陳旭

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

0 引言

有限空間廣泛存在于工貿(mào)行業(yè)與城市市政工作中，在冶金、化工、機械、城市地下空間等領域較為普遍。有限空間環(huán)境出入口狹窄、通風情況差，容易造成毒害物質積聚，對有限空間環(huán)境內作業(yè)人員造成傷害。在城市管道內的有機物積聚容易產(chǎn)生大量可燃性氣體，空間溫度過高可能有燃爆風險。監(jiān)測分站作為監(jiān)測系統(tǒng)中的樞紐，需要具備大帶寬、低延時、數(shù)據(jù)鏈路穩(wěn)定等核心功能?，F(xiàn)如今，監(jiān)測系統(tǒng)朝著多參數(shù)多傳感器方向發(fā)展，一個監(jiān)測分站需要同時接入數(shù)個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大，且系統(tǒng)實現(xiàn)實時在線監(jiān)測的功能的同時還需要保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。4G監(jiān)測分站采用有線結合無線的通訊方式搭配無線傳感器兼顧遠、中、近距離通訊，模塊化設計，滿足各類監(jiān)測系統(tǒng)需求。

近年來，隨著通信、算法、傳感器等領域的技術進步，應用于各類工程中的狀態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)層出不窮，監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展已經(jīng)從有線通信、監(jiān)測量單一及智能化程度低的單參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)轉向無線化、智能化、多參數(shù)化的多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。其中，作為傳感器層與上位機聯(lián)系的樞紐，監(jiān)測分站在監(jiān)測系統(tǒng)中占據(jù)重要角色。本文主要設計一款以STM32單片機為核心的多模監(jiān)測分站，采用無線與有線結合的通訊方式，包括網(wǎng)口與4G結合的通訊方式，通過上述通訊方式采集各類傳感器信號，具有采集、傳輸、顯示、儲存等功能，能夠在有限空間環(huán)境內的水質監(jiān)測、空氣監(jiān)測、工程監(jiān)測等方面使用，具有較強的兼容性與適用范圍。

1 有限空間監(jiān)測系統(tǒng)

有限空間監(jiān)測系統(tǒng)由上位機、交換機、監(jiān)測分站與傳感器組成如圖1所示，監(jiān)測分站主要從傳感器采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過交換機傳輸?shù)缴衔粰C，同時將采集到的數(shù)據(jù)顯示到監(jiān)測分站的LCD屏中，完成有限空間環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)連續(xù)性，監(jiān)測分站通過利用閃存芯片將數(shù)據(jù)儲存的方式以保證數(shù)據(jù)不丟失。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

由于有限空間內作業(yè)環(huán)境復雜，有限空間內的有線通信易受如強腐蝕性、施工環(huán)境影響導致數(shù)據(jù)丟失，且維護成本高，分站采用4G無線通信技術，無需布設通信電纜，成本大幅降低，且維護方便可隨時更換位置，避免線纜損壞，極大降低了數(shù)據(jù)斷聯(lián)風險。搭配可攜帶的4G傳感器，在各類管道、地下道、船艙、罐體等狹窄作業(yè)環(huán)境下由作業(yè)人員攜帶，通過監(jiān)測系統(tǒng)對作業(yè)人員周邊環(huán)境的毒害氣體、氧氣濃度、溫濕度等參數(shù)進行監(jiān)測，為監(jiān)控人員提供實時在線數(shù)據(jù)，保障作業(yè)人員的人身安全與身體健康，避免重大事故的發(fā)生同時降低有限空間行業(yè)從業(yè)人員的職業(yè)病風險。

2 監(jiān)測分站硬件設計

如圖2所示，監(jiān)測分站主要由主控芯片模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊、4G模塊、串口轉TCP/IP模塊、光電轉換模塊、電源模塊、顯示模塊、按鍵輸入模塊組成。主控芯片采用意法半導體公司的STM32F103RCT6，控制其他各模塊的工作。儲存模塊通過一路SPI總線與分站通過4G模塊采集接收傳感器模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，接著數(shù)據(jù)被轉存在數(shù)據(jù)儲存模塊中，再經(jīng)由串口轉TCP/IP模塊發(fā)送至交換機中，光電轉換模塊支持分站與交換機之間遠距離傳輸信息，上位機通過實時監(jiān)聽收集整理分站數(shù)據(jù)。

圖2 監(jiān)測分站硬件框圖

2.1 主控模塊

主控模塊采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片成本低廉、可用資源多、具備高性能處理能力，搭配嵌入式軟件開發(fā)，拓展性強。

