基于arm的plc無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

1、<p>　　分類號： 密級： </p><p>　　UDC注1： 編號： </p><p>　　碩 士 學(xué) 位 論 文</p><p>　　基于ARM的PLC無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)</p><p>　

2、　GPRS-based Remote PLC multi-parameter monitoring system</p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 教授 </p><p>　　作 者 姓 名 <

3、/p><p>　　申請學(xué)位級別 學(xué)科(專業(yè)) 控制理論與控制工程 </p><p>　　論文提交日期 2014年 4月 論文答辯日期 2014年 6 月 </p><p>　　學(xué)位授予單位和日期 2014年6月 </p&

4、gt;<p>　　答辯委員會主席______________</p><p>　　評閱人______________</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全

5、部內(nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p>　　保 密 ， 在 年解密后適用本授權(quán)書。</p><p><b>　　本學(xué)位論文屬于</b></p><p><b>　　不保密 。</b></p><p>　　學(xué)

6、位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：</p><p>　　簽字日期： 年 月 日簽字日期： 年 月 日</p><p><b>　　獨 創(chuàng) 性 聲 明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容以外，

7、本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： </p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>

8、　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、生產(chǎn)自動化的水平不斷提高，ARM-LINUX系統(tǒng)的快速發(fā)展，將智能儀表、傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制與無線通訊技術(shù)、ARM-LINUX系統(tǒng)相結(jié)合，研制無線監(jiān)控系統(tǒng)成為將來發(fā)展的一種趨勢。本文把國內(nèi)外對該課題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了分析，提出了一種基于ARM的PLC無線遠(yuǎn)程多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。</p><p>　　本文首先闡述了本系統(tǒng)的關(guān)鍵問題所在，論述述了系統(tǒng)的總體開發(fā)設(shè)計方案。接著對系

9、統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計進行了深入的闡述和分析。設(shè)計了信號調(diào)理電路把傳感器的小信號轉(zhuǎn)換為0-2.5v的電壓信號；選用S7-200PLC(CPU226)作為控制終端的核心處理器，配有EM235模塊實現(xiàn)模擬量的輸入輸出和TD400C實現(xiàn)現(xiàn)場的人機交互，PLC以自由口方式與GPRS模塊進行連接實現(xiàn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸；PLC編程實現(xiàn)溶解氧的閉環(huán)控制，對增氧泵的無極調(diào)速通過變頻器實現(xiàn)。服務(wù)器選用ARM-LINUX系統(tǒng)實現(xiàn)多控制終端和多個遠(yuǎn)程控

10、制端間的數(shù)據(jù)和指令的相互傳輸，本文中對于服務(wù)器首先論述了ARM-LINUX系統(tǒng)的硬件配置：處理器的選型、JTAG電路、DM9000網(wǎng)口電路設(shè)計，串口電路設(shè)計，然后闡述了ARM-LINUX系統(tǒng)的搭建以及搭建服務(wù)器軟件系統(tǒng)的（多余）時所用到的一些輔助軟件的安裝配置：ARM-LINUX操作系統(tǒng)的搭建、服務(wù)器應(yīng)用軟件的設(shè)計、ADS1.2和DNW以及系統(tǒng)編譯環(huán)境等的安裝配置。遠(yuǎn)程監(jiān)控端（文中采用了智能手機和便攜式電腦）通過服務(wù)器實現(xiàn)和控制終端間實

11、現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交互，智能手機用腳本語言編寫監(jiān)</p><p>　　本系統(tǒng)在實際測試中運行穩(wěn)定可靠，通過對運行結(jié)果和性能的分析可知，將ARM-LINUX系統(tǒng)、無線通訊技術(shù)、智能手機和PLC與信號檢測儀結(jié)合起來，將現(xiàn)場的各種信息通過服務(wù)器傳輸?shù)诫x現(xiàn)場的控制室或個人，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，是（使）水質(zhì)得到實時的監(jiān)控避免事故的發(fā)生，能帶來可觀的經(jīng)濟效益。同時本系統(tǒng)是一個全開放式系統(tǒng)，具有很強移植性和技術(shù)升級空間，

12、可以很容易地應(yīng)用到其他監(jiān)控領(lǐng)域如國防軍工、海洋地質(zhì)、環(huán)境生態(tài)等各行各業(yè)，具有良好的發(fā)展前景</p><p>　　關(guān)鍵詞：ARM-LINUX，Android，無線通訊，PLC，遠(yuǎn)程監(jiān)控</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>&l

13、t;b>　　摘要4</b></p><p>　　ABSTRACT5</p><p><b>　　一 緒論8</b></p><p>　　1.1 研究的背景、目的和意義8</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀和趨勢9</p><p>　　1.2.1 國外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

14、9</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11</p><p>　　1.3 本文結(jié)構(gòu)和主要工作14</p><p>　　二 系統(tǒng)的整體設(shè)計及硬件結(jié)構(gòu)16</p><p>　　2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架16</p><p>　　2.2 信號采集模塊17</p><p>　

15、　2.2.1 電源模塊20</p><p>　　2.2.2 傳感器20</p><p>　　2.2.3 調(diào)理電路21</p><p>　　2.3 指令執(zhí)行模塊24</p><p>　　2.4 終端控制器25</p><p>　　2.4.1 西門子S7-200 PLC26</p><p&g

16、t;　　2.4.2 TD400C和EM235模塊27</p><p>　　2.5 服務(wù)器的選型及其相關(guān)配置30</p><p>　　2.5.1 嵌入式系統(tǒng)的CPU30</p><p>　　2.5.2嵌入式以太網(wǎng)接口電路32</p><p>　　2.5.3 JTAG接口電路34</p><p>　　2.5.4

17、 串口電路35</p><p>　　2.6 無線傳輸模塊及遠(yuǎn)程控制設(shè)備36</p><p>　　2.6.1 無線傳輸模塊36</p><p>　　2.6.2遠(yuǎn)程控制設(shè)備39</p><p>　　2.7 本章小結(jié)39</p><p>　　三 系統(tǒng)的軟件設(shè)計及部分框圖40</p><p>

18、;　　3.1終端控制器的軟件設(shè)定40</p><p>　　3.1.1 模擬量采集41</p><p>　　3.1.2 溶氧泵控制44</p><p>　　3.1.3 PLC通訊45</p><p>　　3.2 GPRS設(shè)定48</p><p>　　3.3 服務(wù)器軟件配置50</p><p

19、>　　3.3.1 JTAG驅(qū)動安裝50</p><p>　　3.3.2 DNW的安裝配置51</p><p>　　3.3.3 編譯環(huán)境的構(gòu)建52</p><p>　　3.3.4 ADS1.2集成開發(fā)軟件53</p><p>　　3.3.5 LINUX系統(tǒng)的配置53</p><p>　　3.3.6 服務(wù)器

20、程序63</p><p>　　3.4 遠(yuǎn)程控制端的監(jiān)控軟件65</p><p>　　3.4.1 VB監(jiān)控軟件65</p><p>　　3.4.2 JAVA監(jiān)控軟件66</p><p>　　3.5 本章小結(jié)68</p><p>　　四 系統(tǒng)的實驗結(jié)果分析69</p><p>　　4.1

