婁海強 ，衷衛(wèi)聲，王文海，付 港

（1.南昌大學 機電工程學院，南昌 330031；2.南昌大學 信息工程學院，南昌 330031；3.浙江大學 信息學部，杭州 310027）

2014年，國家安全監(jiān)管總局發(fā)布了《關(guān)于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》，要求各企業(yè)必須完善化學品罐區(qū)監(jiān)測監(jiān)控設施，國家對罐區(qū)的監(jiān)控和管理越來越重視。

液氨屬于化工企業(yè)的重大危險源，液氨儲罐的液位、壓力和罐區(qū)的氨氣濃度、氣溫都是重要監(jiān)控對象。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大，不同工序的原料分布在不同地方，罐區(qū)分布較散，難以做到集中管理。采用遠程監(jiān)控可使分布較散的罐區(qū)做到統(tǒng)一管理。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)的發(fā)展，給罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展與升級提供了優(yōu)越的條件。本設計采用ARM-Linux嵌入式技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)來組建一個嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對液氨罐區(qū)的遠程監(jiān)控和報警。GPRS（general packet radio service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱，它是基于現(xiàn)有的GSM基礎上發(fā)展的一種低成本、高效的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務[1]。利用GPRS技術(shù)實現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)，具有實時性強、設備成本低、按流量計費、價格合理的優(yōu)點，適合間斷的、長時間的數(shù)據(jù)傳輸[2]。

圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the system

1 系統(tǒng)的硬件設計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設計

整個系統(tǒng)采用上位機和下位機兩層結(jié)構(gòu)，分別為現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ARM微處理器選擇S3C2440A，該微處理器是韓國三星公司面向手持設備以及高性價比、低功耗和低價格而設計的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式處理器，標準工作頻率可達400 MHz[3]。

現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端，主要完成液氨罐區(qū)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、語音和短信報警、數(shù)據(jù)的無線傳輸、執(zhí)行安全聯(lián)鎖機構(gòu)等工作。信息采集是由溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、氨氣濃度傳感器采集標準模擬信號，標準模擬信號通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片模塊轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，然后ARM處理器對數(shù)據(jù)進行分析處理。當壓力、液位、溫度或空氣氨氣濃度達到報警值時，則觸發(fā)ARM處理器控制現(xiàn)場語音模塊進行語音報警和控制GPRS模塊向安全管理人員發(fā)送短信報警，并控制安全聯(lián)鎖執(zhí)行機構(gòu)排除危險?，F(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端通過GPRS無線網(wǎng)絡傳輸將罐區(qū)數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)絡采用中國移動的GPRS的APN專網(wǎng)固定IP地址的方式傳輸數(shù)據(jù)。首先向中國移動公司開通GPRS的APN專網(wǎng)業(yè)務，開通該業(yè)務后就可以給現(xiàn)場監(jiān)測終端和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心分配中國移動內(nèi)部固定IP地址。這樣，由現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端所采集的數(shù)據(jù)和圖片都可以在中國移動GPRS的APN內(nèi)網(wǎng)傳送。監(jiān)視中心負責罐區(qū)數(shù)據(jù)的接受、顯示、存儲和管理。

1.2 各模塊硬件設計

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

考慮到系統(tǒng)的兼容性，本系統(tǒng)主要選擇輸出為標準4～20 mA電流模擬傳感器。液氨儲罐壓力傳感器選擇PT212BX壓力變送器，采用防爆型殼體，耐腐蝕，可輸出4～20 mA模擬信號。液氨儲罐液位傳感器選擇HS-2000智能型液氨儲罐液位計。測量時將超聲波探頭安裝在液氨儲罐外壁的底部，不需要對儲罐開孔，安裝也非常簡單，不會影響現(xiàn)場的生產(chǎn)。儀器采用隔爆設計，滿足防爆要求。此外儀表可輸出4～20 mA標準信號?？諝庖喊睗舛葯z測選擇MOT500-NH3氨氣檢測儀，該儀器采用安全的防爆技術(shù)，可以用在危險場所，儀器具有4～20 mA信號輸出。氣溫傳感器采用武漢新綠原科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的LVQWC-21大氣溫度傳感器，廣泛應用于化工、農(nóng)業(yè)、氣象等需要測量大氣溫度的領域，可以輸出4～20 mA的標準電流信號，測量范圍-40～60℃。A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇ADS8344E，該芯片為TI公司生產(chǎn)的16位8輸入模擬通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其轉(zhuǎn)換速率高達100 kHz[4]。ADS8344E支持串行接口方式[5]，本系統(tǒng)采用串行SPI接口與S3C2440A連接。

