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1、1 6 3 82 0 1 1，V 0 1 3 2，N o 5计算机工程与设计c o m p u t e r E n g i n e e 商g a n d D e s 咖基于z i g B e e 与G P R S 的嵌入式水质监测系统设计严丽平，宋凯2(1 华东交通大学软件学院，江西南昌3 3 0 0 1 3；2 华东交通大学信息工程学院，江西南昌3 3 0 0 1 3)摘要：为了保障水资源健康可持续利用，提出了具有网络数据中心区域处理单元以及水质采集模块的3 层体系监测方案着重介绍了区域处理单元的软硬件实现，分析了在A R M 系统、G P R s 模块、无线单片机系统以及无线传感器的协调工
2、作下，通过G P R s 网络和z i g B 网络实现水质参数采集、处理、存储及传送的监测过程测试运行结果表明，该系统可行性确定，各模块运行稳定，检测数据准确，具备商业推广价值关键词：水质监测；无线传感器；通用分组无线业务通信；无线蜂窝网络；嵌入式系统中图法分类号：1 1 P 3 6 8 1文献标识码：A文章编号：l m 7 0 2 4(2 0 1 1)0 5 1 6 3 8 0 3D e s i g no fe m b e d d e dw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nZ i g B e ea
3、n dG P R SY A NL i p i n 9 1，S o N GK a i 2(1 S c h 0 0 lo f S o 胁a 陀，E 嬲tC h i n aJ i a o t gU n i V 粥i 坝N 粕c h 锄g3 3 0 0 1 3，C h i n a；2 S c h 0 0 lo fI n f o m a t i o nE n g i l l e 甜n g，E 嬲tC h i 姐J i a o t o n gU n i V e r s i 劬N 锄c h 孤g3 3 0 0l3，C h i n a)A b s t r a c t：l no r d 盯t oe n s u
4、他廿l es u s t a i n a b I eu 辩o f w a 盯r e 如删o 髂，at h 删i e rm o d e li sp u tf o 刑a r di n c I u d i n gan e 附o r k 她啪眠p 嚼0 n a Jp r o c 髓s i l l g 岫i t s 蛆dw a t e rq 帆l 时c o I l e 咖gm o d u l 髓n 锄p h 船i 扰s 廿l eh a r d w a r e 觚d f h 帽r e 渤l i z a l i 伽o f r e g i a lp m I o s i n g岫i t s 柚d 锄a l y
5、z e st I l em o n i t o r i n gp r o c 懿so f h i e v i 玎喀，p r o c 酷s i n g s t 0 I 鹆e 锄d 们珊m i s s i o f w 撇q 吼I 时p 绷姗舳璐咖0 u g l lg 即啪lp a c k e tf a d i os e r v i(G P R S)觚dZ i g B n e n o 咄惋c hi s 岫d 盯t h ec 0 0 m 眦t i o f A R Ms y s 枉砸，G P R Sm o d u l e w i r e l e s ss i I l g l ec h i pM i c
6、y o c o(S C M)s y s t e I m 锄dw i 佗l e 鹳n s o 侣T h et e s t i n gr e 跚l t ss h o wm 破也e 锄b e d d e dw a t e I。q 呻l i t ym i 协r i n gs y s t e I ni sf e 嬲i b l e 锄dh 勰t h ev a l u e0 fc 锄m e r c i a lp m m 娟f o r c hm o d u l em s t a b l y 龃d 也et e s t i n gd a I t ai sa c c u m t c K e yw o r d o：w
