基于CAN总线的水质在线监测嵌入式系统研究

梁先宇 黄茂飞

摘要：水是人类和地球一切生物赖以生存不可缺少的重要物质，水资源是经济发展、环境改善和工农业生产不可替代的自然资源，特别是人类日常的饮用水，它直接与我们的日常生产生活息息相关，尤其是随着我国经济和社会的不断发展，城市化进程的不断加快，我国的生产生活所排放的污染物已经对水资源造成了污染，因此，必须要严格监控水质状况，只有保证水质状况符合生产生活用水要求，才能促进我国经济社会的不断发展进步。故此，必须要高度重视水质在线监测工作，通过引入高效的监测系统，及时精确地监测我国水质情况，文本旨在探讨基于CAN总线的情况下，进行水质在线监测嵌入式系统研究。

关键词：基于CAN总线;水质在线监测;嵌入式系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）31-0262-02

水资源作为人类生存和发展的必不可少的重要资源，如果水资源一旦被污染，不单会直接影响到人们身体健康，还会对经济社会的发展造成阻碍作用，因此必须要高度重视水资源的保护工作，通过水质监测来及时反映水质状况，保证水质符合生产生活标准要求。但是我国水质监测方面的工作还存在诸多问题，一是水质自动监测能力还待提高。二是监测设备落后。三是水质数据分析能力不强。因此，必须采取切实可行的办法来提高我国水质监测水平。通过探讨基于CAN总线的水质在线监测嵌入式系统，以此来保证我国水质监测质量。

1水质在线监测系统的概述

水质监测系统总体分为两部分，分别是下位嵌人式监测系统和上位远程监控中心，远程监控中心有以下几方面的功能：

（1）实时监控水质。水资源区域的水质参数情况可以通过该系统来进行实时监测监控，利用下位嵌入式监测系统所反馈的水質参数来分析水质状况。

（2）数据综合分析利用。主要作用是将系统所反馈的水质参数数据来分析水域的水质情况。

（3）方便建立水质历史数库。通过实时查询记录所监测到的水质参数，建立该水域的历史水质库，通过历史大数据的分析来反映水域的情况。

（4）方便综合预测分析。在特定的时间段内，绘制水域的水质参数变化曲线图，通过分析变化曲线图，来预测水质可能的趋势状况。

下位嵌入式系统的功能主要功能是对水域进行在线监测，及时获取水质参数，反映水质实时状况，分析水质参数，监控异常指标的变化隋况。图1为水质监测系统总体情况效果图。

2嵌入式水质在线监测系统设计情况分析

2.1总体设计情况

嵌入式水质在线监测系统从功能的角度可以分为三个模块，分别是执行器件模块、数据处理模块、传感器检测模块。

传感器检测模块，其主要作用是用于处理监测系统数据。数据分为两个方面，一是水质参数数据，二是系统通过数据。而文本中的通信数据由两部分构成，分别是GPRS（3G）数据和CAN总线数据。CAN总结数据主要是作用于系统模块间通信。而远程监控中心通信和监测系统则要利用到GPRS（3G）数据。水质参数数据的处理功能也是由两个部分所组成，分别是：一是历史数据查询和储存，二是通过发挥传感器检测模块的作用，用于接收该模块的实时数据，并不断更新处理模块所检测到的参数资料，以此达到水质参数监测的目标。

传感器检测模块所发出的信息主要都通过执行器件模块来接收，系统通过设置好相应的执行器件，发挥其相应功能，从功能的角度划分，系统执行器件可分为六大部分。其执行器件组成图如图2所示。对系统清洗用水和现场水样通过排除系统来进行排水处理。这是排水功能的作用;基于现场水环境复杂多变的背景下，水中存在大量的藻类，传感器探头和系统管道都可能依附大量的藻类，这样会造成传感器失灵，检测率降低、管道阻塞等问题，因此，要及时对系统进行清洗，保证系统干净整洁，这就是系统清洗的作用。在检测过程中，如果能将检测所用的添加剂进行快速溶解，能有效加快速检测进程，这就是搅拌部分的作用。提高测量的精确度就是离子强度剂的作用。根据现场水域的水样情况来调节其PH值，确保离子传感器在正常的水质环境下进行测量，这是缓冲液添加的作用。收集现场水域的水样，以待开展下一步的检测工作，这就是现场水样采集的作用。