21、 監(jiān)控畫面69</p><p>　　4.2 儀器檢測測試73</p><p>　　五 總結(jié)與展望75</p><p>　　5.1 本文工作總結(jié)75</p><p>　　5.2 未來工作展望76</p><p><b>　　參考文獻77</b></p><p>&

22、lt;b>　　致 謝78</b></p><p>　　論文發(fā)表及科研工作79</p><p>　　基于arm的PLC無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)</p><p><b>　　一 緒論</b></p><p>　　本章主要概括的講述了本系統(tǒng)研究開發(fā)的背景、目的以及意義，介紹了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀、

23、發(fā)展趨勢，，最后列出了本文的結(jié)構(gòu)和整體安排。</p><p>　　1.1 研究的背景、目的和意義</p><p>　　自從新中國成立，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)取得了快速發(fā)展。我國水產(chǎn)業(yè)一直堅持“以養(yǎng)為主”的發(fā)展方針，自1991年以來我國水產(chǎn)品總產(chǎn)量一直穩(wěn)居世界第一位，截止到2011（要2013年的情況）年我國養(yǎng)殖水產(chǎn)品產(chǎn)量己（達(dá)）4023．26萬噸，占當(dāng)年全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的71％，占世界養(yǎng)殖水產(chǎn)品總

24、產(chǎn)量的70％左右，是世界唯一一個養(yǎng)殖產(chǎn)量超過捕撈產(chǎn)量國家。近 30 年來，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)取得了舉世矚目的成就。隨著我國邁入農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時期，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正從傳統(tǒng)的粗放式放養(yǎng)模式逐步向工廠化、集約化養(yǎng)殖模式發(fā)展。由于集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖密度大，當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)問題時，往往已經(jīng)造成了無可挽回的損失，故水質(zhì)因素成為集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖中最為關(guān)鍵的一環(huán)。我國水產(chǎn)養(yǎng)殖仍處在一個比較落后的生產(chǎn)發(fā)展模式，大多數(shù)水產(chǎn)養(yǎng)殖都是傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式，(和上面一句不連續(xù))傳統(tǒng)的人

25、工采樣無法實現(xiàn)實時監(jiān)控、不能獲取水質(zhì)動態(tài)數(shù)據(jù)，以自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為核心內(nèi)容的工業(yè)化養(yǎng)殖成為必然趨勢。近年來，世界各國紛紛加大投入，運用自動控制技術(shù)、化學(xué)分析技術(shù)以及計算機測控技術(shù)等先進手段來發(fā)展水環(huán)境監(jiān)控，旨在建立一個以水質(zhì)環(huán)境參數(shù)綜合指標(biāo)為基礎(chǔ)的在線監(jiān)控系統(tǒng)，以求在環(huán)保、節(jié)能的</p><p>　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是一種具有信息監(jiān)測及實時控制的綜合系統(tǒng)，具有防范能力強、部署方便、適用范圍廣等特點，當(dāng)前遠(yuǎn)程視頻

26、技術(shù)與信息監(jiān)控技術(shù)在監(jiān)控領(lǐng)域的融合更帶來了實時、直觀、準(zhǔn)確等豐富的優(yōu)點。近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力推廣以及無線網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等多種高新技術(shù)開始在監(jiān)控領(lǐng)域得到發(fā)展和融合，遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線視頻監(jiān)控技術(shù)有了很大的進步和提高。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，技術(shù)人員無須親臨現(xiàn)場就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，實時采集和集中現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析判斷，實施遠(yuǎn)程故障診斷和控制。遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用，極大地提高了生產(chǎn)效率，給企業(yè)

27、和生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟效益。伴隨著嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，使用手機等終端設(shè)備進行遠(yuǎn)程監(jiān)控成為現(xiàn)實。隨著網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等各種高新技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的大力推廣和運用，水產(chǎn)養(yǎng)殖的移動化、自動化和網(wǎng)絡(luò)化成為了整個行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此研制出一套用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有較大的市場價值和學(xué)術(shù)意義。</p><p>　　本文擬設(shè)計一種基于Arm-Linux系統(tǒng)

28、、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（由Android手機、便攜式電腦組成）、西門子S7-200 PLC和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的缺陷和不足，用戶可以通過手機、便攜式電腦與水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場控制終端相配合，從而實現(xiàn)一套完整的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫度、pH值、水位、溶解氧等多種養(yǎng)殖現(xiàn)場的水環(huán)境因子，其中溶解氧是水中生物和植物生存不可缺少的條件。我國養(yǎng)殖的幾種主要魚類，在成魚階段可允許溶氧量為 4mg/L 以上;

29、 當(dāng)溶氧量降低到 2mg/L 以下，會發(fā)生輕度浮頭; 降到 0.8-0.6mg/L 時，出現(xiàn)嚴(yán)重浮頭( 魚類發(fā)生一次嚴(yán)重浮頭就像生一場大病一樣) ; 降到0.5-0.3mg/L時，魚就會窒息而死，在系統(tǒng)中著重講述了對溶解氧的控制。工作人員可以通過手機客戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場終端，實現(xiàn)監(jiān)測和管理養(yǎng)殖場的目的。</p><p>　　1.2 研究現(xiàn)狀和趨勢</p><p>　　1.2.1 國外研究現(xiàn)

30、狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)在國外起步比較早，美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家在上個世紀(jì)中期就已經(jīng)對湖泊河流等水資源設(shè)立了自動監(jiān)測站。。1959年美國開始對俄亥俄河進行水質(zhì)自動監(jiān)測；1960年紐約州環(huán)保局開始著手對本州的水系建立自動監(jiān)測系統(tǒng)；1966年安裝了第一個水質(zhì)監(jiān)測自動電化學(xué)監(jiān)測器；1973年全國水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)分為12個自動監(jiān)測網(wǎng)，每個自動監(jiān)測網(wǎng)由4-15個自動監(jiān)測站組成；1975年在全國各州

31、共有13000個監(jiān)測站建成為水質(zhì)自動監(jiān)測網(wǎng)。在這些流域和各州(地區(qū))分布設(shè)置的監(jiān)測網(wǎng)中，由150個站組成聯(lián)邦水質(zhì)監(jiān)測站網(wǎng)——即國家水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)(NWMS)。20 世紀(jì) 60 年代初期，日本首先在群馬縣將水環(huán)境因子自動化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖。如今，美國每萬平方公里就有二十多個自動監(jiān)測站；英國在1975年建成了泰晤士流域自動環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)；在公共海域R本1967年便設(shè)立了水質(zhì)自動監(jiān)測器，到上個世紀(jì)末已經(jīng)設(shè)置了170多個自動監(jiān)測站；比較典型

32、的有挪威的水產(chǎn)養(yǎng)殖，其人工養(yǎng)殖鮭魚技術(shù)領(lǐng)先于全球，其監(jiān)控系統(tǒng)完全實現(xiàn)了科學(xué)化管理，水產(chǎn)養(yǎng)殖各環(huán)境參數(shù)都有專門的儀器設(shè)備監(jiān)控。上個世紀(jì)八十年代歐美，日本等國已經(jīng)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代尖端的微</p><p>　　歐美及日本等國在20世紀(jì)70年代已有便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀出售，但屬于瞬時測定儀。連續(xù)多參數(shù)水質(zhì)測定儀是在80年代才開始使用的。在監(jiān)測設(shè)備方面，廣泛應(yīng)用現(xiàn)代尖端的微電子技術(shù)、嵌入式微控制器技術(shù)，并做到智能化的數(shù)據(jù)采集、分析

