基于ARM的工廠排污監控系統設計

嚴正國，李凱

（西安石油大學光電油氣測井與檢測國家教育部重點實驗室，西安710065）

0 引言

在我們生活周圍，存在眾多的污染源，造成大氣環境惡劣，PM2.5急劇上升，主要的污染物包括工業廢氣、揚塵、汽車尾氣等幾方面，工廠是環境污染的主要根源。因此各個工廠都需要向社會公布自己工廠的實時排放情況?！叭旌蚺盼墼诰€監測系統”應運而生，該系統實現了對電廠排污情況進行實時在線監控、管理一體化，大大地提升了監管部門的管理效率，同時可以讓普通民眾隨時得知工廠排污情況。是“環境保護”的重要組成部分，為治理環境、提升空氣質量做出了很大貢獻[1-3]。

1 電廠排污監控系統簡介

電廠排污監測系統是為改善空氣質量而研發的排污實時采集監控系統。本系統主要實現對PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等熱力電廠主要排放物的采集。通過對采集到的數據進行智能分析來檢測排放是否存在超標，并通過LCD顯示屏將實時排放物向公眾進行實時公布。一旦出現排放超標通過警示設備提醒工廠，督促工廠按照環保要求進行生產。本系統使用的傳感器主要有PM2.5/PM10傳感器、SO2傳感器、CO傳感器、CO2傳感器，通訊方式為以太網。

2 需求分析

本監測系統主要實現的功能主要有：通過ARM平臺實現的 PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等排放物采集，按照日期將采集到的數據存儲到數據庫；實現B/S模型Web服務器，構建控制主頁，將采集到的數據實時通過控制主頁發布；數據處理中心主要實現通過網絡接收采集節點數據，統計在線設備，實現間隔1分鐘完成一次數據采集，將采集數據按照時間存儲在數據庫，將采集到的數據通過本地LCD以柱狀圖形式實時顯示，可以進行歷史數據查詢，通過曲線顯示當天、每周、每月、每年歷史數據，可以通過觸摸屏查詢一年中排放最嚴重和最好的日期。

3 監控系統整體設計

本控測系統主要實現了排放數據采集節點設計和數據接受處理終端設計。數據接收處理終端和采集節點通過網絡實現數據交互，數據采集節點主要實現了排放數據實時采集、存儲、通過網絡傳遞等功能。通過PM2.5、PM10、SO2、CO、CO2等傳感器采集實時污染物數據，并對數據實現存儲，實現B/S模型Web服務器將采集到的污染物數據通過網絡發布到控制主頁，方便數據處理，采集節點每1分鐘會更新一次數據。數據處理終端每1分鐘通過HTTP請求進行一次數據接收，將接收的信息通過數據解析得到所有的排放數據，并按照時間進行數據庫存儲。并對接收到的數據進行實時分析，通過LCD屏幕使用Framebuffer繪屏技術通過柱狀圖實時顯示，還支持使用LCD通過曲線顯示歷史數據，歷史數據支持當天數據、一周、一月、一年數據查詢。通過觸摸屏進行顯示切換。并且可以查詢一年中污染物排放最嚴重的時段。

4 排放數據采集節點設計

本節點的主要組成包括煙塵監控模塊、三星4412主控模塊、Web服務器模塊。整體設計方案如圖1所示。

圖1排放數據采集節點整體設計框圖

揚塵監控模塊監測大氣中的揚塵數據，將收集到的數據存儲到寄存器中，然后通過URAT電路發送給三星4412主控芯片。主控芯片接收到數據后將解析好的數據通過調用相關程序及網絡編程的API接口一路按時間順序存儲到SQLite數據庫中，一路直接寫入到主控制頁中，方便有關部門查看，最后一路使用B/S模型建立Web服務器，讓人們能通過手機、電腦等無線設備遠程訪問這些信息。

4.1 系統硬件設計

本次設計的排放采集節點系統中硬件主要包括三星4412最小系統和MQ-135空氣質量傳感器模塊。當空氣中污染物氣體濃度發生改變時，空氣質量傳感器的電導率隨之發生改變，然后通過內置的信號轉換電路即可將電導率的變化轉化為與該氣體相應的濃度數據，最后，通過URAT電路發送給主控制芯片，用戶只需要從芯片相應的GPIO引腳讀取濃度數據即可，不同的氣體只需外接不同的濃度傳感器即可實現對有害氣體濃度的采集。

（1）三星4412最小系統

三星4412最小系統板以Cortex-A9為核心，內部集成了GPU為Mali-400 MP的高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，流暢運行Android等高級操作系統，非常適合開發高端物聯網終端、廣告多媒體終端、智能家居、高端監控系統、游戲機控制板等設備[4]。

（2）MQ-135空氣質量傳感器模塊

MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2），當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。MQ135傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害的監測也很理想，這種傳感器可檢測多種有害氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器[5]。

該氣體敏感元件原理圖如圖2所示，采用5V供電，該元件不僅支持TTL電平輸出，還支持模擬信號輸出，以滿足不同的硬件需求，經過測試，可以輸出濃度范圍為10-1000ppm，當測量濃度大于設定的濃度時，三星4412的GPIO引腳輸出低電平。

