基于S3C2440A的嵌入式供水监控系统的设计

范毅华

（中原工学院，郑州450007）

基于S3C2440A的嵌入式供水监控系统的设计

范毅华

（中原工学院，郑州450007）

为了监控供水系统水压，提出了一种基于S3C2440A的供水监控系统，介绍了系统设计原理和实现方法.该系统采用S3C2440A核心板作为嵌入式控制器，实现了实时数据的采集、传输；利用嵌入式数据库进行数据存储，并移植嵌入式Web服务器，使系统能独立地提供远程监控服务.该系统能减轻工作人员的劳动强度，并提高工作效率和可靠性.

监控系统；S3C2440A；实时数据采集；嵌入式数据库

在油田生产中，油井大都分布在野外，为维持生产正常进行，油井的供水要全天候运行.传统的水站供水控制系统采用长距离架空电缆远距离控制，由于长时间露天使用，加上风吹日晒、雨淋雪冻，控制电缆极易老化；水站控制大量使用人工操作，使供水系统调节反应慢、故障解决不及时，降低了供水系统的质量和工作效率，也加大了工人劳动强度.本文利用嵌入式和变频器技术进行设备改造，设计了一个基于S3C2440A的远程供水监控系统.该系统具有良好的人机界面，工作人员只需要接入网络，即可监测到所有状态，并通过监控系统完成对水泵的远程控制.

1 系统构成和工作原理

水压监控系统以嵌入式微处理器S3C2440A［1］为核心，组成智能嵌入式控制器.嵌入式控制器采用存储容量2MB的SST39VF1601作为NOR Flash，采用存储容量64MB的K9F1208作为NAND Flash，用来保存系统启动代码、实时嵌入式操作系统代码和监控应用程序代码.数据采集模块监测供水管道水压和电机转速，将采集到的压力数值送入嵌入式控制器处理.如压力超出规定范围，则嵌入式控制器通过输出控制模块与变频器通讯，输出控制量，对水泵电机的转速进行调节.网络监控模块采用台湾DAVICOM联杰国际公司生产的网络接口芯片DM9000，配合嵌入式微处理器S3C2440A，实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的所有功能［2］.用户可以通过 Web浏览器登陆网络监测模块、监测水压、设定工作参数，并可实时调整变频器相关参数.

2 压力采集

由于油田注水压力需要在10MPa以上，部分油田注水压力超过40MPa，因此采用国产PT500智能数字压力传感器，它的压力测量范围为－0.1～150MPa.传感器的感压芯片通过高精度、高稳定性电阻应变计测量介质压力，测量快速准确，响应时间≤10ms，每秒钟可对监测点水压测量10次.而且它能把测量的压力模拟信号转换成RS485数字通讯信号，送入嵌入式控制器.

在工作状态下，嵌入式控制器依次向各个压力采集点发送数据采集命令串，通过采集模块返回采集点当前的压力数值.在通讯波特率为9 600b／s时，通讯距离可达1 000m.此时响应时间小于80ms，根据这个响应时间设定采集时间间隔和时限.如果在时限内接收成功，采集计数器数值减1，采集下一个压力采集点；如果在时限内接收失败，或者超时未收到数据，再次发送采集命令串，等待再次返回压力数值.连续3次采集失败，则跳过这个压力采集点数据的采集，发出错误报警.图2所示为数据采集框图.

图1 嵌入式测控系统框图

3 数据处理与存储

3.1 嵌入式数据库

在监测系统中存在着大量的实时数据的处理和历史数据的访问等工作进程.要实现对数据的存储及查询，使用数据库来统一管理采集数据和一些系统参数是较为可靠的方式.嵌入式系统的运算能力和资源通常有限，要求嵌入式系统的资源尽量精简，因此数据库的微型化是一项很重要的技术.嵌入式数据库系统微型化包括两方面的内容：一方面是数据库的微型化；另一方面是数据库管理系统的微型化.由此技术产生了一种具备了数据库特征的数据文件——嵌入式数据库［3］.嵌入式数据库通常与操作系统的具体运用结合在一起，可由程序直接调用相应的API实现对数据的存取操作，无需独立运行数据库引擎.

目前，嵌入式数据库产品有很多.本系统采用SQLite数据库.它是一个轻量级关系数据库，具有外模式、概念模式、内模式三级结构.SQLite体积非常小，编译后只有250kB大小，具有系统开销小、底层控制力强、实时性强且免费的特点.

3.2 嵌入式数据库SQLite的移植

在嵌入式控制器平台上移植嵌入式数据库SQLite，需要对开源代码进行交叉编译.具体步骤如下：

（1）下载代码包并解压：登陆网站http：／／www.sqlite.org／download.htm，下 载 代 码 包 sqlite－autoconf－3070900.tar.gz，将 其 解 压 缩 后 创 建 目 录sqlite－3.7.9.

低碳经济作为一种以低能耗、低污染、低排放为基础的新经济模式日益受到世界各国的青睐[1]。发展低碳经济要求及时转化现有的传统能源系统[2]。中国农村地区家庭能源的供应基本上是依赖于煤炭和当地的秸秆、薪柴，这种传统的用能模式对资源和生态环境产生了重大而长久的负面影响[3-4]。农村户用沼气工程的建设是解决农村能源短缺，提高能源转化效率和利用效率的有效途径。截至2008年，中国已发展农村户用沼气池3 050万户，规划到2015年全国户用沼气池达6 000万户，生产沼气233亿m3。

图2 数据采集框图

（2）修改配置文件Makefile，以便配置所用到的交叉编译工具链和归档工具.修改代码如下：

将TCC＝gcc－O6修改为 TCC＝arm－linux－gcc－static－O6；

将AR＝ar cr修改为AR＝arm－linux－ar cr；

将RANLIB＝ranlib修改为RANLIB＝arm.1inux－ranlib；

将 MKSHLIB＝gcc－shared修改为 MKSHLIB＝arm－linux－gcc－shared.

