张兆祥

摘要：为了及时发现给水管线中出现的漏损，水污染等问题，降低城市给水管线的漏损率，本文设计了一种基于ARM的给水管线数据采集系统。该系统采用Freescale i.MX6Q作为主控芯片实现了数据的采集、转换和存储；以VS2015为平台利用C#语言编写上位机软件实现数据的实时显示，便于对管线运行状态的实时监控。实验测试结果表明：该数据采集系统能够实现对给水管线中数据的实时采集，对实际工程中提高管线的给水效率具有重要意义。

关键词：Cortex-A9；数据采集；给水管线；i.MX6Q

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）04-0260-03

The Design of Data Acquisition System in Water Supply Pipeline Based on ARM

ZHANG Zhao-xiang

（Anhui JianZhu University， Hefei 230022， China）

Abstract： In order to find problems like leakage and water pollution which are commonly seen in water supply pipeline and reduce the leakage rate of urban water supply pipeline， the data acquisition system in water supply pipeline based on ARM is designed. Freescale i.MX6Q is used as main control chip to realize the acquisition， switch and storage of data in the system. C# language is used to write upper computer software to realize the real-time display of data based on VS2015 as platform in order to real-time monitor the running status of pipelines. The experiment results show that the data acquisition system can realize the real-time collection of data in water supply pipeline， which have a great significance to improve the water supply efficiency in the practical engineering.

Key words： Cortex-A9； data acquisition； water supply pipeline； i.MX6Q

1 背景

城市給水管线中经常发生漏损，爆管，二次污染等事故，造成了大量的水资源的浪费，对居民的用水安全产生了极大的危害[1-2]。然而，依靠传统的管理方式对给水管线进行监测已经远远不能满足当下社会的需要。在科学技术高速发展的今天，如何全面、有效、实时、准确地对给水管线进行全方位的数据采集，已经成为供水企业当下面临的主要问题。

在给水管线运行过程中，为了实时掌握给水管线的运行状态，通常需要对管线中压力，流量，水质（pH值、溶解氧、电导率）等参数进行监测。通过实时采集给水管线中各种参数，分析管线水压是否正常，诊断水质受污染的程度[3]。基于上述问题，本文设计了一种采用Freescale i.MX6Q作为主控芯片的给水管线数据采集系统。该系统对给水管线中传感器的数据进行采集和实时显示，以便后期数据的分析和处理，为给水管线稳定运行和居民用水安全提供了保障。

2 系统总体结构设计

本文设计的给水管线数据采集系统包括现场传感器，数据传输和上位机软件。系统总体结构框图如图1所示。在该系统结构框图中，布置在给水管线中的压力传感器，流量传感器和水质传感器将采集到的数据通过数据采集器完成存储和转换，再通过Internet发送到上位机，上位机以表格或曲线的形式显示各传感器采集的数据，采集的数据实时存储到数据库中。若水压，流量或水质发生异常时，上位机通过与之连接的GPRS模块，及时发送短信通知现场工作人员，以便及时处理。

3 硬件设计

给水管线数据采集系统中的硬件部分采用Freescale i.MX6Q为主控芯片、RTL8211E以太网芯片为通信模块、AD7266为同步采样A/D模块。系统硬件结构如图2所示。整个硬件系统共分为三个模块： 主控模块、数据采集模块和通信模块。终端的主控模块包括控制芯片电路、存储电路、电源电路以及串口和JTAG接口电路；数据采集模块包括传感器电路、RS-232接口以及12位A/D转换电路；通信模块包括以太网芯片以及外围电路，通过RJ-45端口与互联网相连，实现数据网络化。

在给水管线数据采集系统的硬件结构设计中，给水管线中水压、流量和水质（pH值、溶解氧、电导率）等传感器完成各项参数的实时采集和转换；采集的数据通过主控模块进行存储和整合；最后由通信模块将采集到的数据通过TCP服务经Internet网传输到上位机中。

3.1 主控模块

该系统主控模块中主处理器采用的是Freescale i.MX6Q新一代应用处理器[4-5]。该处理器基于ARM Cortex-A9架构，40nm工艺制程，最高运行频率可达1.2GHz，具有ARMv7TM、Neon、VFPV3和Trustzone支持。处理器内部为64/32位总线结构，32/32KB一级缓存，1M 二级缓存，最大支持4096x4096 pixels分辨率，视频编码支持MPEG-4/H.263/H.264 达到1080p@30fps ，解码MPEG2/VC1/Xvid 视频达到1080p@30fps，支持高清HDMI TV 输出。

主控模块中的线路板，板载1024M Byte 64位 DDR3 SDRAM、8G Byte eMMC Flash、5路串口，1个高速USB Host、1个高速USB OTG、IIC、SPI、两路CAN、两路SD卡、JTAG接口，完全满足给水管线数据采集系统中数据处理和网络传输的要求。目前，i.MX6Q应用广泛，硬件资源十分丰富，加之自身能提供一系列完整的外围设备，不需要另行配置额外器件，可极大降低整个数据采集系统的成本，大大缩短开发周期。

3.2 数据采集模块

该系统数据采集模块中水质传感器的型号为HLO-55-WQ-X，能够检测pH值、溶解氧、电导率等水质参数，采集的数据均为数字量。传感器通过RS-232接口直接将采集到的数据发送到主控模块。水压变送器的型号为P499ABS-401C，用于采集给水管线中的压力值；电磁流量计的型号为DWM2000，用于采集给水管线中的流量值。通过水压变送器和电磁流量计采集的数据均为模拟量，所以需要进行A/D数据转换。

