嵌入式燃气管道管理终端的设计与实现

谢 灿

(重庆电子工程职业学院，重庆 401331)

嵌入式燃气管道管理终端的设计与实现

谢 灿

(重庆电子工程职业学院，重庆401331)

为了确保可燃气体安全传输并解决管网覆盖地域广而不便于实时精确管理的问题，利用嵌入式系统、RFID、图片获取及校验和存储空间检测等技术实现一整套低电能消耗和低电磁辐射的设计。该终端能够实现人员管理、管网设备识别、故障采集、配置管理和故障隐患取证等功能。重点介绍了图片获取及校验和存储空间检测两种关键技术的算法和实现，并最终完成该终端的设计。结果证明该设计在性能方面具备较好的可靠型和精准性，因此有着良好的应用前景。

WINCE嵌入式操作系统；MMU；WININET协议；图片校验；存储空间检测

0 引言

可燃气体资源是国家重要的生产资料和战略资源，不但推动着整个国民经济的发展，还为人民群众的生产生活提供主要能源，其重要性不言而喻。燃气管网是可燃气体生产运输的重要通道，它一旦出现故障往往引起大范围火灾爆炸事故，不但造成国家财产损失，还会对周边人民群众的人身财产安全产生重大影响。

传感器技术、嵌入式技术和图像技术的发展为解决这些问题提供了可行性。它有效地融合了取证图片的获取、文件处理、实时传输和无差错控制等关键模型，保证管理信息来源的真实性、处理的合理性和传输的可靠性，为管理中心或者主管部门的科学快速决策提供依据。

1 系统架构分析

本设计采用了嵌入式系统、RFID、WININET协议、文件传输协议、存储空间检测和图片校验等软硬件技术实现整套燃气管网识别管理终端的解决方案。

燃气管网识别管理系统结构如图1所示。

图1 燃气管网识别管理系统

本系统中，管网识别管理终端(下文简称“本终端”)开机后主动向管理中心的服务器设备发起登录请求，服务器根据数据库SQL系统存放的巡查人员注册信息验证终端的请求合法性，并允许后续的服务请求。

获得管理中心授权的本终端可以通过RFID射频识别完成燃气管网设备的注册信息查询记录工作，方便巡查人员进行管网设备身份识别；利用终端提供的软件实现隐患故障信息登录。如果隐患故障的复杂度使得巡查人员无法进行现场定位和解决，则可以利用本终端的图片获取功能完成图片资料采集以便后续远程分析。

2 方案设计

2.1 核心处理单元

本终端采用了基于ARM920T的S3C2440微处理器作为控制单元[1]，如图2所示，其具有很低的功耗水平。

图2 燃气管网识别管理终端核心处理单元

利用全性能的内存管理单元(MMU)支持文件系统从而保证该平台支持操作系统的运行，因此本终端的核心处理单元相对于传统平台在功能和性能上都有了较大的提升。

2.2 RFID单元

为了降低电能消耗，本终端采用了125 kHz低功耗RFID射频单元[2]，它主要包括三个模块，如图3所示。

(1)标签(即射频卡)[3]：由耦合元器件及E2PROM存储芯片组成，内含天线，用于和射频天线间进行通信。

(2)阅读器：负责完成读取存储在射频卡中的编码信息。

(3)天线：在标签和阅读器[4]之间传输射频信号，阅读器通过UART接口与S3C2440连接，为软件编解码处理提供通道。

图3 RFID识别技术

利用RFID技术解决燃气管网身份验证工作，弥补了传统人工识别方式低效和准确性差等不足。

2.3 图片获取及校验算法设计

2.3.1设计描述

图片资料是本终端采集的重要信息，不但可以直观、更准确地描述燃气管网故障和隐患点，而且还可以辅助巡查人员和管理中心人员处理现场突发意外情况，因此设计有效和准确的图片获取功能是本终端的关键技术之一。

图片获取及校验算法架构如图4所示。图片获取及校验算法是基于嵌入式摄像机硬件和微软WINCE操作系统实现的。三星的S3C2440处理器通过USB接口与摄像机进行物理连接。图片获取、图片校验和WININET协议程序均需依靠S3C2440硬件和WINCE嵌入式操作系统才能运行。

图4 图片获取及校验算法架构

2.3.2算法设计

由前面分析可知，本终端为了适应广袤地域的巡查工作，同时也考虑到燃气管网可燃易爆的特点，较长的工作时间和较低的电磁信号发射是重要的性能指标，因此必须采用GPRS这种窄带通信方式来降低电能消耗。

GPRS通信理论带宽不超过114 kb/s，也就是14.25 KB/s，而一般图片大小是远远大于这个传输带宽的。

图片获取及校验算法运行环境分析如图5所示。由图可知，单位时间内一张图片经过WINCE操作系统控制的摄像机驱动程序完成获取和编码处理速度远高于GPRS通信信道14.25 KB/s的带宽，从而图片的分片在TCP/IP协议栈缓冲区造成拥塞堆积，一旦GPRS无线传输信道因误码或者其他因素无法及时将图片分片发送出去，仅依靠协议栈的缓冲区势必会引起分片的覆盖和乱序，造成对图片质量灾难性的影响。

图5 图片获取及校验算法运行环境分析

本终端键盘键值检测线程周期性检测“预览按钮”或者“图片获取按钮”被按下的事件是否发生，如果是预览按钮键值则进入视频浏览模式，方便巡查人员进行故障隐患定位并为图片获取功能提供前提条件；如果S3C2440微处理器检测到图片获取按钮键值，则可以进入故障隐患抓拍模式实现原始图片获取。

首先，S3C2440处理器将识别管理终端向服务器预先注册的终端号和当前的系统时间转换成字符流形式，并以.JPG后缀名结尾，形成终端号加系统时间的.JPG形式图片文件名。