2.2 數(shù)據(jù)儲存模塊

考慮到有限空間作業(yè)環(huán)境內，數(shù)據(jù)需要技術儲存避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況，如圖3所示，分站采用儲存容量為W25Q128芯片作為閃存芯片，該芯片理論上可進行數(shù)十萬次擦寫，且數(shù)據(jù)儲存時間長達20年，該芯片通過SPI總線與主控芯片連接，儲存空間為16M字節(jié)的數(shù)據(jù)，傳輸速率最大為75MHz，采用四線制接入主控芯片中，節(jié)約芯片資源，且支持JEDEC工業(yè)標準。搭配主控芯片實現(xiàn)儲存?zhèn)鞲衅鲾?shù)據(jù)的功能，保障通信質量差時數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖3 數(shù)據(jù)儲存模塊

2.3 4G模塊

分站采用移遠公司的EC20作為4G通信模塊，最大下行速率與最大上行速率均滿足系統(tǒng)要求，且能夠向下兼容3G網(wǎng)絡，集成多個工業(yè)標準接口，滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)速率和可靠性的要求。4G模塊通過USRT1串口與主控芯片連接完成數(shù)據(jù)收發(fā)實現(xiàn)AT指令的傳輸。

2.4 串口轉TCP/IP模塊

如圖4所示，主控模塊通過串口從4G模塊中采集數(shù)據(jù)，再通過串口轉TCP/IP模塊將串口ttl數(shù)據(jù)轉換成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，模塊采用MJ-SOC01Tiny芯片設計串口轉TCP/IP模塊，該芯片采用ARM內核，具有工業(yè)級溫度范圍，支持網(wǎng)線直連自適應，能夠自動獲取IP，在工業(yè)應用中具有適配性、可靠性，開發(fā)難度較低。

圖4 串口轉TCP/IP模塊

2.5 光電轉換模塊

由于網(wǎng)絡電信號有效傳輸距離只有100m，在諸如隧道、煤礦、船舶等特殊有限空間工作環(huán)境中無法滿足長距離傳輸，采用光電轉換模塊將電信號轉成光信號，光信號的傳輸距離不僅遠遠大于電信號，且實際布設時可采用多芯光纜，最大限度地節(jié)省布設線材時的成本。

2.6 電源模塊

采用工業(yè)級127V/12V本安型穩(wěn)壓電源將交流電轉換成直流12V為分站供電，利用ASM1117-5、ASM1117-3.3等電源轉換芯片將12V電壓降壓至5V、3.3V，4G通信模塊、光電轉換模塊采用5V供電，其他模塊均采用3.3V供電。通過加裝UPS備用不間斷電源模塊保證短時間斷電情況下能夠維持系統(tǒng)運行，避免因施工等不可控因素導致的停電影響監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)連續(xù)性。

2.7 顯示模塊

采用以ILI9486為控制芯片的TFT-LCD顯示屏模塊，通過SPI接口與主控芯片相連接，能夠顯示接入分站的傳感器數(shù)據(jù)并支持用戶查詢，能夠為用戶提供各傳感器數(shù)值、各傳感器工作狀態(tài)等基本信息，并對網(wǎng)絡異常連接提供報警信息。

2.8 按鍵輸入模塊

為滿足作業(yè)人員對分站工作情況的查詢，設計了按鍵輸入模塊，能夠對分站進行設置、查詢、開關等指令操作，減少維修困難，為日常檢修提供便利。

3 分站軟件設計

軟件通過FreeRTOS移植系統(tǒng)進行開發(fā)，操作系統(tǒng)能夠通過對任務和隊列的合理調度實現(xiàn)偽多線程作業(yè)，由于任務調度器在各個任務之間切換非?？?，造成一種同一時刻有多個任務同時運行的錯覺，且FreeRTOS十分小巧，可以在資源較為有限的主控芯片中運行，為后期分站軟件的調試移植提供便捷。滿足監(jiān)測分站對于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)收發(fā)、系統(tǒng)自檢、故障報錯等功能。

3.1 分站軟件需求

分站軟件主要能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)儲存功能、設置查詢功能、數(shù)據(jù)收發(fā)功能等。

3.1.1 數(shù)據(jù)采集功能

系統(tǒng)啟動后，首先對分站通訊進行檢測，若發(fā)現(xiàn)分站無法連接網(wǎng)絡，便彈出報錯窗口，提醒作業(yè)人員檢查網(wǎng)絡接線是否正常，再通過定時器對傳感器數(shù)據(jù)定時采集，若有無法讀取單個傳感器的情況便在LCD屏幕上顯示該傳感器離線，提示作業(yè)人員進行檢修。

3.1.2 數(shù)據(jù)顯示功能

分站系統(tǒng)通過LCD顯示函數(shù)調用分站采集的傳感器數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)投放到顯示屏中。

