基于ARM的給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

張兆祥

摘要：為了及時發(fā)現(xiàn)給水管線中出現(xiàn)的漏損，水污染等問題，降低城市給水管線的漏損率，本文設(shè)計了一種基于ARM的給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Freescale i.MX6Q作為主控芯片實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲；以VS2015為平臺利用C#語言編寫上位機軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示，便于對管線運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。實驗測試結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對給水管線中數(shù)據(jù)的實時采集，對實際工程中提高管線的給水效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：Cortex-A9；數(shù)據(jù)采集；給水管線；i.MX6Q

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0260-03

The Design of Data Acquisition System in Water Supply Pipeline Based on ARM

ZHANG Zhao-xiang

（Anhui JianZhu University， Hefei 230022， China）

Abstract： In order to find problems like leakage and water pollution which are commonly seen in water supply pipeline and reduce the leakage rate of urban water supply pipeline， the data acquisition system in water supply pipeline based on ARM is designed. Freescale i.MX6Q is used as main control chip to realize the acquisition， switch and storage of data in the system. C# language is used to write upper computer software to realize the real-time display of data based on VS2015 as platform in order to real-time monitor the running status of pipelines. The experiment results show that the data acquisition system can realize the real-time collection of data in water supply pipeline， which have a great significance to improve the water supply efficiency in the practical engineering.

Key words： Cortex-A9； data acquisition； water supply pipeline； i.MX6Q

1 背景

城市給水管線中經(jīng)常發(fā)生漏損，爆管，二次污染等事故，造成了大量的水資源的浪費，對居民的用水安全產(chǎn)生了極大的危害[1-2]。然而，依靠傳統(tǒng)的管理方式對給水管線進行監(jiān)測已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下社會的需要。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何全面、有效、實時、準(zhǔn)確地對給水管線進行全方位的數(shù)據(jù)采集，已經(jīng)成為供水企業(yè)當(dāng)下面臨的主要問題。

在給水管線運行過程中，為了實時掌握給水管線的運行狀態(tài)，通常需要對管線中壓力，流量，水質(zhì)（pH值、溶解氧、電導(dǎo)率）等參數(shù)進行監(jiān)測。通過實時采集給水管線中各種參數(shù)，分析管線水壓是否正常，診斷水質(zhì)受污染的程度[3]。基于上述問題，本文設(shè)計了一種采用Freescale i.MX6Q作為主控芯片的給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)對給水管線中傳感器的數(shù)據(jù)進行采集和實時顯示，以便后期數(shù)據(jù)的分析和處理，為給水管線穩(wěn)定運行和居民用水安全提供了保障。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括現(xiàn)場傳感器，數(shù)據(jù)傳輸和上位機軟件。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中，布置在給水管線中的壓力傳感器，流量傳感器和水質(zhì)傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器完成存儲和轉(zhuǎn)換，再通過Internet發(fā)送到上位機，上位機以表格或曲線的形式顯示各傳感器采集的數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)實時存儲到數(shù)據(jù)庫中。若水壓，流量或水質(zhì)發(fā)生異常時，上位機通過與之連接的GPRS模塊，及時發(fā)送短信通知現(xiàn)場工作人員，以便及時處理。

3 硬件設(shè)計

給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的硬件部分采用Freescale i.MX6Q為主控芯片、RTL8211E以太網(wǎng)芯片為通信模塊、AD7266為同步采樣A/D模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個硬件系統(tǒng)共分為三個模塊： 主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊。終端的主控模塊包括控制芯片電路、存儲電路、電源電路以及串口和JTAG接口電路；數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器電路、RS-232接口以及12位A/D轉(zhuǎn)換電路；通信模塊包括以太網(wǎng)芯片以及外圍電路，通過RJ-45端口與互聯(lián)網(wǎng)相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化。

