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基于嵌入式web远程水质监测系统的实现

作者:阳仲伯,唐露新,陈辉,宾斌,韩琨,姜晓燕2010.10.19阅读 6041

        1 引言
        许多水厂、水源站的水质自动化数据采集系统[1], 其数据采集节点通常是以单片机为核心,数据处理及 远程数据传输采用PC 机或工控机进行,在节点与主 机之间的通信采用RS232、RS485 等总线标准,利用 这种传统监测方式构成的网络结构,存在通信速率 低、专业性强、通信距离短,且工控机价格昂贵、笨 重等缺点。这就需要建设一个稳定的、实时的、轻巧 的、覆盖面广的集数据采集、数据通信、数据分析与 处理为一体的水质在线监测系统来为监测部门提供 技术支持。随着Internet 和web 技术的高速发展,及 其在网络测控技术与智能仪器上的应用,基于嵌入式 web 的远程监测在传统远程监测的基础上又融合web 和嵌入式技术,可提供比传统远程监测更为强大的功 能,将成为今后远程监测技术发展的主流方向。
        将嵌入式系统应用于远程监测系统,大大提高了 系统的性能,同时降低了成本和功耗,体积也大大减 小。在嵌入式操作系统的选择上,由于Linux 有完整 开放的源代码,因而它具有修改和优化系统、内核稳 定、适用于多种CPU 和多种硬件平台、支持网络等 特点。本系统采用基于ARM920T 架构的嵌入式处理 器S3C2410X 与Linux 构成一个嵌入式web 服务器CONTROL ENGINEERING China版权所有, 取代传统以PC 机作为服务器进行远程数据传输,用 户可以随时随地通过web 浏览器监测水质信息,不仅 可以节省数据通信的成本,而且能够实现资源共享。
        2 远程监测系统解决方案
        2.1 设计要求分析
        作为一套完整的在线监测系统,它能对多个供水 点的水质(PH 值、水温等参数)、水流量及其变化 状况进行监测,并能对所监测结果进行存储。由于每 个监测点所处位置较分散,不利于短距离通信,根据 要求,采用CAN 控制子网,实现现场设备与web 服 务器的通信,各监测点通过以太网实现与监测客户端 进行数据通信,客户端完成数据采集、分析等功能。
        2.2 在线水质实时监测系统整体结构
        基于web 远程监测一般有2 种实现方案,PC 机 代理服务器和嵌入式实现方案[2]。传统远程监测中采 用PC 机作为web 服务器CONTROL ENGINEERING China版权所有,现今远程监测多采用嵌入 式微处理器作为web 服务器CONTROL ENGINEERING China版权所有,由于各供水点分布比较 分散,本着集中监测的原则[3],采用基于嵌入式web 服务器方案,其子网采用CAN 控制,由多个现场设 备和web 服务器构成一个节点,增加整个系统的灵活 性,整体结构框图如图1 所示。

        本系统解决方案具有如下特点:
        (1)动态web 服务器支持监控终端数据的实时更 新,实现了远程监测。
        (2)功能易于扩充,系统只需对web 服务器添加和 嵌套新的功能函数即可。
        (3)不受地理和空间的限制,只要Internet 可连接到 的地方,均可通过浏览器实时地监测数据,改变了传 统监测系统的封闭局面。
        (4)通过CAN 总线组网,一个web 服务器可以挂 接多个现场设备(理论上不超过110 个),同时方便 了现场设备的即插即用,灵活性更强。
        3 嵌入式web 服务器硬件设计
        嵌入式web 服务器不仅要实现现场设备数据采 集,还要通过Internet 将数据发送到互联网上,综合 比较处理器价格和性能后,选择SAMSUNG 公司生 产的ARM9 嵌入式处理器S3C2410X,该芯片扩展 RS232、CAN、以太网接口,可为系统提供不同的通 讯方式,适合不同的监测环境和条件。
        ARM 微控制器作为核心控制模块,以太网控制 芯片AX88796 经耦合隔离滤波器FC-518LS 和RJ45 接口接入以太网,扩展CAN 总线接口,编写CAN 总 线协议,将CAN 控制子网上的设备接入以太网[4]。 S3C2410X 处理器并没有集成CAN 控制器,在此系 统中,采用MicroChip 公司的独立CAN 总线控制器 MCP2510 对微处理器进行扩展,CAN 收发器采用 Philips 公司的TJA1050。图2 为嵌入式web 服务器硬 件结构框图。

        4 现场设备节点设计
        现场设备的设计根据具体的监测水质参数,可采 用多种方式灵活接入,如单片机系统、PLC 系统以及现场总线系 统,只要提供 相应的通信 接口即可实 现与监控中 心的通信,在 设计中,考虑 各分站分布范围大、距离远,故采用带CAN 接口的 C8051F040 单片机系统来实现,如图3 所示。

