在线水质监测系统的设计 - 图文 

第二章水质监测相关技术理论及建模据缓存。￥３Ｃ２４１０Ｘ内部结构较复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要有ＡＲＭ９２０Ｔ内核（１６／３２ｂｉｔＲＩＳＣＣＰＵ），独立的１６ｋＢ指令和１６ｋＢ数据缓存，ＭＭＵ虚拟内存管理单元，ＬＣＤ控制器，ＮＡＮＤｆｌａｓｈｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ，系统管理单元（ＳＤＲＡＭ控制器等），３通道ＵＡＲＴ，４通道ＤＭＡ，４通道具备ＰＷＭ功能的定时器，Ｉ／Ｏ口，ＲＴＣ（实时时钟），８通道１０ｂｉｔ精度ＡＤＣ和触摸屏控制器，ＩＩＣ总线接口，ＩＩＳ数字音频总线接口，ＵＳＢ主机，ＵＳＢ设备，ＳＤ／ＭＭＣ卡控制器，２通道ＳＰＩ和ＰＬＬ数字锁相环组成【３４ｌ。￥３Ｃ２４１０Ｘ支持大小端模式，将存储空间分为８组（Ｂａｎｋ），每组的大小是１２８ＭＢ，共计１ＧＢ。Ｂａｎｋ０到Ｂａｎｋ６的开始地址是固定的，Ｂａｎｋ７的开始地址是Ｂａｎｋ６的结束地址，灵活可变，并且Ｂａｎｋ７的大小与Ｂａｎｋ６的大小必须相等。所有的寄存器组均可用于ＲＯＭ或者ＳＤＲＡＭ，Ｂａｎｋ６，Ｂａｎｋ７还可用于ＳＤＲＡＭ，所有内存块的访问周期都可编程。￥３Ｃ２４１０Ｘ提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最小。正是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦，￥３Ｃ２４１０Ｘ的体系结构见图２．５所示。２．６．２嵌入式操作系统的选择本系统的ｗｅｂ服务器选择嵌入式工作平台，在嵌入式平台上进行Ｗｅｂ软件开发，具有节约成本、缩短开发周期、占用空间小等优点。该平台由软件平台和硬件平台构成。其硬件平台在第三章中作了详细的研究，在此硬件平台基础上进行软件设计，软件平台采用的是开放源代码的免费嵌入式操作系统ｌｉｎｕｘ。Ｌｉｎｕｘ在十多年的发展中，由于其代码的开放性，使其发展成为功能强大、内核稳定、功能完善的多任务操作系统，其在服务器操作系统市场上已经占领了１／４以上的份额。同时在嵌入式应用中，Ｌｉｎｕｘ也取得了巨大的发展，在开发的嵌入式项目中，４０％的项目采用了Ｌｉｎｕｘ作为嵌入式操作系统，这跟Ｌｉｎｕｘ的强大优势是分不开的。其优势表现在０５１．１．支持多种体系结构，目前Ｌｉｎｕｘ能够支持ｘ８０、ＡＲＭ、ＰｏｗｅｒＰＣ、ＭＩＰＳ等多种体系结构，这使得Ｌｉｎｕｘ在嵌入式领域中应用更为广阔；２ｌ广东工业大学硕士学位论文２．多任务、内核稳定、可定制、源代码开放；３．强大的网络支持功能，支持ＴＣＰ协议，支持Ｓｏｃｋｅｔ网络编程等；４．支持多文件系统，Ｌｉｎｕｘ支持ＦＡＴ３２、ＥＸＴ２、ＥＸＴ３等文件系统，虚拟文件系统，同时还可以连接其他的文件系统；５．驱动丰富，支持大量的外设；６．Ｌｉｎｕｘ具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境、交叉运行环境。嵌入式Ｌｉｎｕｘ同Ｌｉｎｕｘ一样具有以上优势，另外，为了更好的适应嵌入式领域的发展，嵌入式Ｌｉｎｕｘ还在Ｌｉｎｕｘ的基础上做了部分改进［３６１。由于嵌入式系统存储容量小，资源有限的特点，因此在嵌入式系统中经常采用的一种称为微内核的体系结构，即内核本身只提供一些最基本的操作系统的功能，如任务调度、内存管理、中断处理等，而类似于文件系统和网络协议等附加功能则运行在用户空间中，并且可以根据实际需要进行取舍，从而大大减小了内核的体积，便于移植和维护。