在給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計中，給水管線中水壓、流量和水質(zhì)（pH值、溶解氧、電導(dǎo)率）等傳感器完成各項參數(shù)的實時采集和轉(zhuǎn)換；采集的數(shù)據(jù)通過主控模塊進行存儲和整合；最后由通信模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP服務(wù)經(jīng)Internet網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C中。

3.1 主控模塊

該系統(tǒng)主控模塊中主處理器采用的是Freescale i.MX6Q新一代應(yīng)用處理器[4-5]。該處理器基于ARM Cortex-A9架構(gòu)，40nm工藝制程，最高運行頻率可達1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。處理器內(nèi)部為64/32位總線結(jié)構(gòu)，32/32KB一級緩存，1M 二級緩存，最大支持4096x4096 pixels分辨率，視頻編碼支持MPEG-4/H.263/H.264 達到1080p@30fps ，解碼MPEG2/VC1/Xvid 視頻達到1080p@30fps，支持高清HDMI TV 輸出。

主控模塊中的線路板，板載1024M Byte 64位 DDR3 SDRAM、8G Byte eMMC Flash、5路串口，1個高速USB Host、1個高速USB OTG、IIC、SPI、兩路CAN、兩路SD卡、JTAG接口，完全滿足給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蟆Ｄ壳?，i.MX6Q應(yīng)用廣泛，硬件資源十分豐富，加之自身能提供一系列完整的外圍設(shè)備，不需要另行配置額外器件，可極大降低整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的成本，大大縮短開發(fā)周期。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊中水質(zhì)傳感器的型號為HLO-55-WQ-X，能夠檢測pH值、溶解氧、電導(dǎo)率等水質(zhì)參數(shù)，采集的數(shù)據(jù)均為數(shù)字量。傳感器通過RS-232接口直接將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控模塊。水壓變送器的型號為P499ABS-401C，用于采集給水管線中的壓力值；電磁流量計的型號為DWM2000，用于采集給水管線中的流量值。通過水壓變送器和電磁流量計采集的數(shù)據(jù)均為模擬量，所以需要進行A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

多路同步采樣A/D模塊采用AD7266模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，這是一款差分/單端輸入A/D轉(zhuǎn)換器，為業(yè)界遙遙領(lǐng)先的同步采樣ADC。AD7266的封裝有LFCSP和TQFP兩種。模塊主要實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采樣功能，主要用兩片AD7266構(gòu)成24路單端或12路差分輸入，其中有四路可同時采樣[7-8]。

3.3 通信模塊

該系統(tǒng)通信模塊中，通信方式主要是通過Internet傳輸，通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議。傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺啬K中，通過通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C中，上位機將接收到的水壓，流量，水質(zhì)等數(shù)據(jù)實時顯示。該通信模塊中的收發(fā)器采用RTL8211E 作為網(wǎng)卡芯片，目前工作在千兆模式，網(wǎng)卡晶振為25M。RTL8211E/RTL8211EG是瑞昱最新推出的網(wǎng)絡(luò)PHY芯片，支持10Base-T/100Base-TX/1000Base-T、IEEE 802.3 standards。與主芯片MAC的接口是 RGMII，支持Crossover、Detection和Auto-Correction、polarity correction、adaptive equalization、cross-talk、cancellation、echo cancellation等功能。

4 軟件設(shè)計

4.1 下位機軟件設(shè)計

下位機軟件主要是實現(xiàn)與上位機的交互信息、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、報警處理等工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作時，首先通過數(shù)據(jù)采集模塊完成水壓、水流量、水質(zhì)（pH值、溶解氧、電導(dǎo)率）的采集。由于數(shù)據(jù)采集既可以按照上位機發(fā)出的指令對水壓、水流量、水質(zhì)（pH值、溶解氧、電導(dǎo)率）進行單一參數(shù)的采集，也可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間間隔采集給水管線中各參數(shù)，所以要提前設(shè)定采樣頻率。當(dāng)采樣頻率設(shè)定好后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始采集水壓、水流量、水質(zhì)數(shù)據(jù)，然后進行存儲。下位機通過對存儲的數(shù)據(jù)進行分析并加以整合成數(shù)據(jù)包，然后通過Internet發(fā)送到上位機。下位機軟件程序流程圖如圖3所示。