多路同步采样A/D模块采用AD7266模/数转换芯片，这是一款差分/单端输入A/D转换器，为业界遥遥领先的同步采样ADC。AD7266的封装有LFCSP和TQFP两种。模块主要实现多路数据采样功能，主要用两片AD7266构成24路单端或12路差分输入，其中有四路可同时采样[7-8]。

3.3 通信模块

该系统通信模块中，通信方式主要是通过Internet传输，通信协议是TCP/IP协议。传感器将采集的数据传输到主控模块中，通过通信模块传输到上位机中，上位机将接收到的水压，流量，水质等数据实时显示。该通信模块中的收发器采用RTL8211E 作为网卡芯片，目前工作在千兆模式，网卡晶振为25M。RTL8211E/RTL8211EG是瑞昱最新推出的网络PHY芯片，支持10Base-T/100Base-TX/1000Base-T、IEEE 802.3 standards。与主芯片MAC的接口是 RGMII，支持Crossover、Detection和Auto-Correction、polarity correction、adaptive equalization、cross-talk、cancellation、echo cancellation等功能。

4 软件设计

4.1 下位机软件设计

下位机软件主要是实现与上位机的交互信息、数据采集、数据传输、报警处理等工作。数据采集系统工作时，首先通过数据采集模块完成水压、水流量、水质（pH值、溶解氧、电导率）的采集。由于数据采集既可以按照上位机发出的指令对水压、水流量、水质（pH值、溶解氧、电导率）进行单一参数的采集，也可根据预先设定的时间间隔采集给水管线中各参数，所以要提前设定采样频率。当采样频率设定好后，数据采集系统开始采集水压、水流量、水质数据，然后进行存储。下位机通过对存储的数据进行分析并加以整合成数据包，然后通过Internet发送到上位机。下位机软件程序流程图如图3所示。

4.2 上位机软件设计

上位机界面直接面向用户，是整个给水管线数据采集系统的最上层。用户通过上位机可以直观了解给水管线中水压，流量以及水质的变化情况。上位机软件以Windows 10为操作系统平台，采用C#语言在Visual Studio 2015.NET环境下编程实现，集成了大量实用的类库[6]。该系统上位机部分主要使用Serial Port控件和chart控件实现串口通信与数据的实时显示。上位机软件的功能框图如图4所示。

上位机软件主要包括如下功能模块：系统管理模块、数据显示模块、报警处理模块、历史数据记录模块。系统管理模块主要分为两个功能区域，分别用户登录和系统维护，目的是系統的日常维护和安全保障。数据显示模块主要是实时显示给水管线中压力传感器，流量传感器和水质传感器采集的数据。在VS2015中，利用chart控件以柱状图或折线图的形式表示出来，可以清晰地看到给水管线中水压，流量以及水质数据的实时变化状态。报警处理模块主要实现报警信息的实时显示和报警信息的发送。当压力，流量或水质数据发生异常时，通过与上位机连接的GPRS模块，及时发送短信通知相关工作人员，以便工作人员及时处理。同时，在消息框中记录相关报警信息。该报警处理模块是实现数据传输实现串口与互联网通过GPRS网络相互传输数据。该GPRS无线通讯模块共有四种工作模式：数据透传模式、短信透传模式、HTTPD Client 模式和AT指令模式。由于在该系统发送的数据中包括英文，中文和字母，因而在此报警处理模块中采用了AT指令模式。历史数据记录模块主要将给水管线中各传感器数据记录并存储，包括传感器节点号，压力值，流量值，水质数据，当前日期时间等。工作人员可随时查看历史数据、报警信息以及故障处理情况。

4.3 上位机界面设计与实现

给水管线数据采集系统的主界面如图5所示。在登陆界面，用户输入正确的用户名和密码即可登陆该数据采集系统。在主界面中清晰地展示了三个不同的功能模块，图表区中能够实时显示出不同传感器采集的数据，若发生数据异常，及时通过手机短信通知现场工作人员，以便及时处理。根据多次实验结果，该数据采集系统运行稳定，满足了基本的设计要求。

5 结束语

通过采集给水管线中压力，流量，水质（pH值、溶解氧、电导率）等数据，实现对给水管线运行状态的实时监测。结合给水管线的数据特征，采用Freescale i.MX6Q作为主控芯片和抗干扰设计的AD7266作为数据采集模块设计了一种抗干扰性强的给水管线数据采集系统，实现了单片机与上位机之间的通信以及数据采集、转换、实时显示、存储和绘制曲线等功能。测试结果表明，该系统的各项功能运行正常，人机界面友好，可靠性高。根据采集的数据，有效地减少了水资源的浪费，保障了居民的用水安全。然而，随着硬件性能的不断提升，方法的不断创新，整个给水管线数据采集系统的优化有待于进一步研究。

参考文献：

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[2] 王强， 赵月朝， 屈卫东， 等. 1996—2006年我国饮用水污染突发公共卫生事件分析[J]. 环境与健康杂志， 2010， 04： 328-331.

[3] By Lina Perelman， Avi Ostfeld. Operation of remote mobile sensors for security of drinking water distribution systems[J]. Water Research， 2013， 47： 4217 -4226.

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