33、和運算，水質(zhì)監(jiān)測完全實現(xiàn)了自動化。目前，世界上已建成的WPMS類型較多，既有全自動聯(lián)機系統(tǒng)，也有半自動脫機系統(tǒng)，例如澳大利亞GREENSPAN公司，德國GIMAT公司，美國的ISOC、HYDROLAB等公司，日本日立制作所和卡斯米國際株式會社等都生產(chǎn)有技術(shù)成熟的在線水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)，但大部分是以監(jiān)測水質(zhì)污染的綜合指標(biāo)為基礎(chǔ)的，包括水溫、混濁度、pH值、電導(dǎo)率、溶解氧、化學(xué)需氧量、生化需氧量、總需氧量和總有機碳等。</p>

34、<p>　　隨著無線通信和定位技術(shù)的成熟與發(fā)展，將通信技術(shù)和定位技術(shù)集成應(yīng)用于水質(zhì)檢測系統(tǒng)，已成為近年來的研究趨向。作為經(jīng)濟發(fā)達(dá)、技術(shù)先進的超級大國，美國在無線通信技術(shù)和定位技術(shù)的集成試驗、應(yīng)用方面的研究都處于領(lǐng)先地位，開發(fā)出了一些基于無線通信和定位技術(shù)的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng). </p><p>　　Lopez M[5]提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的水質(zhì)監(jiān)控：為養(yǎng)魚場監(jiān)測pH、NH4+ 和溫度；Z

35、hu( 姓名單位)等[17]在2010 年建立了集約化養(yǎng)魚水質(zhì)遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)水質(zhì)含氧量的歷史數(shù)據(jù)進行預(yù)警預(yù)報。</p><p>　　國外比較典型的代表有美國 Heliosware 公司的 EMNET 系統(tǒng)和澳大利亞 CSIRO 的 Fleck 系統(tǒng)，但這 2 個系統(tǒng)通信速率低、產(chǎn)品體積較大、功耗較高，僅適合用作研究。</p><p>　　在國外水質(zhì)在線監(jiān)測儀器中，應(yīng)用

36、比較廣泛的是美國哈希公司生產(chǎn)的在線自動監(jiān)測儀: Hydrolab 多參數(shù)水質(zhì)分析儀 (常規(guī)五參數(shù)分析儀)如圖1.1所示，是一款新型多參數(shù)、寬量程的水質(zhì)分析儀器，可用于地表水、地下水、水源水、飲用水、污水排放口、海洋等不同水體的水質(zhì)在線及便攜監(jiān)測。監(jiān)測參數(shù)包括溶解氧、pH、ORP（氧化還原電位）、電導(dǎo)率（鹽度、總?cè)芙夤腆w、電阻）、溫度、深度、濁度、葉綠素 a、藍(lán)綠藻、若丹明WT、銨 / 氨離子、硝酸根離子、氯離子、環(huán)境光、總?cè)芙?/p>

37、氣體共十五種參數(shù)。</p><p>　　圖1.1 Hydrolab 多參數(shù)水質(zhì)分析儀</p><p>　　總體看來，國外水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，如今呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢：其中一個方面是傳統(tǒng)的固定監(jiān)測設(shè)備不斷自動化、智能化。另一個方面是朝著移動式、便攜式發(fā)展。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢</p><p>　　養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)

38、在國內(nèi)的發(fā)展己有很長的歷史。我國起始于70年代，通過幾十年的發(fā)展，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖己由傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖走向工廠化養(yǎng)殖、網(wǎng)箱養(yǎng)殖，對養(yǎng)殖場的管理也由傳統(tǒng)的人工管理變成半人工半自動化管理，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)取得了飛速的發(fā)展和巨大的成功，已經(jīng)成為世界上最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖國家。然而據(jù)相關(guān)資料顯示，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖仍然是以傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖為主，出于經(jīng)濟原因的考慮，廣大養(yǎng)殖戶仍然使用的是低成本、不能對水質(zhì)進行連續(xù)監(jiān)測和自動控制的水質(zhì)監(jiān)測儀。與國外漁業(yè)的自動化、機械

39、化程度相比，我國還有很大的上升空間。</p><p>　　近年來，水質(zhì)監(jiān)測在我國發(fā)展迅速，現(xiàn)在市場上主要有便攜式和在線式兩種水質(zhì)監(jiān)測儀。便攜式建立在化學(xué)試劑檢測的基礎(chǔ)上，每次開展測試工作都需要進行化學(xué)試劑的具體配置，操作起來非常繁雜，而且通常情況下只可以監(jiān)測一種物質(zhì)，功能較為單一，一般只在研究所、大專院校實驗室、漁業(yè)水產(chǎn)所等部門應(yīng)用，例如：李道亮等【19】將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于宜興河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)中，整個無線監(jiān)測系統(tǒng)

40、包括農(nóng)用無線氣象站、水質(zhì)監(jiān)測站、溶解氧控制站，并且開發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)應(yīng)用平臺，實現(xiàn)了溶解氧從測量、預(yù)測到控制等功能；陸衛(wèi)忠等【18】開展了基于 GPRS的水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計的研究，通過GPRS 終端，利用 GPRS 和 Internet 實現(xiàn)在控制范圍較廣、工作環(huán)境較惡劣條件下的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制。在線監(jiān)測還可以劃分成兩種不同的類別，即有線監(jiān)測儀和無線監(jiān)測儀，有線監(jiān)測儀傳輸數(shù)據(jù)時需要借助電纜進行，費用高，而且維護起來非常不便，而

41、無線監(jiān)測儀使用方便，但價格較為昂貴。</p><p>　　工業(yè)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖在我國剛剛起步。在多參數(shù)測量控制方面，江蘇電分析儀器廠制造的 AJ-1 型檢測儀，對影響?zhàn)B殖的重要參數(shù)予以準(zhǔn)確的測定，這些參數(shù)具體包括了溫度、PH 值以及鹽度等等，但是，該儀器并不能夠?qū)崿F(xiàn)控制功能，也沒有形成網(wǎng)絡(luò)。除此之外，由中科院南京土壤研究所研制的水產(chǎn)養(yǎng)殖溶解氧單參數(shù)分析控制儀，能夠依據(jù)溶氧量的不同進行開啟或者關(guān)閉增氧機，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)水

42、體溶氧量的目的，不過該產(chǎn)品僅僅停滯在小型的分立儀器上，非常簡陋，難以進行網(wǎng)絡(luò)化的管理。上海雷磁生產(chǎn)的DZS-708 水質(zhì)多參數(shù)分析儀（如圖1.2所示）用于測量電導(dǎo)、溶解氧、pH/pX、溫度等，自動溫度補償，符合GLP標(biāo)準(zhǔn)，自定義離子模式，可存儲數(shù)據(jù)，RS-232，USB接口。</p><p>　　圖1.2 DZS-708 水質(zhì)多參數(shù)分析儀</p><p>　　移動互聯(lián)技

