐘串行接口都可獲得，本系統(tǒng)通過回?fù)軙r鐘獲得轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

圖4 采集部分硬件設(shè)計

2.3 ARM電路設(shè)計

由于FPGA作為ARM的外設(shè)掛載在嵌入式系統(tǒng)的總線上，因此硬件連接相對簡單，其連接框圖如圖5所示。其中RD為讀數(shù)據(jù)，CS為片選，WE為寫數(shù)據(jù)，DATA為數(shù)據(jù)線，ADDR為地址線，EXINT為外部中斷，MCLK為時鐘信號。

圖5 ARM+FPGA架構(gòu)

當(dāng)CS低電平有效、WE低電平有效、RD高電平無效時，ARM對FPGA進(jìn)行寫操作，根據(jù)ARM地址總線上傳送的地址，F(xiàn)PGA向自身雙RAM口對應(yīng)單元寫入ARM數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。當(dāng)CS低電平有效、WE高電平無效、RD低電平有效時，ARM對FPGA進(jìn)行讀操作，根據(jù)FPGA地址總線的傳送的地址，ARM讀入FPGA上對應(yīng)地址單元的數(shù)據(jù)[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括NB-IoT軟件設(shè)計和采集部分軟件設(shè)計，在NB-IoT軟件設(shè)計部分介紹了NB模塊的初始化配置，采集部分主要包括FPGA在和AD模塊之間的信息交換以及FPGA神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的簡單介紹。系統(tǒng)軟件設(shè)計整體流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件設(shè)計整體流程

3.1 NB-IoT軟件設(shè)計

NB-IoT的軟件設(shè)計主要為NB-IoT的初始化入網(wǎng)設(shè)置過程，在本文中，通過發(fā)一系列AT指令來設(shè)置NB模塊，以下為終端設(shè)置步驟。

1)終端上電，發(fā)送“AT+NRB”，復(fù)位終端。

2)發(fā)送“AT+CFUN=0”，關(guān)閉功能開關(guān)。

3)發(fā)送“AT+NTSETID=1，設(shè)備ID”，此ID即為模塊中SIM卡的IMEI號。

4)發(fā)送“AT+NCDP=IP,PORT”，設(shè)置對接云平臺的地址。

5)發(fā)送“AT+CFUN=1”，開啟功能開關(guān)。

6)發(fā)送“AT+NBAND=頻段”，設(shè)置頻段。

7)發(fā)送“AT+CGDCONT=1，IP，APN”設(shè)置核心網(wǎng)的APN。

8)發(fā)送“AT+CGATT=1”，終端入網(wǎng)。

9)發(fā)送“AT+CGPADDR”，查詢終端獲取核心網(wǎng)分配的IP地址。

3.2 采集部分軟件設(shè)計

傳感器陣列數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后成為FPGA可以處理的數(shù)字量，F(xiàn)PGA與AD芯片之間通過串行外圍接口(serial peripheral interface,SPI)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過實(shí)現(xiàn)FPGA平臺的SPI通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。SPI總線的特點(diǎn)有全雙工通信、主從模式、片選使能、四線接線等優(yōu)點(diǎn)，通信易于控制。

本系統(tǒng)所設(shè)計的數(shù)據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換(analog-to-digital conversion,ADC)電路采用AD7626，該ADC有大量片內(nèi)寄存器用于對ADC的配置和控制。如通信寄存器，與ADC所有的通信操作前都應(yīng)該和通信寄存器的寫操作開始，通過對通訊寄存器的配置，決定后續(xù)操作是讀還是寫。同時還有狀態(tài)寄存器，來判斷ADC讀取狀態(tài)；模式寄存器設(shè)置連續(xù)轉(zhuǎn)換、單次轉(zhuǎn)換或者待機(jī)模式；數(shù)據(jù)寄存器存儲ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果，完成讀操作后，RDY位/引腳被置1。AD7626軟件設(shè)計流程圖如圖7所示[10,11]。

圖7 AD模塊軟件設(shè)計

由于氣體傳感器在檢測混合氣體中對應(yīng)的特定氣體時，會出現(xiàn)交叉敏感現(xiàn)象，即在測量某一種氣體濃度時，會受到其他氣體的影響，使得傳感器的性能不穩(wěn)定，且測量精度低。為了消除這種影響，本系統(tǒng)采用了在FPGA上部署B(yǎng)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用多傳感器數(shù)據(jù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使得FPGA采集的數(shù)據(jù)更加可靠和精確。采用定點(diǎn)計算的方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算中浮點(diǎn)數(shù)用定點(diǎn)計算公式表示，運(yùn)用大量片上資源來換取并行計算的快速性。采用分段擬合的方法，將擬合區(qū)間分為若干段，利用細(xì)間距線性函數(shù)擬合激活函數(shù)。

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

4.1 上位機(jī)測試

本系統(tǒng)開發(fā)了獨(dú)立的上位機(jī)軟件，如圖8所示，用戶可以輸入用戶名和密碼登陸軟件系統(tǒng)，輸入NB-IoT模塊中SIM卡的IMSI號作為用戶ID，即可獲得此裝置所在的管段信息，該軟件提供數(shù)據(jù)包下載和查詢功能，用戶設(shè)置報警閾值，可得到氣體狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室的配氣裝置下，配置NH3體積分?jǐn)?shù)為20×10-6，H2S為0.8×10-6，CH4為200×10-6，氣體傳感器采集信息后，用戶登陸該軟件，所得到的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 上位機(jī)界面

4.2 數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)通過氣體配置裝置，在傳感器端配置10組氣體濃度，經(jīng)過本文設(shè)計的氣體監(jiān)測裝置，其采集濃度表1所示。其中，濃度值為配氣濃度，實(shí)測值為本系統(tǒng)采集濃度。

表1 配氣濃度與遠(yuǎn)程采集濃度數(shù)據(jù)表 10-6

由表中數(shù)據(jù)可知，測量CH4的平均誤差為1.64×10-6，H2S的平均誤差為0.02×10-6，NH3的平均誤差為0.67，其測試精度高，在數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳過程中無丟包現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)證明，本文所設(shè)計的氣體采集裝置不僅采集誤差小，而且上位機(jī)操作界面友好，解決了污水管道混合氣體監(jiān)測精度低、操作難度大等問題。