嵌入式系统在工业污染物监测中的设计与应用

黄浩然 谢其国

摘要： 该文介绍了嵌入式系统在工业污染监测监控系统中的应用，以Android作为平台设计实现了软、硬件系统。实现在各类工业现场针对不同污染物的数据采集、处理、上传等功能，提供了一种拓展性强、接口丰富、可操作性高的污染物监测系统。

关键词：Android；监测；污染物

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0238-02

1概述

随着我国经济的飞速发展，针对日渐严峻的环境保护问题，国家不断推动新的政策和体制改革。习近平同志在十九大报告中指出，坚持人与自然和谐共生。必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，坚持节约资源和保护环境的基本国策。参数监测系统作为环境污染数据获取手段，对污染源的实时监控管理有重要作用。本文介绍一种基于Android的嵌入式工业污染物现场监测系统的设计，实现工业现场污染物现场数据的采集、处理、上传等功能，进而为上位机提供可靠及时的污染物数据。

2设计分析

（1）嵌入式系统。嵌入式系统是嵌入到对象体中以嵌入式计算机为核心的专用计算机系统，以应用为中心，以计算机技术为基础，系统的软件、硬件组成可按需剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。随着网络技术、计算机技术的高速发展和物联网的蓬勃崛起，嵌入式系统在我们生产生活的各个角落发挥极其重要的作用。

（2）功能分析。工业污染以生产过程中的废水，废气，废渣以及噪声为主。在复杂的工业生产环境下，由于供电、网络、温湿度等工作条件的多变性，要求嵌入式系统软件硬件设计能够保证高效可靠的运行。针对不同的污染物有相应的前端传感器，要求监测系统能够与不同类型的传感器保持兼容，能够通过总线协议完成与传感器的串口通讯，对模拟和数字信号进行相应的调制转换。同时需要相应的开关量控制使污染物数据的监测及时反馈到现场的环保控制设备。系统需要可靠的电源模块克服工业供电电压波动，在出现临时断电的情况下，能够通过备用电源供应选择保证监测系统数据采集的完整性和连续性。一般的嵌入式设备主要采用基于ARM甚至是普通单片机的平台，搭载μC/OS、Linux、WINCE等嵌入式操作系统，在本设计中采用性能更强的嵌入式硬件平台，同时以当今热门的Android作为操作系统，提高系统的兼容性，拓宽系统应用场景。

3系统方案设计

3.1总体设计

一个完整的污染物监测系统应当包括传感器、现场机、传输网络、上位机等。如图1所示，其中传感器用于采集各类污染物的數据，现场机用于处理源数据、汇总上传数据，通过传输网络与各级环保中心的监测设备进行数据汇报。

3.2系统硬件设计

本系统的硬件设计主要包括六个模块，如图2所示。主控芯片是整个系统运行的基础，选用开放性好、成熟度高的Android系统作为操作系统，结合软件设计，使其方便应用于各类工业污染源现场，二次开发与可移植性好。通讯模块设计包括以太网、LTE、WLAN等模组，满足与上位机即的数据传送要求。显示模块结合触摸操作提供与用户的显示与交互功能。电源模块采用锂电池模块与市电双路设计，满足现场系统供电需求。通过驱动程序设计连接I/O设备与串口设备，使系统能够接入各用途的传感器采集污染物数据并实现相应的控制功能。

3.3 系统软件设计

系统软件包括参数设置、数据采集模块、数据处理、通讯功能模块。

（1）参数设置模块。针对不同工业污染源的现场情况，需要对系统进行参数设置，通过对串口通道的设置使其前端的传感器可以正确的采集数据，通过对I/O通道得设置使系统连接的外围设备正确工作，通过对传输协议的设置满足通讯需求，设置各传感器所采集通道的污染物参数采集类型、传输波特率、校验信息等信息。

（2）数据采集模块。传感器：能够探测被测量信息并将被测信息按照一定的规律转换为其他所需形式的信息输出，从而满足对数据的操作需求的装置。污染物前端传感器以气、液、固、声为主，针对一氧化碳、PM2.5、臭氧、氨氮含量、PH值、重金属含量等，将采集数据通过I2C总线或电压电流变送传送给系统。

Modbus：Modbus协议是一种公开通用的串行通信协议，常用于连接工业电子设备，大多数通过串口EIA-485物理层进行，基于Master/Slave架构， 串行协议中除有奇偶校验外，ASCII模式采用LRC校验，RTU模式采用16位CRC校验。在本系统中通过Modbus协议进行系统与传感器之间的串口数据通信与命令控制。

（3）数据处理模块。对于传感器采集的基础数据进行规格处理并存储入数据库。对数据库中存储的数据按照采集时间、污染物类型等标准进行统计运算，得到最大值、最小值、平均值等数据入库。同时提供实时数据的显示与查询功能，并按照参数设置模块所设置的预警值、超限值等标准进行反馈与提示。

（4）通讯功能模块。针对污染监测监控的相关数据，环保部有《HJ 212-2017污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》对数据传输的标准进行了标定，在本系统中设计有以太网、LTE与WLAN等通信方式，通讯模块对系统所采集的数据进行加工，并由上述方式通过传输网络按照国标传输给上位机并完成对上位机指令的解析。

3.4 系统数据库设计

（1） SQLite数据库：SQLite是由C语言编写的轻量级数据库引擎，对大部分的SQL92提供支持。SQLite是一种强有力的嵌入式关系数据库，它放弃了传统大型数据库的复杂特性，只保留数据库系统最重要的基本功能。由于其源代码开放，可以避免在学习和实践过程中的版权问题，也有利于系统的维护和运行的稳定性。其体积小、速度快同时具有对ACID事务特性的支持。在Android开发平台中也对SQLite有良好的支持。

（2）数据库结构设计

本系统针对需求特性，将主要数据分为内容编码、统计数据、设置数据三类。内容编码针对系统采集数据相关内容的统一编码对应。统计数据即污染物采集的各类数据。由于不同污染物监控现场的具体需求不同，针对每个现场对系统进行相关设置的数据以设置数据呈现。

内容编码：以污染物编码表为例

依据《根据国标《HJ 212-2017污染物在线监控（监测）系统数据传输标准》，污染物数据必须包括以下属性：

污染物编码：污染物在系统中的唯一标识，设定为污染物实体的主键，以整型为数据类型，如：一氧化碳的污染物编码为“a21005”

污染物名称：即污染物的名称

应用范围：指污染物的类型，有噪声、废气、污水等。

计量单位：所测污染物的数据单位，如废气的计量单位为m3/s、污水的计量单位是L/s

数据类型：所测污染物的数据类型和格式。

4小结

本文介绍了嵌入式系统在工业污染物监测监控系统中的设计与应用，设计实现了基于Android的污染物数据采集处理平台。提供了丰富的外围接口以供生产现场的各类传感器接驳使用，采集污染物数据，进而处理上传，经过测试实现了设计功能。本系统采用高性能处理核心与热门操作系统大大提高了实用性和拓展性，并提供了多种较强的通信方式。下一步结合实际工作情况进行更大规模的可靠性测试，对用户界面进行优化，对监测内容和存储空间进行拓展。

参考文献：

[1]李恒达. 基于ARM11的环保专用污染源数据采集传输仪的设计[D]. 天津大学， 2011.

[2]李莉. 嵌入式数据采集系统的设计与实现[D]. 南京理工大学， 2008.

[3]国家环境保护部，HJ 212-2017污染物在线监控（监测）系统数据传输标准，北京：2017.

【通联编辑：代影】