43、術(shù)的不斷發(fā)展，手機硬件制造工藝的不斷提高，臺式機、筆記本和手機的界限越來越模糊，個人PC和移動終端互相滲透。隨著手機終端硬件設(shè)備性能的加強，現(xiàn)在的智能手機性能已經(jīng)足以媲美個人PC。個人PC的很多功能都可以運用在手機上，例如人們可以通過手機進行上網(wǎng)、炒股、辦公等，同時智能手機的便攜性和用戶體驗性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PC，各種手機監(jiān)控軟件大量出現(xiàn)在手機平臺上，智能手機軟件的開發(fā)運用成為當(dāng)今工控行業(yè)的最大熱點之一。各種智能手機終端的普為移動視頻監(jiān)控的實現(xiàn)

44、提供了硬件基礎(chǔ)，3G通信網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)和應(yīng)用保證了多媒體數(shù)據(jù)的實時快速通信，為實現(xiàn)移動監(jiān)控提供了有利條件。和傳統(tǒng)監(jiān)控相比，移動視頻監(jiān)控除了具有傳統(tǒng)監(jiān)控的功能以外，還具有可移動、實時性強等特點。用戶可以通過移動終端連接服務(wù)器隨時隨地進行監(jiān)控，滿足了不同用戶的多元化需求。</p><p>　　目前，市場上主流的移動終端操作系統(tǒng)有Windows Phone、Iphone OS和Android，其中Android是Googl

45、e公司推出的基于Linux內(nèi)核的手機操作系統(tǒng)，是專門為移動娛樂辦公終端打造的手機平臺。Android的開源特性和眾多硬件軟件廠商的大力支持，Android得到了大力發(fā)展，截止到2012年6月，Android系統(tǒng)在中國的智能機市場份額已經(jīng)達(dá)到了驚人的69．5％，而且份額還有繼續(xù)擴大的趨勢。另外Android系統(tǒng)開始滲透到平板電腦、電視等傳統(tǒng)行業(yè)，市場上先后出現(xiàn)了Android TV、Android家庭智能設(shè)備等產(chǎn)品【8】。</p&g

46、t;<p>　　物聯(lián)網(wǎng)是建立在在計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)[9目前市場上主流的嵌入式終端操作系統(tǒng)有Windows CE、嵌入式Linux、VxWorks和肛C／OS．II等。嵌入式Linux系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性、強大的網(wǎng)絡(luò)支持功能、自由裁剪等特點。開源、全球廣大愛好者的開發(fā)者社區(qū)以及詳細(xì)的文檔和廠家支持，嵌入式Linux在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)

47、展扮演越來越重要的角色，已經(jīng)成為近幾年的工控技術(shù)熱點之一【10】。</p><p>　　3G通信技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等高新技術(shù)相互融合將促進漁業(yè)進步，形成以知識和資本密集型為特征的智能化養(yǎng)殖業(yè)。所謂智能化養(yǎng)殖業(yè)，是將工程技術(shù)、電氣設(shè)備、自動化監(jiān)控儀表、傳感器、企業(yè)管理軟件等現(xiàn)代技術(shù)手段用于水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和系統(tǒng)化管理，對養(yǎng)殖環(huán)境、水質(zhì)、魚類生長狀況、藥物使用、廢水處理等進行全方位的檢測和管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集

48、及分析、食品溯源、生產(chǎn)基地遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能㈣。與傳統(tǒng)的粗放型養(yǎng)殖模式相比，智能化漁業(yè)具有明顯的優(yōu)勢，具有機械自動化程度比較高、節(jié)能環(huán)保、管理先進等優(yōu)點，為我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和優(yōu)化帶來了新的突破口。</p><p>　　我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，養(yǎng)殖模式正在向集約化、工廠化模式發(fā)展，而水質(zhì)監(jiān)控成為集約化養(yǎng)殖中十分重要的一環(huán)。與發(fā)達(dá)國家相比，我國的水質(zhì)監(jiān)控技術(shù)還不夠成熟，關(guān)鍵技術(shù)的研究上還有較大提升空間。終端感知層的

49、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)將成為重點攻克的環(huán)節(jié)，應(yīng)從理論研究和設(shè)備研發(fā)方面加強攻關(guān)。養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控中感知層的信息融合，遠(yuǎn)程視頻傳輸?shù)膽?yīng)用，信息處理技術(shù)的集成、智能，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與集約化養(yǎng)殖的結(jié)合，將是未來的發(fā)展趨勢。無論檢測技術(shù)，檢測儀器和裝置方面，還是在水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)方面，我國與國外都存在很大差距。因此，開展水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究和提升我國水質(zhì)監(jiān)測的科技含量成為人們必須重視的問題。正因如此，通過本論文也希望研制出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的多參數(shù)

50、環(huán)境水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，從而提高我國該領(lǐng)域系統(tǒng)的集成度和性價比。通過該系統(tǒng)對主要水環(huán)境因子（實）行實時監(jiān)測和調(diào)控，為今后環(huán)境監(jiān)測和控制提供更加有效的手段。</p><p>　　1.3 本文結(jié)構(gòu)和主要工作</p><p>　　本文主要設(shè)計實現(xiàn)了一種以嵌入式Linux為服務(wù)器、以PLC為控制終端并結(jié)合遠(yuǎn)程控制器（智能手機，便攜式電腦等）的水產(chǎn)養(yǎng)殖多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式Linux可以實現(xiàn)多參數(shù)

51、數(shù)據(jù)的存儲、設(shè)備操作及運行的記錄，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端與控制終端間的數(shù)據(jù)和指令的傳輸；控制終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的采集、轉(zhuǎn)化、傳輸及控制設(shè)備的運行；遠(yuǎn)程控制端可以實時監(jiān)控水溫、pH值、溶解氧濃度、水位等多種水質(zhì)參數(shù)，在線進行遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備等功能。本課題分為嵌入式Linux服務(wù)器開發(fā)、遠(yuǎn)程控制端程序開發(fā)、控制終端設(shè)備開發(fā)3大部分，劃分以下五個章節(jié)：</p><p>　　第一章，簡要介紹了國外水質(zhì)監(jiān)控的發(fā)展、產(chǎn)品、進行的研

52、究工作和發(fā)展趨勢，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖和移動監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，并說明了本文的研究背景和意義。</p><p>　　第二章，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)與硬件設(shè)計。給出整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思路及功能等，并且介紹了水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵原理技術(shù)，溶氧的采集原理，包括有信號調(diào)理電路、GPRS無線通訊、PLC及其功能模塊的操作、嵌入式硬件電路的說明。</p><p>　　第三章，系統(tǒng)軟件的設(shè)計。介紹了

53、整個系統(tǒng)的軟件功能框架，主要分為控制終端的數(shù)據(jù)采集和傳輸以及TD400C的顯示、GPRS的通訊配置、嵌入式Linux系統(tǒng)的搭建及相關(guān)配置、嵌入式Linux服務(wù)器軟件的設(shè)計、遠(yuǎn)程控制終端監(jiān)控界面的搭建及編程（其中分為便攜式電腦的VB編程、智能手機的安卓監(jiān)控軟件的搭建）五個部分。</p><p>　　第四章，對整個水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)進行綜合測試，并對數(shù)據(jù)結(jié)果進行總結(jié)分析，并為進一步做出實驗結(jié)果分析。</p>