2.2硬件设计

嵌入式系统的硬件设计架构详见图2。

2.3水质监测系统嵌入式应用软件

根据水质监测系统的硬件平台情况，水质监测系统嵌人式应用软件分为三部分的内容，分别是执行器件模块、数据处理模块、传感器模块。

嵌入式应作软件设计必须依靠嵌入式实时操作系统。正常情况下，嵌入式实时操作系统有以下几方面的优势特点：

（1）适应性强。嵌入式硬件平台具有较大的兼容性，所以嵌入式操作系统能够根据用户的产品需要来动态提供相应的功能。

（2）实效性强，能够根据即时的需要进行系统的实时响应，满足实时需求。

（3）存在较高的可移植性。为了保证在不同嵌入式硬件平台都可以应用嵌入式操作系统，嵌入式操作系统具备极强的兼容性，可以简单高效稳定地将操作系统移植到任何场景下的硬件平台。

（4）操作系统具有极高的可靠性和安全性。由于嵌人式系统面对的作来环境十分繁复多变，外界干扰因素较多，由于嵌入式实时系统具有极高可靠性和安全性，可以有效保证系统的容错空间和防错能力。为水质监测系统的稳定提供有力的保障。

3CAN总线

3.1CAN总线的概述

CAN总线是西方国家20世纪80年代所提出来概念，其英语全称为controller area network，CAN总线具有众多优点，其优点分别为维护成本低、抗干扰能力高、可靠稳定。因此，CAN凭借着自身的优点，在智能监测装置、工业生产现场这些应用场景中越来越受到广泛使用，CAN总线可以通过发挥模块化的作用，保证实时通信系统的效果。因此，它在各行各业都有着广泛的发展空间。

3.2CAN总线性质

CAN总线实质是一种串行通信总线，它的出现丰富和发展了数据链路层和物理层的内涵，因此CAN总线与其他现场总线相比，它具有更大的领先优势，CAN总线通信优势和特点主要有以下几个方面：

（1）CAN总线通信速率更高，通信可承受的距离更长。

（2）CAN总线所采用的传输方式为差分信号传输方式，只需2条信号线，就可以保证高效高质的通信。

（3）CAN总线发送消息的方式运用短帧格式，需要通过CRC对每帧数据信息进行检验，以此方式来保证通信的质量，因此它极大地保障了系统的抗干扰性，而且还能大幅度地减少数据出错的可能性。

（4）CAN总线具有仲裁技术非常具有优势，它通过非破坏性总线仲裁技术，发挥载波监听多路访问方式以及逐位仲裁的作用，有效保证CAN总线的使用效率和实时性。

（5）利用配置发送远程帧的作用，在远程数据请求的过程中，CAN总线上节点能够利用其他节点的数据。保证多节点的高效运用。

3.3 CAN总线的网络结构情况

CAN总线作为一种总线型网络，图C就是CAN总线的网络拓扑结构效果图。在不需要断电的情况下，在总线的节点数上，CAN总线能够实现自由减少或增加节点。因此，利用CAN总线，维护和组网更加便利。

4结束语

水质状况的好坏直接影响到人们生产生活的质量，为保证水质状况符合生产生活的标准要求，必须要对水质进行严格监测，通过监视和测定水体中的污染物种类、污染物的浓度情况以及变化趋势。因此，应积极发展基于CAN总线下的水质在线监测嵌入式系统，通过该系统来实现高效监测水质状况，及时反馈水质参数，方便技术人员分析水质状况和预测水质趋势。为保证水资源质量提供有力的数据支持。