基于ARM的水质检测系统的设计

卜胜

【摘 要】对于目前人力采集水质信息方式的不足，设计了一种以ARM为核心的水质检测系统。系统以ARM920TS3C2410为主控制器，信号经传感器采集后，通过ZigBee和GPRS网络传输到监控中心并显示。测验数据表明，系统稳定可靠，数据采集精准，成功地实现了对水质的远距离检测。

【关键词】水质检测；传感器；ARM；ZigBee；GPRS

【Abstract】For the lack of water quality information collection method， a water quality detection system based on ARM is designed. The system takes ARM920TS3C2410 as the main controller， and the signals are collected by sensors and transmitted to the monitoring center through the ZigBee and GPRS networks. The test data show that the system is stable and reliable， and the data acquisition is accurate， and the remote detection of water quality has been successfully realized.

【Key words】Water quality testing； Sensors； ARM； ZigBee； GPRS

0 引言

在嵌入式系统和无线技术的引领下，人们的生活正走向无人化，智能化[1]。在水质检测过程中，如果光靠人力来采集酸碱度、水温、电导率和溶解氧等水质信息，难免会有檢测效率低，检测数据不准确等问题[2]。文中设计了一种基于ARM的水质信息检测系统，该系统能够随时检测水质信息，既能满足水质检测的要求，又能减少人力检测的工作量，对水环境的保护起着非常大的作用。

1 水质检测系统总体设计

设计的水质检测系统核心模块有四个，从上到下依次为：上位机监控中心，ARM数据处理器，ZigBee网络协调器节点和若干ZigBee节点，水质监测系统结构图如图1所示。最下层的是若干ZigBee节点，这些ZigBee节点和传感器集成在一起，被分配在所要检测的水域。水质传感器采得数据后经ZigBee节点无线传输给ZigBee网络中的协调器节点，协调器节点将传过来的数据汇总，接着经过串口电路传输给ARM数据处理器。ARM数据处理器对其进行接收并处理，之后交给GPRS模块整理后发送到上位机。上位机将数值和数据库比对和分析，完成后给出处理建议，同时在监控中心对水质信息及时显示。

2 部分器件和硬件电路介绍

系统主要用到的器件有S3C2410 ARM数据处理芯片，CC2430 Zig Bee芯片，SIM300D GPRS芯片，WQ系列水质传感器等。系统硬件框图如图2所示。

2.1 ARM数据处理器模块

S3C2410系列CPU是三星公司在ARM920T基础上开发的新一代CPU芯片。这款处理器采用AMBA BUS总线结构和哈弗体系结构，指令Cache和数据Cache达到16KB且相互独立，具有功耗低，兼容性好，处理速度快的优点[3]。同时该处理器的寄存器个数多，寻址方式多样，有丰富的源程序可供参考。因此，此款处理器完全满足本次设计的需求。

2.2 GPRS模块

GPRS远程数据传输模块选择了SIM300D芯片。SIM300D是一款四频无线数据传输芯片，集成TCP/TP协议栈，功耗低，数据传输快，结构紧凑小巧，被广泛的应用到各种场合[4]。连线时把SIM300D芯片的TXD口和RXD口依次和CPU的TX0口和RX0口连起来。用GPRS无线发送数据前必须插入SIM卡，它是不同终端设备的标识。GPRS模块结构图如图3所示。

2.3 Zig Bee模块

Zig Bee模块选用的是Chipcon公司制造的CC2430芯片。该芯片沿用了51核心，但做了升级，集成无线收发装置，功能强大，同时上手简单[5]。CC2430芯片不但外设资源丰富，而且可以智能跳频，能够有效地改善无线传输中频率冲突和碰撞的问题。Zig Bee网络在通信时，还需通过一个以RS-232协议为基础的串口转换电路，才能成功与ARM处理器互联。具体连线时把CC2430芯片的P03口经串口转换电路和CPU的TXD2口相连，以同样方式再把P02口和RXD2口相连。

2.4 水质传感器模块

因为主要采集水域中重要的几个数据，包含水温，酸碱度、电导率、溶解氧这四个简单的数值，考虑到传感器工作环境在水中，所以选择GLOBAL WATER公司制造的WQ系列水质传感器。该系列传感器可以同时采集我们所需要的这四个参数，不但准确率和精度较高，而且价格比起其他公司的产品更有优势。WQ系列水质传感器以电流形式输出所采集的信号，因此需外接一个150Ω左右大小的电阻将电流信号变成电压信号，再通过一个电容简单滤波后，才能变成CC2430芯片所能识别的电压信号。水质传感器电路图如图4所示。

3 系统软件设计

在完成硬件部分设计后，还要完成相关软件设计，这样才能使得硬件按照我们设想的方式运行。对于水质信息检测系统软件的设计可分为：ARM数据处理器，Zig Bee模块，GPRS 模块这三块程序的编写。

3.1 ARM数据处理器软件设计

ARM处理器部分软件的设计是本水质检测系统设计的最重要的地方。它既要完成对下层ZigBee模块传来的数据进行接收和处理，又要把处理后的数据通过GPRS模块发送给上层监控中心。如图5所示，首先，系统经初始化后，开始对各个模块进行相关配置，如Flash，JTAG，串行口，AD/DA模块等。配置结束后ARM处理器等待ZigBee协调器对其传输数据，若是有数据传输过来就对该数据进行处理，没有的话就一直等待。处理完后发向GPRS模块，进行后续步骤。

3.2 ZigBee模块设计

当水质传感器获得数据后，经ZigBee模块上传至协调器节点，以便对数据进一步处理。如图6所示，设备初始化后便开始组建网络，接着各个ZigBee节点添加到此网络，至此网络形成，所有ZigBee节点设备都有自己的地址且互不相同，目的是区分不同节点。在数据通信时各节点设备先向协调器节点发出握手信号，协调器节点会做出应答信号，若是协调器同意接收则双方连接成功。之后将所收集的信号传向协调器节点，以此循环，完成全部数据的传输。

3.3 GPRS模块软件设计

GPRS模块和监控中心的信息交互是通过ARM数据处理器完成的。如图7所示，处理器首先对GPRS模块进行检测，当检测到GPRS模块后，开始建立连接管理配置文件以及服务配置文件，这两项工作完成后才能和Internet进行通信。接着打开与Internet连接端口准备数据的传送，传送完后关闭连接。GPRS模块会将数据发送到我们一开始设置好的终端IP地址。

4 结语

本文设计的基于ARM的水质检测系统既完成了对水质的远距离采集，又能在监控中心显示检测结果。该检测系统不但能减少水质监测的工作量，而且检测的数据精准可靠，同时系统安装和运行成本低，具有较好的应用价值。

【参考文献】

[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程（第二版）[M].北京航空航天大学出版，2008.

[2]刘占来.基于ARM的故障监测诊断系统设计[D].北京交通大学硕士论文，2010.

[3]基于S3C2410嵌入式Linux开发实验与实践手册[Z].深圳市英蓓特Edu Kit信息技术有限公司，2009.

[4]黄承安，张跃.基于GPRS的远程仪表监控系统[J].电测与仪表，2003.

[5]任培家.基于Zig Bee的灌溉水渠水质监测系统设计[D].黑龙江大学，2012.

[责任编辑：朱丽娜]endprint