54、<p>　　第五章，，對整個水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的的設(shè)計做出總結(jié)，并對水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展做出展望。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)的整體設(shè)計及硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文提出了一套基于arm-linux的PLC無線水質(zhì)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，以帶有網(wǎng)關(guān)電路的ARM核心開發(fā)板為服務(wù)器實現(xiàn)終端處理器與遠(yuǎn)程控制終端間的數(shù)據(jù)與控制指令的交互，PLC與服務(wù)器之間的無線數(shù)據(jù)傳輸由GPRS模塊實現(xiàn)，

55、服務(wù)器與遠(yuǎn)程控制端通過英特網(wǎng)連接，PLC作為終端處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和控制命令負(fù)責(zé)處理調(diào)理電路采集上來的型號和對執(zhí)行機構(gòu)的控制。本章主要介紹了傳感器的選取及相應(yīng)信號處理電路的設(shè)計，控制終端、GPRS模塊、執(zhí)行機構(gòu)的選取，arm處理器的選取及相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)電路三個部分。</p><p>　　2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架</p><p>　　本文根據(jù)水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)所需求的功能要求以確定硬件的各部分的構(gòu)成以及數(shù)

56、據(jù)的控制流程，完成結(jié)構(gòu)化設(shè)計。系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 系統(tǒng)整體設(shè)計框架</p><p>　　如圖2-1所示，硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：信號采集模塊、指令執(zhí)行模塊、終端控制器、無線傳輸模塊、服務(wù)器、遠(yuǎn)程控制模塊。</p><p>　　信號采集模塊負(fù)責(zé)把傳感器采集到的小信號轉(zhuǎn)換為0-2.5v的電壓信號，主要采集的信號有溫度、

57、溶氧量。本系統(tǒng)的信號采集模塊主要包括溶解氧采集模塊和溫度采集模塊，溶氧和溫度精密相關(guān)，本系統(tǒng)所采用的溶氧傳感器含有熱敏電阻，需要的溫度、溶氧參量可以只需一個傳感器，信號模塊由電源、傳感器，調(diào)理電路組成。</p><p>　　指令執(zhí)行機構(gòu)把終端控制器的指令通過繼電器模塊控制現(xiàn)場設(shè)備的運行，因為在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，特別是苗種的培養(yǎng)要求溶氧量不能低于某一閾值，如果長期最大量的開轉(zhuǎn)增氧泵，將會產(chǎn)生高額的能耗費，綜合考慮溶氧量的

58、閾值控制和能耗，在這里依據(jù)檢測到的溶氧量通過變頻器對增氧泵進行控制。變頻器使用博世力士樂公司的CVF-G2-4T 0022C型變頻器（CVF表示的是產(chǎn)品代號，G2表示的是通用變頻器，4參數(shù)表示電壓等級是380V，T代表三相電源，0022表示適的電機功率是2.2KW，C參數(shù)表示內(nèi)置了制動單元）。</p><p>　　終端控制器采用西門子S7-200 PLC 226CPU配有EM232（與前面不符，前面章節(jié)為EM23

59、5）模擬量輸入輸出模塊（4輸入1輸出），實現(xiàn)模擬量和控制指令的轉(zhuǎn)化、傳輸，以及溶氧閉環(huán)控制算法的實現(xiàn)，配有TD400C用于現(xiàn)場的監(jiān)控。</p><p>　　無線傳輸模塊采用DTR2000模塊，DTR2000為用戶提供一條高速、永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)傳輸通道，作為一種新的數(shù)據(jù)傳輸終端，幾乎所有中低速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)都可以使用。</p><p>　　服務(wù)器采用S3C2440作為核心板，配以網(wǎng)關(guān)電路

60、，以7寸觸摸屏作為服務(wù)器的顯示屏，加載linux2.6.12內(nèi)核作為arm板的操作系統(tǒng)，作為整個水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器，管理整個系統(tǒng)，并未（為）遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊提供支持。</p><p>　　遠(yuǎn)程控制模塊由一些移動設(shè)備配以相應(yīng)軟件組成，可以是智能手機、PDA、移動電腦等設(shè)備。</p><p>　　2.2 信號采集模塊</p><p>　　溶解氧采集模塊有（由）溶解氧傳感器

61、、調(diào)理電路，電源模塊組成，溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子狀態(tài)的氧，即水中的O2（O2），用DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的條件。溶解氧的一個來源是水中溶解氧未飽和時，大氣中的氧氣向水體滲入；另一個來源是水中植物通過光合作用釋放出的氧。它跟空氣里氧的分壓、大氣壓、水溫和水質(zhì)有密切的關(guān)系。在20℃、100kPa下，純水里大約溶解氧9mg／L。溶解氧隨著溫度、氣壓、鹽分的變化而變化，一般說來，溫度越高，溶

62、解的鹽分越大，水中的溶解氧越低；氣壓越高，水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亞硝酸根、亞鐵離子等還原性物質(zhì)所消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有機物質(zhì)被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以說溶解氧是水體的資本，是水體自凈能力的表示。天然水中溶解氧近于飽和值（9ppm），藻類繁殖旺盛時，溶解氧含量下降。水體受有機物及還原性物質(zhì)污染可使溶解氧降低，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)來說，水體溶解氧對水中生物如魚類的生存有著至關(guān)重要的影響，當(dāng)溶解氧

63、低于1mg/L時，就會引起魚類窒息死亡。當(dāng)溶解氧（DO）消耗速率大于氧氣向水體中溶入的</p><p>　　目前常用的溶解氧檢測方法有碘量法、電流測定法 (Clark溶氧電極)、電導(dǎo)測定法、熒光淬滅法等，本儀器采用的是電流測定法。電流測定法 (Clark溶氧電極)根據(jù)分子氧透過薄膜的擴散速率來測定水中溶解氧的含量。此類薄膜只能透過氣體,一般采用聚四氟乙烯薄膜。透過氣體中的氧氣擴散到電解液中，立即在陰極 (正極 )

64、 ,如金電極上發(fā)生還原反應(yīng),在陽極 (負(fù)極 )，如銀 -氯化銀電極上發(fā)生氧化反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)生的電流與氧氣的濃度成正比，通過測定電極中電流的大小就可以得到溶解氧 (DO)的濃度。溶解氧分析儀測量原理氧在水中的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。溶解氧分析儀傳感部分是由金電極(陰極)和銀電極(陽極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成，氧通過膜擴散進入電解液與金電極和銀電極構(gòu)成測量回路。當(dāng)給溶解氧分析儀電極加上0.6～ 0.8V 的極化電壓時，氧通

65、過膜擴散，陰極釋放電子，陽極接受電子，產(chǎn)生電流，整個反應(yīng)過程為：陽極 Ag+Cl→AgCl+2e- 陰極 O2+2H2O+4e→4OH- 根據(jù)法拉第定律：流過溶解氧分析儀電極的電流和氧分壓成正比，在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。 </p><p>　　電流測定法的測量速度較碘量法快,操作簡便,干擾少 (不受水樣色度、濁度及各種干擾物質(zhì)的影響 ) ,而且能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場自動連續(xù)檢測,但是由于它的透氧膜和電

66、極容易老化，當(dāng)水樣中含藻類、 硫化物、 碳酸鹽、 油類等物質(zhì)時會使透氧膜堵塞或損壞,需要注意保護和及時更換，又由于它依靠電極本身在氧的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)來測定氧濃度,測定過程中需要消耗氧氣,所以在測量過程中要不停地攪拌樣品,且需要定期更換電解液,致使它的測量精度和響應(yīng)時間都受到了限制。目前市場上的儀器大多都是屬于 Clark電極型,每隔一段時間要活化,透氧膜也要經(jīng)常更換。代表產(chǎn)品有美國 YSI公司的一系列便攜式溶解氧測量儀,該類儀器