7、 栅q l l a l i t ym i 劬g；w i 坞l e 豁s e n s o r；G P R Sc c 岫m t l n i 酬o n；五g b n e t w o d【；锄b e d d e ds y 咖mO 引言水质监测是水资源保护及合理利用的基础工作。从区域生态环境的角度出发，只有建立成本合理、覆盖面广、反馈实时性高的水质监测网络才能保障区域的水资源健康可持续利用。国外的水质监测工作起步较早，2 0 世纪7 0 年代，美国、英国、日本、荷兰等国已开始建立相当规模的水质自动监测体系，但若照搬国外的成熟体系，将存在系统价格昂贵、运转费用高等缺点，最终无法推广，失去意义。我国的水质监
8、测工作起步较晚，还存在诸多口J 题：覆盖面窄，很多区域由于资金、技术、意识等问题尚未建立完善的水质监测网络，仅在重点区域和发达地区建立了局部网络：实时性差，检测工作严重滞后，很多地区还处在定期提取水样，送实验室检测后再反馈的原始阶段，这种滞后性对于水资源保护严重不利，若监测对象是居民饮用水更是无法起到保障人民生活健康的目的；已建立水质监测网络地区的体系及设备大都从国外引进，其成本很高，无推广价值，无法形成统一的组织实施方案为了解决上述问题，笔者及团队成员对水质监测的整体方案及设备进行了研究，以期提出合理的水质监测系统方案，并设计实现高效、低成本的区域水质监测处理单元。l 总体设计思想为了达到低
9、成本和高通用性，水质监测系统应该是层次化的体系。各层之间相互独立，通过各种网络连接成为一个体系。为此笔者将整个系统设计成3 层体系：网络数据中心、区域处理单元、水质采集模块，如图l 所示。1 1 网络数据中心网络数据中心是整个系统的管理中枢，用于汇集并处理各区域的水质参数供决策者参考。在合理的监测负载范围内设置一个网络数据中心，它对下层进行数据汇集和管理并可通过I n t 哪d 连接其它网络数据中心形成更大范围的水质监测网络。其构成一般是高性能P C 系统或者服务器系统。本文中笔者采用的是P 4P C 系统，由于其软硬件均是市场成熟产品。下文对此不傲赘述收稿日期：2 0 I O s-l O：修
10、订日期：加I O m 7 基金项目：江西省教育厅科研基金项目(G J J l 0 4 S 2)：江西省教育厅青年科学基金项目(G J J S 眈)；江西省地方攻关基金项目幅l l E)作者简介：严丽平(1 9 舳一)，女，安徽桐城入，硕士研究生，讲师O C F 会员，研究方向为嵌入式系统及无线传感器：宋凯(1 9 一)。男，河南泌阳人。硕士研究生，讲师。研究方向为嵌入式系统及三值光计算机E 棚mj x y I p s 缸啪万方数据严丽平，宋凯：基于Z i g B e e 与G P R S 的嵌入式水质监测系统设计2 0 l l，V r 0 1 3 2，N o 51 6 3 91 2 区域处理单
11、元区域处理单元是一个水质监测区域的中心，它对下层负责接收、存储、处理每个水质采集模块采集到的各种数据参数，并通过G P R S 网络连接I n t e m n 为上层网络数据中心提供区域水质检测指标。其构成为通过性较强的嵌入式L i l l u x 系统。1 3 水质采集模块水质采集模块处在整个监测系统的最底层，它负责采集具体的水资源参数指标，并将模拟量转化为数据量，通过G P R S 网络传送给上层的区域处理单元。在该模块中，具体的每个水质参数由不同的无线传感器节点构成，它们通过z i g B 网络将采集到的信息汇集到一个Z i g B e e 无线单片机系统中进行存储、组合及转发。简而言之
12、，水质采集模块是一个无线传感器节点十z i g B e e 无线单片机芯片州3 P R S 模块的单片机系统。图l 总体结构2 区域处理单元本文为了提高区域处理单元的通用性，并降低其成本采用了一嵌入式L i n l l)【系统构成该单元。2 1 区域处理单元的硬件结构区域处理单元的硬件平台以S 3 C 2 4 l O 处理器为核心，主要包括单元、存储单元、系统接口及通讯单元等构成，其系统结构如图2 所示。系统接口(U S B+J T A G 等)啊1L c D 控制器r j r。：摇撬雌到眦：。恒到意徽磊+L c D 址示卜卅处理嚣卜y 1+N a n d F l a s h+触摸屏)ll+N
13、 o r F I h)JL _ F JL 一r J 芷_ 1图2 区城处理单元硬件结构类似于P C 系统的启动过程，S 3 C 2 4 l O 处理器上电后，同样产生一个复位信号使程序计数器总是从O 地址启动系统。0 地址循环映射到N o r F l 鹪h 的起始位置此处存放B 也o a d 盯，它是嵌入式系统的引导装载程序，用于硬件的初始化及自检工作等。B t L o a d e r 的最后儿条指令将引导位于N 如d F l 酗h 中的L i n u x 镜像文件，将其装入S D R A M，L i n u x 启动后将自动运行(通过设置e t c i n i t d 中的脚本)G P R