圖2 MQ135型氣敏傳感器原理圖

4.2 系統軟件設計

本次軟件設計主要包括Web服務器的搭建，煙塵數據庫的搭建。Web服務器程序將傳感器采集到的煙塵數據插入到預先創建好的數據庫中，并寫入到HTML文件中，利用Socket套接字搭建一個輕量級的服務器，LISTEN監聽外部客戶瀏覽器的訪問請求。一旦用戶有請求，服務器從數據庫中查找相應的數據，再通過HTTP協議發送給客戶瀏覽器，即可達到實時查詢煙塵數據的效果[6-10]。

（1）主程序設計

在本節點的主程序中，首先使芯片通電后首先進行系統初始化，主要包括Socket套接字的創建，服務器端口號的綁定，數據庫的創建，煙塵數據表的創建。主程序分為一個線程，一個進程，主進程實時監聽客戶瀏覽器發來的請求數據；主線程負責把傳感器采集到的數據插入到數據庫中。本節點程序框圖如圖3所示。

圖3節點程序框圖

（2）Web服務器子程序設計

當程序執行到服務器子程序時，程序首先利用創建的監聽套接字等待客戶瀏覽器接入請求，請求來臨時程序打開一個HTML模板，填入采集到的實時煙塵數據，并發回給客戶，這樣客戶就能查閱到當時的大氣污染數據，最后關閉Socket套接字，完成一次HTTP協議通信[9]，具體流程如圖4所示，客戶瀏覽器訪問頁面如圖5所示。

圖4 Web服務器程序流程圖

5 數據接收處理終端設計

本數據處理終端主要模塊包括主控制芯片三星4412、電源模塊、LCD顯示屏、報警器模塊。整體方案設計框圖如圖6所示。

圖6數據處理終端整體設計框圖

數據處理終端通過HTTP協議來遠程訪問數據采集節點的Web服務器，把接收到的網頁數據包發送給三星4412主控芯片，然后通過數據解析程序解析出大氣濃度數據，利用Framebuffer技術實時以柱狀圖的形式繪制在LCD屏上，如果有某項煙塵數據超標，則驅動報警器響，以告知監測人員及時采取處理措施；同時，用戶還可以觸控屏幕選擇當天、歷史數據，從而達到大氣污染物實時監測，數據超標報警的效果。

5.1 系統硬件設計

本數據處理終端硬件部分主要包括三星4412最小系統、LCD顯示屏和報警器模塊。終端外接網線訪問遠端服務器，獲取HTML數據包，每分鐘獲取一次，數據包經過解析程序分離出大氣中有害氣體濃度數據，處理器操作顯存設備文件，改變LCD上的每個像素點的顏色信息，即可在顯示屏上繪制出污染物濃度的柱狀圖、折線圖，一旦某一項濃度超標，則通過改變報警器GPIO的電平信號可使報警器報警。

（1）TD35顯示屏

本次設計采用統寶35系列RGB888真彩色LCD顯示屏，分別率240×320，支持觸摸功能，功能齊全，價格低廉，非常適合嵌入式開發。

（2）板載蜂鳴器

報警器模塊是利用最小系統板自帶的板載蜂鳴器，它的蜂鳴器是通過PWM0控制的，原理圖如圖7所示，其中PWM0對應GPD0_0，該引腳可通過軟件設置為PWM輸出，也可以作為普通的GPIO使用，要想使它工作，需將GPD0先清0再將第0位置1即可。

圖7蜂鳴器原理圖

5.2 系統軟件設計

本節點的軟件部分主要包括數據獲取子程序和監控屏幕事件子程序。數據獲取子程序通過發送HTTP請求遠端Web服務器返回一個包含大氣濃度數據的數據包，然后數據解析程序把數據包解析成對應的數字信息，最后利用Framebuffer技術把污染物數據以柱狀圖的形式繪制在LCD顯示屏上。屏幕監控程序監測觸控事件的來臨，處理器通過操作屏幕設備文件描述符來判斷用戶點擊今日數據區域、歷史數據區域、實時數據區域、退出程序區域中的哪一個，從而進行對應的處理。

（1）主程序設計

在本節點的主程序中，芯片通電后首先進入初始化函數，主要包括綁定板子的IP地址和端口號，創建數據庫，打開屏幕設備文件描述符。主程序包括兩個進程，一個進程負責連接Web服務器，把數據存入數據庫，并在屏幕上繪制柱狀圖；另一個進程負責監控屏幕事件，流程圖如圖8所示。

圖8主程序流程圖

（2）屏幕監控子程序設計

一切設備皆文件，屏幕是字符設備，要想操作它，只需要調用open函數打開設備文件，然后調用read、write函數對文件進行讀寫操作即可，如圖9為部分源代碼截圖。

圖9屏幕監控子程序部分源代碼

（3）Framebuffer繪屏子程序設計

與監控程序類似，改變顯存即可改變顯示。也是對文件的操作，在此不再贅述，部分源代碼如圖10所示。

圖10 Framebuffer繪屏子程序部分源代碼

6 結語

基于ARM芯片三星4412為核心，設計了一套簡易且實用的工廠排污監控系統。由于其是基于嵌入式微控制器開發，因此這套系統具有很好的擴展性。隨著物聯網技術的發展，該套系統符合人們足不出戶就能知曉大氣質量的需要，應該會越來越普遍的應用與工業監測領域，因此本套系統具有很好的發展前景。