基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统

于志强，温志渝，谢瑛珂，周苏怡

(1.国家级微纳系统与新材料技术国际联合研究中心，重庆 400044;2.重庆大学，新型微纳器件与系统国家重点学科实验室，重庆 400044)

0 引言

水质检测是开展水资源环境保护与治理的基础，多参数水质检测是现代环境科学技术的重要发展方向之一［1］。多参数水质检测仪的控制系统设计是实现仪器智能化、自动化、网络化的核心技术之一。多参数水质检测仪控制系统控制仪器各个单元有序地完成指定动作，是保证仪器稳定运行和自动化测量的关键，具有重要的研究意义。

目前，多参数水质检测仪器控制系统大多基于PLC，该控制系统设计成熟、稳定性高，但是价格昂贵，若采用此系统设计水质检测仪器控制系统，会大幅提高成本，降低仪器竞争力［2］。近几年，国内一些科研单位提出了一些以单片机为核心的控制系统，例如:重庆大学微系统中心研制的第一代多参数水质检测仪，该仪器的控制系统以S3C2410为核心，并以51单片机为辅助，对仪器进行控制［3］;浙江大学研制的基于分光光度法的多参数水质监测仪，该仪器控制系统采用“工控机+单片机”的结构，以工控机为上位机对仪器进行控制［4］。这些控制系统虽然成本较低，但是，运行速度较低、平台开发周期长且调试困难、系统稳定性能欠佳、软硬件升级困难。因此，本文提出了一种基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统，该系统具有开发周期短、易升级、处理速度快、在线调试方便、运行稳定等优点，达到了实用化的要求。

1 控制系统架构

多参数水质检测仪控制系统如图1所示，系统以树莓派作为中央控制单元，完成光源控制、光谱仪控制、流路系统控制(进样控制、搅拌控制、清洗控制)等工作。控制系统里，我们使用树莓派的UART对注射泵、多位阀进行控制，使用GPIO、PWM对步进电机/直流电机蠕动泵、三通阀、光源进行控制，使用USB控制光谱仪。在仪器进行水质检测时，首先，控制步进电机蠕动泵、注射泵进行抽推，配合多位阀进行管路切换，根据顺序注射技术使待测水样、测试用试剂、蒸馏水等多种液体高精度进样到检测室［5］;然后，通过控制三通阀与直流电机蠕动泵，向检测室鼓吹空气，利用气泡对检测室中液体进行搅拌，加快其反应速度;然后打开光源，控制光谱仪采集光谱数据，并将数据传送到树莓派进行光谱分析，得到某一特定水质参数的含量;最后控制三通阀与直流电机蠕动泵排掉检测室中液体，再控制注射泵、多位阀等完成检测室的清洗工作，最终完成水质参水检测。

图1 多参数水质检测仪控制系统

多参数水质检测仪控制系统的核心为树莓派(Raspberry Pi)，是一款基于 ARM11只有银行卡大小的单板机计算机［6－8］。最新型号树莓派B型(如图2所示)，提供了主频700 MHz处理器、1080p解码器、1个以太网接口、2个USB口和1个26针外围设备接口。此外，树莓派内嵌基于Debian的Linux操作系统，有着丰富的开源软件资源，支持C、C++、Java、Python等语言，上市两年来，在嵌入式开发领域发展迅猛。相对比传统S2C24x0、S3C6410等嵌入式开发平台，其在集成度、速度、价格、开发环境、效率上有明显的优势。

图2 树莓派B版

2 控制系统架构

2.1 光源控制

多参数水质检测仪的光源为6 V/5 W的卤钨灯，在进行水质参数测试时，打开光源，其他时间光源处于关闭状态。设计光源的电源模块，如图3电路所示，该模块的核心为LM2596开关电压调节芯片，该芯片输出电压可调，并具有使能引脚(5脚)，当该引脚输入为低电平时，芯片工作，输出固定电压。