1.2.2 語音模塊

語音模塊采用ISD1420語音芯片，其內(nèi)有128 K的E2PROM用于存放語音信息，并可以分為160段，每段存儲0.125 s的語音信息，總共存儲20 s[6]。由于本設計中的報警極限值分別為液氨儲罐壓力預警和上限報警、液氨儲罐液位預警和上限報警、氣溫預警和上限報警、空氣氨氣濃度的預警和上限報警，共8段語音報警，錄音及放音功能均從設定的起始地址開始，地址由A0～A7引腳設定，8段語音的ISD1420地址空間首地址分別為00000000、00010100、00101000、00111100、01010000、01100100、01111000、10001100。

語音芯片的電平觸發(fā)引腳PLAYL與S3C2440A的GPA8引腳相連，地址控制端引腳A0～A7與GPA0～GPA7相連，放音時由ARM命令給出語音段首址和使PLAYL引腳為低電平開始放音。

1.2.3 GPRS模塊

GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心的數(shù)據(jù)通信。本設計選擇G20模塊，它是Motor公司生產(chǎn)的，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，所以設計者自己不需要實現(xiàn)TCP的打包過程，簡化了軟件系統(tǒng)開發(fā)過程和節(jié)省了軟件系統(tǒng)開發(fā)的時間。G20使用非常簡單，只需要將它與S3C2440A的UART1串口相連。對G20的操作是通過AT指令來實現(xiàn)的，G20與ARM處理器成功連接后，系統(tǒng)就可以通過ARM處理器給G20發(fā)送相關(guān)的AT指令。

當然，光有G20模塊是不能完成無線通信的，還必須連接用戶身份識別卡SIM卡，而且所使用的SIM卡需開通中國移動的GPRS業(yè)務。數(shù)據(jù)監(jiān)視中心以無線方式接入GPRS網(wǎng)絡，并得到GPRS內(nèi)網(wǎng)的靜態(tài)IP地址，將靜態(tài)IP地址與SIM卡號進行綁定。

1.2.4 安全聯(lián)鎖模塊

安全聯(lián)鎖執(zhí)行機構(gòu)主要是電磁閥，是通過ARM微處理器控制相關(guān)繼電器來控制電磁閥的開與關(guān)。一是當液氨儲罐壓力過高時，通過控制電磁閥給液氨儲罐泄壓至備用儲罐；二是當氣溫過高時，通過控制電磁閥打開液氨儲罐頂部的噴淋水出口，從而降低液氨儲罐的溫度；三是當液氨泄漏時，通過控制電磁閥打開噴淋水吸收空氣中的氨氣；四是當向儲罐充液氨液位過高時，通過控制電磁閥快速切斷充氨口。

電磁閥由S3C2440A的GPIO引腳控制，當GPIO為高電位時，驅(qū)動三極管放大電路，從而驅(qū)動繼電器控制電磁閥。當監(jiān)控要素超限達到上限報警值，ARM處理器使控制相應電磁閥的GPIO引腳產(chǎn)生高電平，從而執(zhí)行安全聯(lián)鎖執(zhí)行機構(gòu)。液氨進口切斷閥、液氨儲罐泄壓閥、儲罐噴淋水出口閥、空氣噴淋水出口閥分別由S3C2440A的GPA11、GPA12、GPA13、GPA14來控制相應的繼電器。

1.2.5 圖像采集模塊

對罐區(qū)的圖像監(jiān)測采用USB高速攝像頭進行圖像采集，而視頻格式數(shù)據(jù)量太大，不方便傳輸和保存，所以采用定時對化工罐區(qū)進行圖片采集。因不需要進行圖像優(yōu)化處理，只需要圖片格式文件，本系統(tǒng)選擇ov518芯片攝像頭。

2 現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端軟件設計

2.1 Bootloader的移植和Linux內(nèi)核的配置移植

Bootloader指系統(tǒng)啟動后，在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運行的一段小程序，它類似于PC中的BIOS程序。通過這段程序，可以完成硬件設備的初始化，并建立內(nèi)存空間的映射圖的功能，從而將系統(tǒng)的軟硬件帶到一個合適的狀態(tài)，為最終調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核做準備。