        利用外部传感器采集水质参数,将处理过的数据 与设定的系统初始化参数值(如pH 值的最高、最低 值等)进行比较,当超过其报警值范围时,则报警装 置报警,系统自动将监测点的状态信息发给客户端, 通知水质监测员采取相应的措施。
        5 嵌入式web 服务器软件设计与实现
        本文提出的方案中监测系统应用软件包含多个 任务协调工作,HTTP 服务负责生成包含水质状态信 息的web 页面,web server 通过环境变量和CGI 进行 消息间的交换www.cechina.cn,完成设备的数据采集,CGI 返回给 web server 的是页面信息,通过编写C 代码生成页面 文件返回给web server。系统采用B/S(浏览器/服务 器)结构接入以太网。
        5.1 HTTP 服务器构建
        在其硬件平台上移植Linux 操作系统,使用boa 作为嵌入式web 服务器的远程在线监测系统,boa 是 一个单任务的小型HTTP 服务器CONTROL ENGINEERING China版权所有,源代码开放、性能 优秀,特别适合应用在嵌入式系统中。
        boa 服务器主要移植过程如下:
        (1)下载boa 源码,并将其解压;
        (2)编译代码生成可执行文件boa;
        (3)boa server 的配置。为了能够在目标平台上运行 web 服务器boa,需要修改配置文件boa.conf,主要 完成对boa 运行的端口号、Server 根目录等设置,完 成如上配置后,就可运行boa 服务器。
        5.2 嵌入式 web 服务器功能实现
        在外部存储器EEPROM 中存储系统需要的各种web资源,通过以太网与远程监测主机进行数据通信, 实现web 服务器功能,web 动态页面显示使用CGI 技术,CGI 全称是“公共网关接口”(Common Gateway Interface)[5],其程序运行在web 服务器上, 提供同客户端HTML 页面的接口。
        嵌入式 web 服务器将客户端提交的信息传递给 CGI 应用程序,在客户端提交信息的主要途径是通过 HTML 文档中的表单CONTROL ENGINEERING China版权所有,表单为用户提供一个交互的界 面,用户输入的信息构成表单数据集,并作为HTTP 请求消息一部分传送给web 服务器。web 服务器在收 到客户端的请求信息后,将其中包含的表单数据集按 照CGI 规范传递给相关的CGI 应用程序。表单的提 交方法有两种:即GET 和POST,使用不同的请求属 性,所用的环境变量也不同。CGI 程序与boa 服务器 之间通过环境变量、命令行参数和标准输入等方式进 行通信。本设计中采用的表单编码信息通过环境变量 QUERY_STRING 传递,并返回执行结果,将结果发 送给客户端浏览器,其执行工作流程如图4 所示。

        6 实验结果
        基于嵌入式web 的在线水质监测系统,可完成水 质水温、pH 值、浊度等参数的采集,用户使用web 浏览器访问嵌入式web 服务器时,需要进行身份验 证www.cechina.cn,当验证通过时,才会向web 浏览器发送数据。各 分站完成数据采集、数据实时传输、现场报警等功能。 远程监测主机完负责完成显示实时数据、查询历史数据、动态显示数据等功能,并通过监控首页查看监测 状态是否正常,起到预警作用。其具体实现步骤如下:
        (1)将CGI 程序cgi-test.cgi 拷贝在/var/www/cgi-bin 目录下,index.html 拷贝在/var/www 目录下,编译并 下载到目标平台;
        (2)运行boa,在目标板终端ifconfig 命令设定目标 板IP 地址为192.168.0.105;
        (3)打开IE 浏览器并输入服务器IP 用地址,即可 浏览web 页面,在客 户端可通 过IE 浏览 器登陆系 统,即可实 时监测远 程数据,如 图5 所示。

        7 结论
        本文所设计的基于嵌入式web 的在线水质监测 平台,能取代以PC 机代理服务器的传统方案,可对 多个供水点的水质参数进行连续采集,并在web 浏览 器上实时显示,同时对超过阈值的监测点显示其状态 信息,起到预警功能。
        整个系统由远程客服端和监测分站两大部分组 成。各监测分站由嵌入式web 服务器和现场设备组 成,远端计算机可通过接收各分站的系统数据和向分 站发出指令,实现分站与客户端的通信www.cechina.cn,并接收来自 水质传感器信号。监测分站中的现场设备采用CAN 控制子网挂接到服务器上,即插即用,灵活性强。实 验验证了通过该系统进行在线远程水质监测的可行 性,与基于PC 机的监测相比,性价比高,占用空间 小、且安装维修方便。
        参考文献
        [1] 刘星华,刘国辉. 基于CAN 总线分布式水厂监控系统的研 制[J]. 计算机技术与应用,2007,(3):11~13
        [2] 李恒超,张家树. 基于嵌入式web 的远程监控研究[J]. 西南 交通大学学报, 2003,38(3):263~266
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