67、在我國使用范圍較廣,如 YSI 5型溶解氧測量儀等,可高質(zhì)量地完成實驗室和野外環(huán)境的測試工作,操作簡便攜帶方便,測量范圍 0 - 20mg/L,精度± 0 . 03mg/L。</p><p>　　溶解氧主要有三種表示方法：①氧分壓表示法，它直接描述了溶液中氧的活度或與之平衡的氣相中的氧分壓；②百分比飽和度,表示過程中任一時刻的溶氧水平為標(biāo)定時刻的飽和氧分壓的百分?jǐn)?shù)；③溶解度,指溶液中氧氣的濃度,表示溶液

68、中氧氣含量的絕對值。</p><p>　　在溶解氧測量系統(tǒng)中 ,隨著溶液溫度的變化 ,有許多因素可能影響到溶氧電極的輸出電流 ,在文獻[4 ,5 ]中指出,溶液溫度在 30 ℃附近 ,溫度變化引起的溶氧傳感器輸出偏差大約為 3 %/ ℃。在這些影響因素中 ,膜的透氣率是主要原因 ,由于溫度上升 ,膜的氧穿透系數(shù)增加 ,其次隨著溫度升高 ,氧在電解質(zhì)溶液中的擴散系數(shù)增大,電極化學(xué)的反應(yīng)速度也增大。溫度對膜的影響 ,

69、可以用膜的擴散系數(shù)與溶解度的阿侖尼烏斯定律來估計 ,因此 ,在特定的氧分壓 P下 ,電極的輸出電流 I 與溫度 T 的關(guān)系為[8 :I，其中: 和 a為常數(shù)。 因此,在特定的氧分壓 P下,隨著溫度的升高,溶氧電極輸出電流相應(yīng)增大。 公式(5) （哪有）描述了溫度對膜的影響所引起的電極輸出電流變化,然而溫度對溶氧測量的影響是多方面的，因此，將由溫度所引起的其它測量誤差也集中到公式的指數(shù)項。為了實現(xiàn)溶氧測量軟件溫度補償 ,需要知道不同溫度

70、下飽和溶氧值對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，確定該點后，與原點確定一條直線，根據(jù)實際現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，按照比例關(guān)系即可得到該溫度下的實際溶氧值。 </p><p>　　溶氧測量系統(tǒng)采用兩點式標(biāo)定方法:</p><p>　　第一步 ,在飽和亞硫酸鈉溶液中標(biāo)定溶氧電極的零點 ,溶氧電極的輸出電流接近于 0 nA ( A) ,記錄溶氧變送器的輸出值為 Vo 。</p><p>

71、　　第二步 ,標(biāo)定DO 電極的滿度(100 %) 。在一定的溫度下（溫度測量電路原理見后面原理圖說明），提起氧電極，輕輕甩去氧電極測試端的水分，將探頭垂直放置在靠近該水漫的上方約0.5-1cm，此時的測量的數(shù)據(jù)所對應(yīng)于該溫度下的飽和溶氧值。因為，在某一溫度下達(dá)到氣液平衡時，即脫離和進入溶液的氧氣分子數(shù)相同，溶液中氧分壓和空氣中是相同的。</p><p>　　2.2.1 電源模塊（太簡單，不要講）</p>

72、;<p>　　在本文調(diào)理電路的設(shè)計中，通過外部的AC-DC開關(guān)電源給集成運放、傳感器及其他外部設(shè)備供電。開關(guān)電源選用鴻?？萍脊镜腏MD20-A開關(guān)穩(wěn)壓電源，它可以提供穩(wěn)定的直流5v、 +12v、 -12v輸出。 輸入電壓為AC170~264V DC240~373V 輸出電壓及電流:5V/2A ±12V/0.5A。轉(zhuǎn)換效率可達(dá)77%。 如圖2-2所示，開關(guān)電源實物圖。</p><p>　

73、　圖2-2 開關(guān)電源JMD20-A</p><p><b>　　2.2.2 傳感器</b></p><p>　　本文中采用雷磁公司的DO-958-S型的溶氧傳感器，測量的范圍0-19.9 mg/l殘余電流0.1mg/l溫度范圍5-40℃，極譜型溶氧電極的工作原理如圖 2 所示 ,在 - 0. 6～ - 0. 8V 的極化電壓下 ,溶液中的溶解氧在陰極被還原 ,在穩(wěn)態(tài)

74、的情況下 ,電極的輸出電流(相對電流)與溶液中氧的活度或與之平衡的氣相中氧的分壓成正比。</p><p>　　圖 1 溶氧電極的工作原理</p><p>　　2.2.3 調(diào)理電路</p><p>　?。?）溶解氧檢測電路</p><p><b>　　圖2激勵源部分</b></p><p>　　激勵

75、源電路圖說明（指具體圖）：采用如上電路，正12V供電，LM236（可用LM336代替）為2.5V穩(wěn)壓，通過調(diào)節(jié)P1來獲得極譜式覆膜電極所需的0.7V左右的電壓（Ag極輸出）。</p><p>　　圖3電流—電壓變換部分</p><p>　　電流—電壓變換部分原理說明：采用如上電路，Au極輸入微安級電流，通過調(diào)整滑動變阻器P4，可使電路變換可將0——5uA電流信號變換為0——2V的電壓信號。

76、DOVout計算公式如下：。這里，為從Au極輸入的微安級電流。 CA3140高輸入阻抗運算放大器,是美圜無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS運算放大器在一片集成芯片上，它結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點.(互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運放. 雙列直插8腳或圓筒8腳封裝。電源電壓±2~±18V。開環(huán)電壓100dB。輸入偏置電流5pA。轉(zhuǎn)換速率9V。輸出電壓13V.</p>

77、<p>　　在CA3140的1和5管腳之間接一個10K的電阻，且電位計的游標(biāo)要回接到4管腳，這樣的目的是是為了使輸入的偏置電壓為零。</p><p><b>　?。?）溫度檢測電路</b></p><p>　　溫度檢測電路原理說明：（先文字，后圖）采用如上橋式測量電路，Rx21與Rx22之間接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，熱敏電阻的變化范圍21kΩ——大約60k

78、Ω（48℃--0℃,對不同的容氧電極熱敏電阻阻值可能稍有差別），通過調(diào)節(jié)P3和P4可以將電阻變換為0——2.0V的輸出電壓。計算公式如下： </p><p><b>　　。</b></p><p>　　其中，為TL084管腳10，12的輸入電壓，為可變電阻器P4的下半部分電阻值（口語化）。</p><p>　　(3）總體PCB圖（

79、不需要）</p><p>　　2.3 指令執(zhí)行模塊</p><p>　　由PLC給出的控制信號是直流24v的，不能直接驅(qū)動外圍設(shè)備，對于控制要求不高的設(shè)備（排水泵、補水泵等）可以通過24v繼電器進行電壓轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)對目標(biāo)設(shè)備的控制，繼電器采用歐姆龍的LY4NJ 24V DC,該型號繼電器無內(nèi)置浪涌抑制器規(guī)格（無內(nèi)置二極管或內(nèi)置CR元件）。LY4NJ是4常開4常閉的繼電器。把PLC的開關(guān)信號接