电源模块输入电压为24 V，调节电阻R1、R2的比值，可以得到卤钨灯所需的6 V电压。输出电压的计算公式为

式中VREF=1.23 V

当R2/R1=3.88时，输出电压为6 V。

LM2596芯片的使能引脚与树莓派的一个GPIO接口相连，通过该口电平控制LM2596电压调节芯片输出的开/关。一般情况下，该GPIO引脚被拉高到3.3 V，使电源模块处于未工作状态，光源关闭。需要打开光源时，控制树莓派使该GPIO口输出低电平时，使能芯片，输出6 V电压。

图3 光源电源模块

2.2 微型直流电机、三通阀、步进电机控制

多参数水质检测仪流路系统使用了4个微型直流电机、一个三通阀、1个步进电机，主要完成检测室排废、搅拌、进样、管道切换等工作，需要控制系统控制这些部件适时的开关。由于微型直流电机与三通阀都是通过控制其上电与否来控制开/关，并且，它们都是12 V供电，所以微型直流电机与三通阀采用同样的控制电路(如图4所示)，利用树莓派GPIO口控制微型直流电机与三通阀的开/关。

图4 微型直流电机与三通阀控制电路

电路中，通过光耦隔离直流电机与三通阀开关瞬间产生的干扰，再经反相施密特触发器对光耦的输出信号进行整形，最后利用达林顿管提高电路的负载能力。当树莓派的GPIO口为低电平时，光耦输出端导通，使得74HC04前级为低电平，输出高电平，控制达林顿管输出为低电平，在JP1两个引脚上，形成12 V供电电压对地回路，带动微型直流电机或三通阀工作。反之，当GPIO为高电平时，JP1两个引脚间，无导通回路，微型直流电机或三通阀停止工作。

步进电机自带驱动板，提供控制接口，驱动电平为3.3 V TTL电平，该驱动接口与树莓派直接相连，连接如图5所示，驱动板EN为使能信号，高电平有效;DIR为转动方向控制信号，高电平正转，低电平反转;STEP为转动速度和转动步数控制信号，该信号为周期的PWM信号，信号的频率控制步进电机转动速度，信号中脉冲的个数控制步进电机转动步数，信号中脉冲的占空比控制步进电机的驱动力。所以，控制步进电机，只需控制树莓派GPIO脚的输出即可。

图5 步进电机连接图

2.3 注射泵、多位阀控制

多参数水质检测仪流路系统包含注射泵、多位阀各一个，用以高精度抽样和管路切换，这两个部件均是通过串口来接收控制指令，且不能共用一个串口，但树莓派只提供了一个串口，因此，需要进行串口拓展。此外，由于树莓派串口电平为3.3 V TTL电平，而注射泵或多位阀能够识别的电平为RS232电平，因此需要进行电平转换。

注射泵与多位阀控制电路如图6所示，其中，MAX3232实现3.3 V TTL电平到RS232电平的转换;CD4052芯片实现串口拓展。CD4052芯片为二输入独立四通道数据选择器，具有二进制控制引脚S0、S1，禁止输入引脚E。AN、BN为公共通道，通过S0、S1状态，选择一组导通通道与 AN、BN相连，如表1所示。本文将1个串口拓展成2个，因此只需要1个控制引脚S0，而将S1接地，使其一直处于低电平状态。

图6 多位阀与注射泵控制电路

表1 CD4052通道选择真值表

当使用注射泵时，控制树莓派GPIO0输出高电平，使A1、B1分别与树莓派TXD、RXD接口相连，同时，通过串口发送控制指令，驱动注射泵工作;同样方法控制多位阀，区别在于此时控制树莓派GPIO0输出为低电平。

2.4 RTC实时时钟控制

树莓派不提供实时时钟，需要外接RTC实时时钟模块，其电路如图7所示。该模块使用DS3231高精度时钟芯片，该芯片能够识别树莓派3.3 V TTL电平，通过I2C接口(SCL、SDA)与树莓派通信。