（3）编译：在源码解压目录中执行make编译命令，以生成可执行文件sqlite3、头文件sqlite3.h以及库文件libsqlite3.so、libsqlite3.so.0、libsqlite3.so.0.8.6.

（4）安装：将可执行文件sqlite3放在嵌入式操作系统根文件系统bin目录下，将库文件libsqlite3.so、libsqlite3.so.0和libsqlite3.so.0.8.6放在根文件系统／usr／lib下.

（5）测试移植：输入命令.／sqlite3，如果出现以下文字，说明安装完成：

SQLite version 3.7.9

Enter".help"for instructions.

3.3 系统数据库设计

监控系统根据实际需要创建数据库，并建立索引及输入实时数据.建立的数据库如表1所示.

表1 系统数据库EMBEDB主要数据表

利用SQLite3.7.9提供的API函数所创建的压力采集数据结构如下：

create table pressdata（time，NO1，NO2，NO3，NO4，NO5，NO6，NO7，NO8）；

∥创建压力采集数据表

insert into pressdata values（time，bufer［0］，bufer［1］，bufer［2］，bufer［3］，bufer［4］，bufer［5］，bufer［6］，bufer［7］）；

∥插入实时采集压力数据

buffer［x］是系统数据采集的一个缓冲区，这里把缓冲区的8个采集点数据插入到数据库EMBEDB中来实现数据的存储.历史记录数据的存储也使用类似的操作.在系统设计时，设定每间隔30s把数据存储到EMBEDB数据库.

4 网络监控

4.1 CGI模块

CGI（Common Gateway Interface）［4］通用网关接口是一种重要的互联网技术.它可以让一个客户端通过浏览器传递信息给服务器，再由服务器去调用指定的程序代码来完成特定的工作.这里我们设计了CGI模块.CGI模块结构如图3所示.

图3 CGI模块

工作人员要了解现场设备的运行状况，通过浏览器传递信息给Web服务器，Web服务器通过CGI模块获得实时采集现场设备的数据，并及时以网页的形式返回并显示在工作人员的浏览器上.工作人员要控制现场设备，通过浏览器发出相应的控制操作给CGI模块，CGI模块再通过控制模块向现场设备发出控制命令.

4.2 远程网络监控模块

在嵌入式操作系统中移植BOA Web Server作为嵌入式Web服务器［5］，采用B／S结构设计远程网络监控模块.系统按照功能可以分为以下几个部分（如图4所示）：

图4 远程网络监控模块结构图

（1）实时显示：实时监测显示采集点的压力状况；

（2）参数设置：对监控设备参数进行设置，包括采集命令的选择；

（3）系统控制：通过控制界面，可以对系统进行控制，比如启动或关闭电机、提高或降低电机转速等；

（4）查看记录：查看存储的系统运行的历史记录.4.3 监测实时显示模块

监测实时显示模块结合CGI技术，利用Flash的无状态刷新和无状态响应机制来显示实时监测画面.监控主画面无需刷新浏览器，就能够实时接收CGI模块发送过来的数据，读取压力传感器的数值和设备的运行状态.同时监控画面借助Flash强大的动态绘图功能，将采集到的压力、转速或频率等实时数据动态显示出来.系统实时数据监控画面如图5所示.

图5 系统监控画面

5 结 语

该系统集合采集模块、嵌入式网关、Web服务器、嵌入式数据库于一体，实现了对油井供水系统管道压力和水泵电机转速的监测，适用于生产地点分散、偏远野外工作环境的设备监测.采用嵌入式监测系统和网络技术，实现了远程监控，减轻了工作人员劳动强度，提高了工作效率和可靠性.该系统在油井供水体系的安全、高效管理方面具有广泛的推广价值.

［1］ Samsung Corporation.S3C2440A32－bits RISC Microprocessor User’s Manual［EB／OL］.［2012－01－20］.http：／／wenku.baidu.com／view／58588500de80d4d8d15a4f0f.html？from＝related.

［2］ 霍拉鲍夫.嵌入式Linux－硬件、软件与接口［M］.陈雷，钟书毅，译.北京：电子工业出版社，2003.

［3］ 龚星宇，许佳，龚尚福.嵌入式数据库的研究［J］.现代电子技术，2007（9）：62－66.

［4］ 田泽.嵌入式系统开发与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［5］ 陈赜.ARM嵌入式技术实践教程［M］.北京：航空航天大学出版社，2005.

The Design of Embedded Monitoring System in Water Supply Based on S3C2440A

FAN Yi－hua
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In order to monistor water pressure of Water Suply System，this paper introduces a monitoring system of water supply based on S3C2440A.The principle of system design and implementation method are described.The system uses S3C2440Acore board as the embedded controller for real－time data collection，transmission.Using the embedded database for data storage，and transplantation of embedded Web server，so that the system can independently provide the remote monitoring service.Remote monitoring system can reduce the labor intensity of workers，and raise the work efficiency and reliability.

monitoring system；S3C2440A；real－time data collection；embedded database

TP277

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2012.01.014

1671－6906（2012）02－0062－04

2012－01－31

范毅华（1980－），男，河南郑州人，硕士.