3.1.3 數(shù)據(jù)儲存功能

分站將傳感器數(shù)據(jù)收集完畢后，將數(shù)據(jù)寫入閃存芯片同時擦除歷史數(shù)據(jù)，保證閃存芯片有足夠的寫入空間，并保證數(shù)據(jù)能夠盡可能地被保存。

3.1.4 設置查詢功能

通過按鍵模塊對分站數(shù)據(jù)進行查詢，查詢內容包括：傳感器數(shù)據(jù)、傳感器工作狀態(tài)、網(wǎng)絡連接狀態(tài)、本分站地址與接入傳感器設備地址。在分站布設完畢后需要設置分站地址和與之相連的傳感器地址，避免因地址沖突導致監(jiān)測系統(tǒng)無法正常工作。

3.1.5 數(shù)據(jù)收發(fā)功能

4G通信模塊通過公網(wǎng)采集傳感器數(shù)據(jù)，主控芯片通過串口讀取數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)通過串口轉TCP/IP模塊轉換成網(wǎng)絡信號，根據(jù)交換機與分站之間的距離選用光纜或電纜。

3.2 總體設計

分站主控制器需要完成對多個傳感器數(shù)據(jù)采集的功能、數(shù)據(jù)整合儲存、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示等多個工作任務，系統(tǒng)的軟件設計移植了FreeRTOS，可實現(xiàn)分站對系統(tǒng)穩(wěn)定性和實時性的需求，將主控模塊的作業(yè)任務劃分為數(shù)個獨立的作業(yè)任務，由調度模塊完成多線程作業(yè)任務運行調度，理由消息隊列功能完成各個作業(yè)任務值檢測數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)軟件總體設計如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件框圖

3.2.1 系統(tǒng)初始化

首先對分站的數(shù)據(jù)信息進行初始化，包括分站地址、數(shù)據(jù)傳輸速率等信息，接著對主控制器的串口進行配置，對4G通信模塊、串口轉TCP/IP模塊、調試模塊等接口進行初始化，再對主控模塊的各總線接口進行配置，包括儲存模塊、顯示模塊的SPI總線接口。最后從儲存區(qū)讀取數(shù)據(jù)傳輸速率并進行初始化。

3.2.2 隊列設計

隊列主要實現(xiàn)任務之間、任務與中斷的消息傳遞，系統(tǒng)設計了三個消息隊列，用以儲存以下內容：消息接收隊列，通信模塊對隊列中的消息進行采集接收；消息發(fā)送隊列，TCP/IP模塊將消息發(fā)送到上位機；消息儲存隊列，F(xiàn)LASH閃存模塊需要將消息儲存下來。

3.2.3 任務實現(xiàn)

根據(jù)上述分站功能需求，系統(tǒng)建立了以下幾個主要任務：

(1)初始化任務：本任務主要實現(xiàn)4G通信模塊、TCP/IP模塊的初始化，實現(xiàn)分站與上位機、傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)連接，并將分站主要配置信息存入消息發(fā)送隊列中等待通信模塊將通信模塊發(fā)送任務執(zhí)行完畢，接著將自身掛起。

(2)數(shù)據(jù)發(fā)送任務：從消息發(fā)送隊列中將數(shù)據(jù)讀取后，根據(jù)上位機通信協(xié)議將數(shù)據(jù)整合好后進行發(fā)送。

(3)數(shù)據(jù)接收任務：主要接收傳感器的數(shù)據(jù)以及上位機的消息指令，將數(shù)據(jù)解碼后存入消息接收隊列中，等待其他任務執(zhí)行完畢。

(4)數(shù)據(jù)儲存任務：從消息儲存隊列中讀取數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)儲存到閃存芯片中。

(5)定時器任務：通過配置TCP/IP模塊定時向上位機發(fā)送心跳包保持與上位機之間的連接，并定時讀取傳感器數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)整合處理完畢后存入對應的隊列中等待其他任務執(zhí)行處理。

4 總結

本文針對有限空間環(huán)境，設計了以STM32F103RCT6作為核心的4G監(jiān)測分站，采用無線結合有線的通訊方式改善因有限空間環(huán)境內布線困難導致的監(jiān)測難度高、監(jiān)測條件差，解決了信號線纜因惡劣環(huán)境導致無法通信數(shù)據(jù)斷連的情況，節(jié)約了成本，提高了數(shù)據(jù)連續(xù)性，為有限空間內監(jiān)測系統(tǒng)提供了無線監(jiān)測的方案，為逼仄環(huán)境中的作業(yè)人員提供采用可續(xù)航的無線傳感器搭配4G監(jiān)測分站設計的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠降低事故的發(fā)生率并保護作業(yè)人員的身體健康，在我國工貿(mào)行業(yè)中有限空間作業(yè)環(huán)境日益增長的前提條件下，4G監(jiān)測分站具有較高的應用價值，為我國有限空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了解決方案。