此外，目前的Ｌｉｎｕｘ并不是一个真正的嵌入式实时操作系统。所以在开发嵌入式Ｌｉｎｕｘ的过程中，对Ｌｉｎｕｘ实时性的扩展可以从两方面进行：向外扩展和向上扩展。向外扩展是从范围上扩展，让实时系统支持的范围更广，支持的设备更多。向上扩展是扩充Ｌｉｎｕｘ内核，从功能上扩充Ｌｉｎｕｘ的实时处理和控制系统。如嵌入式ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ，它的基本原理是将Ｌｉｎｕｘ的内核代码做一些修改，将Ｌｉｎｕｘ的任务以及内核本身作为一个优先级最低的任务，而实时任务作为优先级最高的任务，即在实时任务存在的情况下运行实时任务。否则就运行Ｌｉｎｕｘ本身的任务。２．６．３嵌入式服务器在Ｌｉｎｕｘ操作系统下，主要有三个ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ：ｈｔｔｐｄ，ｔｈｔｔｐｄ和ｂｏａ，ｈｔｔｐｄ是最简单的ｗｅｂｓｅｒｖｅｒ，它的功能最弱，不支持认证，不支持ＣＧＩ；Ｔｈｔｔｐｄ和ｂｏａ都支持认证、ＣＧＩ等，功能比较全。为了实现动态ｗｅｂ技术，这里我们选择实现一个支持ＣＧＩ的、非常适合于嵌入式系统的ｂｏａｗｅｂｓｅｒｖｅｒ。再通过ＣＧＩ用Ｃ语言进行编程，就可以实现动态ｗｅｂ网页浏览，从而实现水质参数的远程网络监控。第二章水质监测相关技术理论及建模２．６．４动态ｗｅｂ页面技术系统实现在线水质监测的过程大致为：用户在Ｂｏａ服务器的默认首页上登陆成功后进入“在线水质监测系统”的动态页面，通过该页面即可浏览到水质现场的最新状况，如余氯、臭氧及报警的状态等。此外还可以在该页面上进行操作，如点击提交按钮等发出远程控制命令，Ｂｏａ浏览器将此控制命令以ＨＴＴＰ协议发送至Ｂｏａ服务器，Ｂｏａ服务器随即对其作出响应，通过ＣＡＮ总线对节点上设备进行读写操作。但Ｂｏａ服务器本身是无法直接对硬件进行操作的，为此，ＨＴＴＰ协议提供了一个Ｂｏａ服务器调用外部可执行程序或脚本的接口规范，即动态网页技术，借助这一接口，Ｂｏａ服务器就能间接完成几乎所有的功能。实现动态Ｗｅｂ页面有４种技术可供选择［３７１：ＣＧＩ（ＣｏｍｍｏｎＧａｔｅｗａｙＩｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＡＳＰ（ＡｃｔｉｖｅＸＳｅｒｖｅｒＰａｇｅ）、ＰＨＰ（ＰｅｒｓｏｎａｌＨｏｍｅＰａｇｅ）和ＪＳＰ（ＪａｖａＳｅｒｖｅｒＰａｇｅ）。在嵌入式Ｌｉｎｕｘ下，由于软硬件资源的限制，目前均采用ＣＧＩ技术来实现【３８】。ＣＧＩ（通用网关接口）程序是独立于ＷｅｂＳｅｒｖｅｒ的一个外部程序，经编译成可执行文件在服务端运行。ＣＧＩ技术使得浏览器和服务器之间具有交互性。浏览器将用户输入的数据送到Ｗｅｂ服务器，Ｗｅｂ服务器与ＣＧＩ程序通过ＳＴＤＩＮ、ＳＴＤＯＵＴ方式实现交流，最后Ｗｅｂ服务器再将结果送回浏览器显示给用户。本系统中，采用ＣＧＩ技术实现本系统的动态监测。因为ＣＧＩ程序可以用任何程序设计语言进行编写，如Ｐｅｒｌ、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｐａｓｃａｌ、Ｃ语言等。而Ｃ语言的编译与平台无关，也就是说几乎在任何的系统平台下都有其相应的编译器，而且大多数程序员对它都很熟悉，因此ＣＧＩ程序使用Ｃ语言实现，并经ａｒｌｉｌ．１ｉｎｕｘ．ｇｃｃ编译后使用。２．６．