4.2 上位機軟件設(shè)計

上位機界面直接面向用戶，是整個給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最上層。用戶通過上位機可以直觀了解給水管線中水壓，流量以及水質(zhì)的變化情況。上位機軟件以Windows 10為操作系統(tǒng)平臺，采用C#語言在Visual Studio 2015.NET環(huán)境下編程實現(xiàn)，集成了大量實用的類庫[6]。該系統(tǒng)上位機部分主要使用Serial Port控件和chart控件實現(xiàn)串口通信與數(shù)據(jù)的實時顯示。上位機軟件的功能框圖如圖4所示。

上位機軟件主要包括如下功能模塊：系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報警處理模塊、歷史數(shù)據(jù)記錄模塊。系統(tǒng)管理模塊主要分為兩個功能區(qū)域，分別用戶登錄和系統(tǒng)維護，目的是系統(tǒng)的日常維護和安全保障。數(shù)據(jù)顯示模塊主要是實時顯示給水管線中壓力傳感器，流量傳感器和水質(zhì)傳感器采集的數(shù)據(jù)。在VS2015中，利用chart控件以柱狀圖或折線圖的形式表示出來，可以清晰地看到給水管線中水壓，流量以及水質(zhì)數(shù)據(jù)的實時變化狀態(tài)。報警處理模塊主要實現(xiàn)報警信息的實時顯示和報警信息的發(fā)送。當(dāng)壓力，流量或水質(zhì)數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，通過與上位機連接的GPRS模塊，及時發(fā)送短信通知相關(guān)工作人員，以便工作人員及時處理。同時，在消息框中記錄相關(guān)報警信息。該報警處理模塊是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)串口與互聯(lián)網(wǎng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)相互傳輸數(shù)據(jù)。該GPRS無線通訊模塊共有四種工作模式：數(shù)據(jù)透傳模式、短信透傳模式、HTTPD Client 模式和AT指令模式。由于在該系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)中包括英文，中文和字母，因而在此報警處理模塊中采用了AT指令模式。歷史數(shù)據(jù)記錄模塊主要將給水管線中各傳感器數(shù)據(jù)記錄并存儲，包括傳感器節(jié)點號，壓力值，流量值，水質(zhì)數(shù)據(jù)，當(dāng)前日期時間等。工作人員可隨時查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息以及故障處理情況。

4.3 上位機界面設(shè)計與實現(xiàn)

給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主界面如圖5所示。在登陸界面，用戶輸入正確的用戶名和密碼即可登陸該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在主界面中清晰地展示了三個不同的功能模塊，圖表區(qū)中能夠?qū)崟r顯示出不同傳感器采集的數(shù)據(jù)，若發(fā)生數(shù)據(jù)異常，及時通過手機短信通知現(xiàn)場工作人員，以便及時處理。根據(jù)多次實驗結(jié)果，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定，滿足了基本的設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

通過采集給水管線中壓力，流量，水質(zhì)（pH值、溶解氧、電導(dǎo)率）等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對給水管線運行狀態(tài)的實時監(jiān)測。結(jié)合給水管線的數(shù)據(jù)特征，采用Freescale i.MX6Q作為主控芯片和抗干擾設(shè)計的AD7266作為數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計了一種抗干擾性強的給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了單片機與上位機之間的通信以及數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、實時顯示、存儲和繪制曲線等功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)的各項功能運行正常，人機界面友好，可靠性高。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，有效地減少了水資源的浪費，保障了居民的用水安全。然而，隨著硬件性能的不斷提升，方法的不斷創(chuàng)新，整個給水管線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)化有待于進一步研究。

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