图7 RTC实时时钟电路

3 控制系统软件设计

控制系统软件设计是在硬件设计的基础上实现，主要包括树莓派硬件驱动设计、控制软件设计等。其中，树莓派硬件驱动设计完成对树莓派板载GPIO、UART、I2C等资源的驱动，是实现系统控制必不可少的一环。传统的Linux驱动设计的方法为编写驱动程序对CPU的GPIO寄存器进行操作，生成驱动模块，再通过insmod命令加载该驱动模块。这种设计方法的最大缺点在于寄存器编程复杂且调试周期长。而这两年来，树莓派在嵌入式领域发展迅猛，用于树莓派平台的各种集成库层出不穷，包括 Python GPIO、wiringPi、BCM2835 C Library 等，这些集成库提供了对树莓派相关硬件资源的操作函数，支持多种编程语言，利用这些集成库进行驱动开发可以大大提高开发效率。此外，海量的开源软件为控制软件设计提供了平台，进一步提高了树莓派软件开发的效率。

本文使用wiringPi集成库控制树莓派硬件资源，通过QT开发多参数水质检测仪控制软件，并将wiringPi嵌入到控制软件里，完成控制系统软件设计。

3.1 wringPi开发

wiringPi是应用于树莓派平台的GPIO控制库函数，使用C或者C++开发，能够控制树莓派上提供的GPIO、UART、I2C、SPI等资源。wiringPi集成库封装了这些资源的控制函数，安装该集成库后，可对树莓派硬件驱动进行开发，本文使用的库函数如表2所示。

表2 wiringPi部分函数说明

通过表2中wiringPi库函数，能够控制树莓派GPIO口高低电平输出/读入、PWM信号输出、串口输出等，部分控制代码如下:

3.2 RTC实时时钟控制

使用上文RTC实时时钟模块，需要对树莓派文件系统做适当修改，首先使能I2C模块，编辑/etc/modules文件，添加以下两行内容:

然后，在树莓派终端里输入su，切换为root登录，并执行:

最后，将上面两行代码添加到/etc/rc.local文件“exit 0”行前。完成后重启树莓派，使用hwclock命令设置实时时钟。

3.3 控制软件设计

使用QT编程软件，结合多参数水质检测仪测试流程，编写带有图形用户界面的控制软件，以实现水质参数的自动化测量。控制软件采用C++语言编写，其关键在于根据水参数测试流程对wiringPi函数进行调用(工作流程如图8所示)，实现对硬件系统的智能化控制，编写的控制软件如图9所示。

图8 wiringPi函数调用流程

图9 控制软件

4 结束语

将本文设计的控制系统应用到多参数水质检测仪上，经过长时间试验测试表明:系统硬件电路实现了对光源、步进电机、注射泵、多位阀等单元的控制，工作稳定，抗干扰能力强;控制软件完成了对树莓派硬件的驱动且操作界面友好、响应速度快，结合控制系统硬件电路，实现了水质参数的自动化测量。

本文介绍了多参数水质检测仪的仪器结构，在此基础上设计了基于树莓派的多参数水质检测仪控制系统，该系统以树莓派为核心，通过GPIO、I2C、UART、USB等接口实现对仪器各部分的控制，并利用树莓派wiringPi集成库进行应用开发，编写了控制软件。该控制系统开发周期短、易升级、运行稳定，增强了仪器的自动化程度，达到了实用化的要求。

［1］魏康林.基于微型光谱仪的多参数水质检测仪关键技术研究:［学位论文］.重庆:重庆大学，2012.

［2］周小峰.基于ARM的多参数水质检测仪测控系统设计与实验:［学位论文］.重庆:重庆大学，2014.

［3］郭建.多参数水质检测仪测控系统设计与实验:［学位论文］.重庆:重庆大学，2012.

［4］吕杨华.基于分光光度计的多参数在线水质监测仪的研究与设计:［学位论文］.杭州:浙江大学，2012.

［5］WEI K L，WEN Z Y.Research advances in water quality monitoring technology based on UV-Vis spectrum analysis.Spectroscopy and Spectral Analysis，2011，31(4):1074 －1077.

［6］RICHARDSON M，WALLACE S.Getting started with raspberry Pi［S.l.］.Maker Media，2013.

［7］MEMBREY P，HOWS D.Learn raspberry Pi with linux［S.l.］.APress，2013.

［8］DUDAS R，VANDENBUSSCHE C，BARAS A，et al.Inexpensive telecytology solutions that use the Raspberry Pi and the iPhone.Journal of the American Society of Cytopathology，2014(3):49 －55.