14、S 监控程序。笔者之所以将存储单元设计为S D R A M+N a n d F l a s h+N o r F I 勰h 的体系是为了保障稳定性、速度及存储容量3 个要素兼顾。将B o o t-L o a d e r 等最基本的系统软件存储在相对只读的N o r F l a s h 上，保护其不被意外操作破坏以保证系统的稳定性。将操作及应用软件存储在N a n d F l a s h 上，可以保证其灵活性及足够的存储空间。各种软件工作时均装入S D R A M 可以保证运行速度。G P R S 模块采用市场常见的M C 3 5 i，它通过R S 2 3 2 连接S 3 C 2 4 l O 处理
15、器。发送数据时，由R S 2 3 2 的T X D 引脚将串行数据发送到M C 3 5 i。接收数据时，I D 引脚接收来自M C 3 5 i的串行数据。M C 3 5 j 自身通过通用移动S J M 卡连接G P R S 网络进而连接I n t e l l l c l。2 2 区域处理单元的软件体系作为通用的嵌入式L i l I 峨系统平台，区域处理单元的软件体系是具有4 层的层次化结构。它包括：引导装载程序、L i n 峨操作系统、w 曲服务器软件及G P R S 监控程序。笔者选用U 鼬t 作为引导装载程序，L i n u x 2 6 内核版本作为操作系统核心。W 曲服务器软件与G P
16、R S 监控程序工作与上述软件平台之上。由于U b o o t 和L i n u x 2 6 内核移植具备通用性。属于一般嵌入式系统构建的范畴，下文对此不作赘述。本文中将重点介绍W 曲服务器软件以及G P R S 监控程序的移植与实现。2 2 1W 曲服务器软件的移植与开发嵌入式W 曲服务器可以执行3 种基本的功能：提供静态和动态网页的信息发布；提供接口监测现场设备；提供接口控制现场设备。正是基于上述的功能，W 曲服务器对下层可以方便的接收来自水资源检测模块的参数信息，进行存储和处理。当上层的网络数据中心访问区域处理单元时。浏览器成了设备的前端控制板。大大提高了数据获取的界面友好性及设置新的数
17、据参数的便利性。本文采用嵌入式系统中常见B 服务器技术，其特别适合工作在资源相对宝贵的嵌入式系统中。建立基于B 的W 曲服务器可分为以下步骤：下载B o a 源码包并编译生成可执行文件b o a；配置B o a服务器；C G I 扩展开发。详细的过程读者可参见笔者发表的另一篇论文：嵌入式w 曲服务器的设计与实现，本文不作赘述。2 2 2G P R S 监控程序开发G P R S 监控程序必须实现两个基本功能：在L i n l l，【系统启动后自动拨号连接因特网的功能、在最大限度降低功耗的基础上保持系统在线的功能。为了实现上述两个功能，笔者首先让区域处理单元系统软件处在休眠状态，在正常情况下它不
18、主动对上层发送数据也不主动从下层获取数据。当检测到数据通信流时(G s M 机制实现)自动拨号接入因特网，若数据流来自上层则激活W 曲S e r v 盯，若数据流来自下层则存储数据到相应区域当5 分钟没有数据收发时自动挂断，系统l H I 到休眠状态。基于P P P 软件包扩展编程即可实现上述功能。P P P软件包工作于L i n u，【操作系统之上。控制G P R S 模块完成网络接入，它支持开机即拨号，永不挂断或设定自动挂断时间模式。G P R S 监控程序核心伪代码如F tM o n i t o r i n g-t a I s k(d 8 协n o w)T i m e=0：万方数据1 6
19、 4 02 0 l l，V 0 1 3 2，N o 5计算机工程与设计C o n l p u t e rE n g i n e e r i n g 粕dD e s i 印W 1 l i I c(1)W a i t i n gf o rO S Md a t a n o wi f d a t a n o w=叩蚰a c t i v ew e b 翻珂、，e ri f 加n o 哺r=d 0 帅t I l 锄a c t i v el c e i v e 粕ki f d a t a n o w=n l I I lt h 舶t i m e+i f t i n l e t l l l e s h o l d t i l n cn l e nh 柚gR e c e i v e t 蠲k(出恤)D o 嗽e i v e d a 诅舶m 卯塔i f 出嚏a【f l a g】=m o d I lt l 瑚i fd a _ t a【k e y】：2“o-2 6 5 0 嗍旧m脚嘲呻m万方数据