５嵌入式数据库同普通数据库相比，嵌入式数据库就是一种具备了基本数据库特性的数据文件。嵌入式数据库通常与操作系统和具体应用集成在一起，无须独立运行数据库引擎，由程序直接调用相应的ＡＰＩ去实现对数据的存取操作。嵌入式数据库与其它数据库产品的区别是，前者是程序驱动式，而后者是引擎响应式。嵌入式数据库的一个很重要的特点是它们的体积非常小，编译后的产品也不过几十ＫＢ，在一些移动设备上也极具竞争力。２３广东工业大学硕士学位论文在目前常用的数据库产品中，Ｏｒａｃｌｅ，ＩＢＭＤＢ等功能强大，但系统宠大，需付费使用，适用于大型商业型数据库。而ＭｙＳＱＬ在保持中等体积的情况下，提供了较为适用的功能已成为中小规模数据库应用的首选，但商业应用也需付费，而且对于嵌入式系统来说空间占用仍然太大。小型数据库ｍＳＱＬ适用于嵌入式系统，但只有３０天的使用期限，并非完全开源。而在开源的数据库中，ＰｏｓｔｇｒｅＳＱＬ功能完善，但体积较大。而ＢｅｒｋｅｌｅｙＤＢ则是开发难度比较大。ＳＱＬｉｔｅ则在体积与功能之间做到了较好的平衡，是一种“理想的嵌入式数据库”１３９１。ＳＱＬｉｔｅ是Ｄ．ＲｉｃｈａｒｄＨｉｐｐ开发出来的，它采用一个小型Ｃ库实现的一种强有力的嵌入式关系数据库管理体制。支持绝大多数标准的ＳＱＬ９２语句，采用单文件存放数据库，速度又比ＭｙＳＱＬ快上１～２倍。在操作语句上更类似关系型数据库的使用，支持多表和索引、事务、视图、触发以及一系列的用户接口及驱动。其版权允许无任何限制的应用，包括商业性的产品。此外它还可以运行于从ＡＲＭ／ｌｉｎｕｘ到ＳＰＡＲＣ／Ｓｏｌ撕ｓ的多种硬件平台上。２４第三章在线水质监测系统硬件设计第三章在线水质监测系统硬件设计本章主要结合现代网络测控技术，对整个系统的硬件设计及实现进行详细的介绍，硬件设计包括服务器硬件平台和现场水质监测节点。其服务器硬件平台基于￥３Ｃ２４１０Ｘ的开发板，该平台具有通用性；现场监测节点设计一个基于单片机、光度法原理的水质监测仪，该水质监测仪以ＡＴｍｅｇａｌ２８单片机为核心，由单色ＬＥＤ光源、光电传感器、样品池、信号处理电路构成水质检测系统，其中还包括按键模块、显示模块、报警模块、ＣＡＮ接口通讯模块等，最后介绍了相关硬件抗干扰技术。３．１水质监测系统的总体设计长期以来，许多场合的终端设备都是采用单片机、串口通信、工控机的模式实现数据采集与控制，内部存储容量有限，需要与具有强大数据处理能力和丰富软件资源的微机组成分布式系统，这些终端单元都具有分散性、独立性，通信距离短，不便于系统的集中统一管理，不支持大量数据的备份，并且现场带有笨重的ＰＣ机。另外当需要监控的面积比较大时，多点监测也成为问题。随着Ｉｎｔｅｍｅｔ、ｗｅｂ技术、数据库技术的不断发展，及其在网络测控技术与智能仪器上的应用，为远程监控系统带来了方便。同样，嵌入式系统成为计算机应用的一个新领域，具有功能强、实时性强、可靠性高和结构小巧等优点。基于嵌入式ｗｅｂ的远程监控在传统远程监控的基础上又融合ｗｅｂ和嵌入式技术，可提供比传统远程监控更为强大的功能，从而实现水质监测网络化［４０ｌ。将嵌入式系统应用于远程测控系统，大大提高了测控系统的性能，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。在水样进入监测节点分析时，水样需经过采样系统和水质预处理系统对水进行预处理…】。采样系统一般由采样水泵、采样浮筏和粗隔离栅、水样分配单元、压力流量监控及采水管道等组成，主要是向系统提供可靠、有效的水样，采样系统的取水量应取保高于现有仪器的总需水量并考虑后续拟增加仪器的增水量。水样预处理