其次，在内存中创建一片连续的空间用于存放原始图片。完成上述工作以后，WINCE嵌入式操作系统调度摄像机驱动线程获取图片流，并通过图片获取线程将原始图片流存入前述.JPG文件中。线程切换过程中利用消息队列机制实现共享缓冲区的保护。经过存储空间检测后可以激活WININET协议接口，如果失败则通过人机交互通知巡查人员网络连接失败，请他们检查GPRS物理连接和PPPoE拨号；如果激活网络成功，则本终端利用存储的服务器IP地址、端口号和用户注册等信息通过互联网向服务器发起“三次握手”[5]连接请求，成功后获取服务器的当前工作路径，若失败则提示巡查人员连接失败，并主动关闭服务器连接和网络连接。

再次，利用GPRS网络和传输函数算法将图片上传至服务器。此时分别将本终端的图片和服务器上的图片副本以二进制流的数据结构暂存于内存中，图片校验线程则启动对二者的每个字节内容和流长度的深度比较。

最后，如果图片校验线程验证图片内容和流长度均正确无误，则软件算法关闭服务器连接和网络连接，等待下一次算法处理，从而关闭S3C2440处理器的冗余指令处理过程，释放网络连接和服务器连接，达到降低运算和存储资源消耗及电能消耗的目的。如果图片校验失败则通过人机交互通知巡查人员网络故障，改用USB接口上传图片并关闭服务器连接和网络连接，完成算法处理。

图片获取及校验算法流程如图6所示。

2.4 存储空间检测算法设计

2.4.1设计描述

本终端配置了大容量的Flash闪存储器用于存放系统各功能模块产生的字符、文字以及图片信息。随着采集的综合信息数量增加，会逐步耗尽闪存的空间，最新采集的信息由于缺乏足够的存储空间存放而造成丢失，因此须设计一种策略来保证这些信息准确无误地提交给服务器。

2.4.2算法设计

存储空间检测算法设计如图7所示。系统开始工作后，首先软件通过WINCE嵌入式操作系统创建专门的检测线程，该线程为检测算法运行提供堆栈、共享内存和现场保护等资源，如果创建失败，则提示巡查人员终端软件资源告警；如果创建成功，则利用获取空闲容量函数周期性检查剩余的闪存储器容量值。算法设定阈值为1 MB，当剩余容量小于1 MB的时候，WINCE嵌入式操作系统利用消息机制通知巡查人员存储器即将溢出以便及时释放更多的存储空间。

图6 图片获取及校验算法流程

图7 存储空间检测算法设计

3 方案实现

目前本终端已经完成了研发，并在电子信息工程实验中心完成验证工作，测试功能包括基于RFID技术[6]的模拟管网信息识别、故障隐患的便捷采集、遗漏巡查工作查询、参数配置和故障隐患取证等功能。

识别管理终端提供输入界面如图8所示，由巡查人员填写管理中心IP地址、FTP登录和终端号等参数，并通过确定按钮完成与管理中心的无线连接，成功以后便可以进入各个子功能模块的应用，否则终端将无法正常工作。

本终端可以采集常规故障信息，还可以采集图片信息用于故障隐患的精确定位。通过获取按钮获取图片，并利用图片校验算法实现远程图片的校验，保证取证图片的精准度。

图8 识别管理终端网络参数管理

4 结论

本设计结合本行业实际问题和可燃气体资源安全传输的需要，将低功耗和低电磁辐射作为重点研究目标，既考虑处理信息的实时性、多样性和准确性，又考虑系统的稳定性和健壮性，设计并实现了嵌入式燃气管道终端系统，达到了预期效果，为地域覆盖广、地形复杂和安全要求高等行业提供了可靠的应用保证。

[1] 刘志华.基于ARM和Linux的视频图像采集系统[J].微型机与应用,2014,33(3):12-14,17.

[2] 张小红,张留洋.无源RFID自适应帧时隙防碰撞算法研究[J].电子学报,2016,44(9):2211-2218.

[3] 于银山,俞晓磊,刘佳玲，等.利用Fisher矩阵的RFID多标签最优分布检测方法[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2016,43(2):108-113.

[4] 熊雄,洪卫军,赵振涛，等.一种具有应用普适性的RFID标签天线[J].华南理工大学学报(自然科学版),2016,44(5):73-77.

[5] 李静,王素珍,贺雪飞，等.RFID技术在变电站巡检系统中的应用[J].微型机与应用,2011,30(22):90-92.

[6] 张李浩,杨斌.基于RFID技术的标签成本分摊及投资策略[J].计算机集成制造系统,2016,22(5):1329-1338.

Design and implementation of embedded gas pipeline management terminal

Xie Can

(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

In order to ensure the safety transmission and solve the problem that because of piple’s wide coverage area of combustible gas,it is not easy to realize the real-time and accurate management,we design and implementation of a low power consumption and low electromagnetic radiation based on embedded system,RFID,image acquisition and calibration and storage space detection technology are realized. The terminal can realize the function of personnel management,pipe network equipment identification,routine fault collection,configuration management and fault hidden evidence collection. This paper focuses on two kinds of key technology of the algorithm—image acquisition and calibration and storage space for detection,and finally completes the design and implementation of the terminal. The results show that it has good reliability and precision in performance,so it has good application prospects.

WINCE embedded operating system; MMU; WININET protocol; image verification; storage space detection

TP399

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.018

谢灿.嵌入式燃气管道管理终端的设计与实现J.微型机与应用，2017,36(24)：62-64，68.

2017-06-19)

谢灿(1980-)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向：通信数字信号处理、嵌入式系统和数字图像处理与模式识别。