80、到LY4NJ的線圈上，這樣就可以利用繼電器的常開、常閉接點控制負(fù)載。LY4NJ接線：13、14是線圈（直流的14+，13-）1、2、3、4分別是9、10、11、12的常閉觸電，5、6、7、8是9、10、11、12的常開觸電，單個觸點的電流容量為3A。</p><p>　　對于增氧泵，綜合考慮節(jié)能及控制要求，采用變頻控制。變頻器采用博世力士樂公司的CVF-G2-4T 0022C型變頻器（CVF表示的是產(chǎn)品代號，G2

81、表示的是通用變頻器，4參數(shù)表示電壓等級是380V，T代表三相電源，0022表示適的電機功率是2.2KW，C參數(shù)表示內(nèi)置了制動單元）</p><p>　　圖 變頻器基本運行接線圖</p><p><b>　　2.4 終端控制器</b></p><p>　　水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備處于野外，環(huán)境惡劣，對于控制器的復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性能要求高，同時考慮到控制器的穩(wěn)定

82、性、精確度，在這里選用西門子的S7-200PLC（226CPU）作為終端控制器，加配EM235模塊作為模擬量的輸入輸出模塊，TD400C模塊作為現(xiàn)場的顯示、控制設(shè)備。</p><p>　　2.4.1 西門子S7-200 PLC</p><p>　　PLC相對于其它控制設(shè)備而言：可靠性高，抗干擾能力強，通用性強，控制程序可變，功能強，適應(yīng)面廣，編程簡單，容易掌握，減少了控制系統(tǒng)的設(shè)計及施工的

83、工作量，體積小、重量輕、功耗低、維護方便，</p><p>　　在硬件上主要模塊均采用大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，大量開關(guān)動作由無觸點的電子存儲器完成，I/O系統(tǒng)設(shè)計有完善的通道保護和信號調(diào)理電路。</p><p>　?。?） 屏蔽——對電源變壓器、CPU、編程器等主要部件，采用導(dǎo)電、導(dǎo)磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。</p><p>　?。?）濾波——

84、對供電系統(tǒng)及輸入線路采用多種形式的濾波，如LC或π型濾波網(wǎng)絡(luò)，以消除或抑制高頻干擾，也削弱了各種模塊之間的相互影響。</p><p>　?。?）電源調(diào)整與保護——對微處理器這個核心部件所需的+5V電源，采用多級濾波，并用集成電壓調(diào)整器進行調(diào)整，以適應(yīng)交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。</p><p>　?。?）隔離——在微處理器與I/O電路之間，采用光電隔離措施，有效地隔離I/接口與C

85、PU之間電的聯(lián)系，減少故障和誤動作；各I/O口之間亦彼此隔離。</p><p>　　（5）采用模塊式結(jié)構(gòu)——這種結(jié)構(gòu)有助于在故障情況下短時修復(fù)。一旦查出某一模塊出現(xiàn)故障，能迅速更換，使系統(tǒng)恢復(fù)正常工作；同時也有助于加快查找故障原因。</p><p>　　在軟件上有極強的自檢及保護功能。</p><p>　?。?）故障檢測——軟件定期地檢測外界環(huán)境，如掉電、欠電壓、鋰

86、電池電壓過低及強干擾信號等。以便及時進行處理。</p><p>　?。?）信息保護與恢復(fù)——當(dāng)偶發(fā)性故障條件出現(xiàn)時，不破壞PLC內(nèi)部的信息。一旦故障條件消失，就可恢復(fù)正常，繼續(xù)原來的程序工作。所以，PLC在檢測到故障條件時，立即把現(xiàn)狀態(tài)存入存儲器，軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，以防存儲信息被沖掉。</p><p>　?。?）設(shè)置警戒時鐘WDT（看門狗）——如果程序每循環(huán)

87、執(zhí)行時間超過了WDT規(guī)定的時間，預(yù)示了程序進入死循環(huán)，立即報警。</p><p>　?。?）加強對程序的檢查和校驗——一旦程序有錯，立即報警，并停止執(zhí)行。</p><p>　?。?）對程序及動態(tài)數(shù)據(jù)進行電池后備——停電后，利用后備電池供電，有關(guān)狀態(tài)及信息就不會丟失。</p><p>　　本系統(tǒng)選用226CPU，它帶有兩個COM口可以滿足同時連接TD400C和GPRS

88、模塊的要求，它本身所攜帶的數(shù)字端口也能滿足系統(tǒng)的輸入輸出要求，具體PLC上的一些功能模塊如圖2.4所示：</p><p>　　圖2.4 PLC本體功能說明</p><p>　　2.4.2 TD400C和EM235模塊</p><p><b>　?。?）TD400C</b></p><p>　　為了便于現(xiàn)場的操作與監(jiān)控采用

89、TD400C文本顯示設(shè)備，TD400C 是一個 2 行（大字體）或 4 行（小字體）的文本顯示設(shè)備，可以與 S7-200 CPU 連接。 TD400C 為背光液晶顯示（LCD），分辨率為 192×64。 TD400C 通過 TD/CPU 電纜從 S7-200 

90、CPU 獲得供電，或者也可由單獨電源供電。TD400C 可以用來實現(xiàn)以下任務(wù):</p><p><b>　　常規(guī)功能</b></p><p><b>　　? 顯示報警 </b></p><p>　　? 允許調(diào)整指定的程序變量 </p><p&g

91、t;　　? 允許強制/取消強制輸入/輸出點 </p><p>　　? 允許為具有實時時鐘的 CPU 設(shè)置時間和日期 </p><p>　　? 查看層級用戶菜單及屏幕，以便于和應(yīng)用程序或過程進行交互 </p><p>　　? 查看 CPU 狀態(tài) &#

92、160;</p><p>　　用于和 S7-200 CPU 進行交互的其它功能 </p><p>　　? 可以改變 S7-200 CPU 的操作模式（運行或停止） </p><p>　　? 可以將 S7-200 CPU 中的用戶程序加載到

93、內(nèi)存盒中 </p><p>　　? 可以對存儲在 S7-200 CPU 存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)進行訪問和編輯</p><p>　　(2) EM235模塊</p><p>　　PLC（226CPU）本身不帶有模擬量I/O口，水質(zhì)監(jiān)控中用到的模擬量需通過接口模塊EM235實現(xiàn)。EM235帶有4輸入1輸出，常用的技術(shù)參數(shù)如表2.1

94、所示：</p><p>　　表1 EM235技術(shù)參數(shù)</p><p>　　模擬量輸入模塊使用前應(yīng)進行輸入校準(zhǔn)。其實出廠前已經(jīng)進行了輸入校準(zhǔn)，如果OFFSET和GAIN電位器已被重新調(diào)整，需要重新進行輸入校準(zhǔn)。其步驟如下：</p><p>　　切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。</p><p>　　接通CPU和模塊電源，使模塊穩(wěn)定15分鐘。&l

95、t;/p><p>　　用一個變送器，一個電壓源或一個電流源，將零值信號加到一個輸入端。</p><p>　　讀取適當(dāng)?shù)妮斎胪ǖ涝贑PU中的測量值。</p><p>　　調(diào)節(jié)OFFSET（偏置）電位計，直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。</p><p>　　將一個滿刻度值信號接到輸入端子中的一個，讀出送到CPU的值。</p><