標準Linux內(nèi)核2.6版本有1000多萬行代碼，相對于資源有限的嵌入式系統(tǒng)來說過于龐大，因此移植之前需要根據(jù)目標平臺的實際情況對Linux內(nèi)核進行裁剪和配置。裁剪配置完成后，再進行編譯內(nèi)核生成內(nèi)核映像文件zImage。主要使用make menuconfig來裁剪配置內(nèi)核。主要配置CPU平臺、萬能驅(qū)動USB攝像頭、SD/MCC卡驅(qū)動、RTC實時時鐘驅(qū)動等。

2.2 現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端應用程序

現(xiàn)場嵌入式終端程序主要完成以下幾個功能：

1）完成數(shù)據(jù)采集工作：對外部的壓力傳感器、液位傳感器、溫度傳感器以及氨氣濃度傳感器的信號進行采集，并對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理。

2）完成報警報警工作：分析采集的數(shù)據(jù)，判斷是否達到報警值，當達到危險值時，進行語音和短信報警。

3）完成圖像采集工作：控制USB高速攝像頭完成罐區(qū)的圖片采集。

4）完成數(shù)據(jù)傳輸工作：ARM處理器發(fā)送AT命令控制G20 GPRS模塊將采集到的數(shù)據(jù)和圖片通過GPRS網(wǎng)絡傳送給遠程數(shù)據(jù)監(jiān)視中心。

5）完成安全聯(lián)鎖控制工作：當液氨罐區(qū)狀態(tài)參數(shù)達到危險值時，控制相應的外部繼電器動作。

現(xiàn)場嵌入式監(jiān)測終端應用程序流程如圖2所示。

3 據(jù)監(jiān)視界面設計

要想很好地顯示數(shù)據(jù)，就要利用組態(tài)軟件來進行圖形界面設計。本系統(tǒng)的監(jiān)視界面是采用Qt來設計的。Qt有著比較強的跨平臺特性，它的出現(xiàn)給嵌入式程序設計人員帶來了很大的便利，深受程序員的親睞。

圖2 場嵌入式監(jiān)測終端應用程序流程Fig.2 rogram flow chart of embedded monitoring terminal

數(shù)據(jù)監(jiān)視中心使用GPRS-DTU來接入中國移動的GPRS網(wǎng)絡，通過Socket網(wǎng)絡編程來傳輸數(shù)據(jù)。Qt中提供的Socket完全使用類的封裝機制，用戶不需要接觸底層的各種結(jié)構(gòu)體操作[7]，并且它采用Qt本身的信號與槽機制，這使得我們設計的程序非常直觀。Qt的Socket支持TCP或UDP協(xié)議，使用TCP協(xié)議去建立網(wǎng)絡連接及傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心。本系統(tǒng)設計選擇比較常用的MySQL數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理。MySQL運行時需要的內(nèi)存較少，其代碼是開源的，所以成本低，并且MySQL可移植到不同硬件平臺。Linux GUI提供的MySQL支持對數(shù)據(jù)庫進行編程，通過Qt編程來實現(xiàn)，比較簡單。

通過Qt Designer就很容易將所需的控件組合在一起形成一個整齊的數(shù)據(jù)監(jiān)視界面。各個控件組合起來之后，通過信號與槽機制來設置各個控件之間的響應。

本系統(tǒng)在實驗室進行了初步實驗。氨氣濃度直接采集實驗室室內(nèi)空氣中氨氣濃度，但是我們選擇的氨氣濃度檢測儀的分辨率不是很高，不足以檢測到實驗室的氨氣，所以氨氣濃度顯示為0.0。實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 監(jiān)視界面Fig.3 Monitoring interface

我們還可以點擊“歷史數(shù)據(jù)”、“日志”、“圖片查詢”分頁按鈕，分別進入到其他子頁面窗口進行其他操作。

4 結(jié)語

越來越多的研究人員融合GPRS無線網(wǎng)絡技術(shù)和嵌入式技術(shù)來實現(xiàn)嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了其廣闊的應用領域和前景。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、GPRS無線通訊技術(shù)、現(xiàn)代檢測與傳感技術(shù)以及語音芯片技術(shù)的發(fā)展與成熟，給罐區(qū)監(jiān)控和報警系統(tǒng)進行改造和升級提供了優(yōu)越的條件。本文就是利用基于ARM和GPRS的嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對液氨罐區(qū)的監(jiān)控，并通過Qt來設計監(jiān)控界面。通過實驗驗證，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

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