96、;p>　　調(diào)節(jié)GAIN（增益）電位計，直到讀數(shù)為32000或所需要的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)值。</p><p>　　必要時，重復(fù)偏置和增益校準(zhǔn)過程。</p><p>　　EM235帶有6個撥碼開關(guān)，在系統(tǒng)中選用單極性0-5v輸入，±10v輸出，撥碼開關(guān)的設(shè)置如表2.2所示：</p><p>　　表2.2 撥碼開關(guān)設(shè)置</p><p>　　E

97、M235模擬量擴展模塊接線圖如圖1所示，模擬量擴展模塊的接線方法，對于電壓信號，按正、負(fù)極直接接入X＋和X－；對于電流信號，將RX和X＋短接后接入電流輸入信號的“＋”端；未連接傳感器的通道要將X＋和X－短接。</p><p>　　對于某一模塊，只能將輸入端同時設(shè)置為一種量程和格式，即相同的輸入量程和分辨率。</p><p><b>　　圖1</b></p>

98、<p>　　2.5 服務(wù)器的選型及其相關(guān)配置</p><p>　　本系統(tǒng)配置的服務(wù)器用于對不同終端控制器的監(jiān)控，數(shù)據(jù)的采集、存儲，為遠(yuǎn)程控制設(shè)備提供服務(wù)、支持。本系統(tǒng)中涉及的參量為數(shù)據(jù)、控制命令，整體的數(shù)據(jù)量不大考慮到系統(tǒng)的成本（不用說），選用ARM-LINUX作為服務(wù)器，加上相應(yīng)的網(wǎng)路模塊、串口、Jtag口來實現(xiàn)以最小系統(tǒng)來滿足系統(tǒng)服務(wù)器的要求，服務(wù)器的主要結(jié)構(gòu)如圖2.5所示：</p>

99、<p>　　圖2.5 服務(wù)器主要結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.5.1 嵌入式系統(tǒng)的CPU</p><p>　　由水質(zhì)監(jiān)測服務(wù)器的需求分析可以知道，在系統(tǒng)工作的過程中需要進行高速的數(shù)學(xué)運算及算法處理，這對微處理器的主頻有較高的要求，可以實現(xiàn)的高速計算。同時，還要有方便的人機交互接口與可操作界面，這就要求CPU可以實現(xiàn)移植嵌入式操作系統(tǒng)，同時要實時性強，擁數(shù)據(jù)總線要盡可能的寬，可

100、以掛載較大容量的可存儲設(shè)備，還要滿足集成度高，精便、在能耗及性價比等方面有較大的優(yōu)勢。綜合這些考慮。本設(shè)計利用了三星公司的S3C2440芯片作為水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器的微處理器，S3C2440有七種工作模式，分別如表2.3所示：</p><p>　　表2.3 S3C2410ARM（S3C2440）處理器的7種工作模式（表2.3應(yīng)在表上方）</p><p>　　S3C2440是三星出的一款16/

101、32位RISC處理器，主頻為532MHz，基于ARM920T內(nèi)核的微處理器，獨立的16KB指令cache和16KB數(shù)據(jù)cache，MMU虛擬內(nèi)存管理單元，使程序運行和數(shù)據(jù)存儲更加高效，并可以支持Windows CE，Linux和ucOS-Ⅱ等多種業(yè)內(nèi)主流的操作系統(tǒng)。它的功耗低、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適合于低成本和功耗敏感的應(yīng)用。同時他還采用了一種叫作Advanced Microcontroller Bus Architecture(

102、AMBA)的新型總線結(jié)構(gòu)。S3C2440集成了下面的片上外設(shè)：</p><p>　　●1.2V內(nèi)核供電, 1.8V/2.5V/3.3V儲存器供電, 3.3V外部I/O供電，具備 </p><p>　　16KB的指令緩存和16KB的數(shù)據(jù)緩存和MMU的微處理器</p><p>　　●外部存儲控制器（SDRAM控制和片選邏輯）</p>

103、<p>　　●LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD專用</p><p>　　●4通道DMA并有外部請求引腳</p><p>　　●3通道UART（IrDA1.0, 64字節(jié)發(fā)送FIFO和64字節(jié)接收FIFO）</p><p><b>　　●2通道SPI</b></p><

104、;p>　　●1通道IIC總線接口（支持多主機）</p><p>　　●1通道IIS總線音頻編碼器接口</p><p>　　●AC’97編解碼器接口</p><p>　　●兼容SD主接口協(xié)議1.0版和MMC卡協(xié)議2.11兼容版</p><p>　　●2通道USB主機/1通道USB設(shè)備（1.1版）</p><p>　

105、　●4 通道PWM定時器和1通道內(nèi)部定時器/看門狗定時器</p><p>　　●8通道10位ADC和觸摸屏接口</p><p>　　●具有日歷功能的RTC</p><p>　　●攝像頭接口（最大支持4096×4096像素輸入；2048×2048像素輸入支持縮放）</p><p>　　●130個通用I/O口和24通

106、道外部中斷源</p><p>　　●具有普通，慢速，空閑和掉電模式</p><p>　　●具有PLL片上時鐘發(fā)生器</p><p>　　2.5.2嵌入式以太網(wǎng)接口電路</p><p>　　在嵌入式服務(wù)器的構(gòu)建中，以太網(wǎng)芯片是核心，在系統(tǒng)中選用DM9000A作為以太網(wǎng)芯片。DM9000A以太網(wǎng)芯片是Davicom公司生產(chǎn)的一款功能強大的以太網(wǎng)控

107、制器，同時該控制器集成度高完全符合成本效益，其有一個10/100M的自適應(yīng)PHY與4K DWORD值的SRAM 。此外，DM9000A控制器還提供了與介質(zhì)無關(guān)的接口，用來連接所有提供支持相應(yīng)的與介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或者其他的收發(fā)器。 該控制器支持8位，16位的接口來訪問內(nèi)部的存儲器設(shè)備，從而支持不同模型的處理器。DM9000A的物理層接口可以支持用戶使用100MBps下的5類非屏蔽雙絞線與10 MBps下的3類，4類及5

108、類非屏蔽雙絞線，這完全合乎IEEE802.3u的規(guī)格要求。此外，它具有自動協(xié)調(diào)的功能，可以自動地完成配置，從而最大限度地滿足線路的帶寬要求。同時，其還支持IEEE802.3x形式的全雙工的流量控制。這是一個是非常簡單易操作的過程，因此，用戶在移植系統(tǒng)下的端口驅(qū)動程序時非常簡易方便。</p><p>　　DM9000A的技術(shù)特點</p><p>　?、?支持與介質(zhì)無關(guān)的接口、支持4K雙字SR

109、AM</p><p>　?、?完全支持處理器讀寫內(nèi)部存儲器時的數(shù)據(jù)操作命令可以以字節(jié)/字/雙字的長度進行 </p><p>　?、?IEEE802.3x流量控制的全雙工模式</p><p>　　④ 支持背壓模式半雙工流量控制模式 </p><p>　?、?支持自動加載EEPROM里面生產(chǎn)商的ID和產(chǎn)品ID</p><