有限空间内4G监测分站设计与研究

陈旭

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽淮南，232001）

0 引言

有限空间广泛存在于工贸行业与城市市政工作中，在冶金、化工、机械、城市地下空间等领域较为普遍。有限空间环境出入口狭窄、通风情况差，容易造成毒害物质积聚，对有限空间环境内作业人员造成伤害。在城市管道内的有机物积聚容易产生大量可燃性气体，空间温度过高可能有燃爆风险。监测分站作为监测系统中的枢纽，需要具备大带宽、低延时、数据链路稳定等核心功能。现如今，监测系统朝着多参数多传感器方向发展，一个监测分站需要同时接入数个传感器产生的数据量十分庞大，且系统实现实时在线监测的功能的同时还需要保证数据传输的连续性。4G监测分站采用有线结合无线的通讯方式搭配无线传感器兼顾远、中、近距离通讯，模块化设计，满足各类监测系统需求。

近年来，随着通信、算法、传感器等领域的技术进步，应用于各类工程中的状态环境监测系统层出不穷，监测系统经过数十年发展已经从有线通信、监测量单一及智能化程度低的单参数监测系统转向无线化、智能化、多参数化的多参数监测系统。其中，作为传感器层与上位机联系的枢纽，监测分站在监测系统中占据重要角色。本文主要设计一款以STM32单片机为核心的多模监测分站，采用无线与有线结合的通讯方式，包括网口与4G结合的通讯方式，通过上述通讯方式采集各类传感器信号，具有采集、传输、显示、储存等功能，能够在有限空间环境内的水质监测、空气监测、工程监测等方面使用，具有较强的兼容性与适用范围。

1 有限空间监测系统

有限空间监测系统由上位机、交换机、监测分站与传感器组成如图1所示，监测分站主要从传感器采集环境参数数据并将数据通过交换机传输到上位机，同时将采集到的数据显示到监测分站的LCD屏中，完成有限空间环境参数的采集与传输。由于在线监测系统要求的数据连续性，监测分站通过利用闪存芯片将数据储存的方式以保证数据不丢失。

图1 监测系统结构图

由于有限空间内作业环境复杂，有限空间内的有线通信易受如强腐蚀性、施工环境影响导致数据丢失，且维护成本高，分站采用4G无线通信技术，无需布设通信电缆，成本大幅降低，且维护方便可随时更换位置，避免线缆损坏，极大降低了数据断联风险。搭配可携带的4G传感器，在各类管道、地下道、船舱、罐体等狭窄作业环境下由作业人员携带，通过监测系统对作业人员周边环境的毒害气体、氧气浓度、温湿度等参数进行监测，为监控人员提供实时在线数据，保障作业人员的人身安全与身体健康，避免重大事故的发生同时降低有限空间行业从业人员的职业病风险。

2 监测分站硬件设计

如图2所示，监测分站主要由主控芯片模块、数据储存模块、4G模块、串口转TCP/IP模块、光电转换模块、电源模块、显示模块、按键输入模块组成。主控芯片采用意法半导体公司的STM32F103RCT6，控制其他各模块的工作。储存模块通过一路SPI总线与分站通过4G模块采集接收传感器模块的监测数据，接着数据被转存在数据储存模块中，再经由串口转TCP/IP模块发送至交换机中，光电转换模块支持分站与交换机之间远距离传输信息，上位机通过实时监听收集整理分站数据。

图2 监测分站硬件框图

2.1 主控模块

主控模块采用STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片成本低廉、可用资源多、具备高性能处理能力，搭配嵌入式软件开发，拓展性强。

2.2 数据储存模块

考虑到有限空间作业环境内，数据需要技术储存避免出现数据丢失的情况，如图3所示，分站采用储存容量为W25Q128芯片作为闪存芯片，该芯片理论上可进行数十万次擦写，且数据储存时间长达20年，该芯片通过SPI总线与主控芯片连接，储存空间为16M字节的数据，传输速率最大为75MHz，采用四线制接入主控芯片中，节约芯片资源，且支持JEDEC工业标准。搭配主控芯片实现储存传感器数据的功能，保障通信质量差时数据的连续性。

图3 数据储存模块

2.3 4G模块

分站采用移远公司的EC20作为4G通信模块，最大下行速率与最大上行速率均满足系统要求，且能够向下兼容3G网络，集成多个工业标准接口，满足系统对于数据速率和可靠性的要求。4G模块通过USRT1串口与主控芯片连接完成数据收发实现AT指令的传输。

2.4 串口转TCP/IP模块

如图4所示，主控模块通过串口从4G模块中采集数据，再通过串口转TCP/IP模块将串口ttl数据转换成网络数据，模块采用MJ-SOC01Tiny芯片设计串口转TCP/IP模块，该芯片采用ARM内核，具有工业级温度范围，支持网线直连自适应，能够自动获取IP，在工业应用中具有适配性、可靠性，开发难度较低。

图4 串口转TCP/IP模块

2.5 光电转换模块

由于网络电信号有效传输距离只有100m，在诸如隧道、煤矿、船舶等特殊有限空间工作环境中无法满足长距离传输，采用光电转换模块将电信号转成光信号，光信号的传输距离不仅远远大于电信号，且实际布设时可采用多芯光缆，最大限度地节省布设线材时的成本。

2.6 电源模块

采用工业级127V/12V本安型稳压电源将交流电转换成直流12V为分站供电，利用ASM1117-5、ASM1117-3.3等电源转换芯片将12V电压降压至5V、3.3V，4G通信模块、光电转换模块采用5V供电，其他模块均采用3.3V供电。通过加装UPS备用不间断电源模块保证短时间断电情况下能够维持系统运行，避免因施工等不可控因素导致的停电影响监测系统采集的数据连续性。

2.7 显示模块

采用以ILI9486为控制芯片的TFT-LCD显示屏模块，通过SPI接口与主控芯片相连接，能够显示接入分站的传感器数据并支持用户查询，能够为用户提供各传感器数值、各传感器工作状态等基本信息，并对网络异常连接提供报警信息。

2.8 按键输入模块

为满足作业人员对分站工作情况的查询，设计了按键输入模块，能够对分站进行设置、查询、开关等指令操作，减少维修困难，为日常检修提供便利。

3 分站软件设计

软件通过FreeRTOS移植系统进行开发，操作系统能够通过对任务和队列的合理调度实现伪多线程作业，由于任务调度器在各个任务之间切换非常快，造成一种同一时刻有多个任务同时运行的错觉，且FreeRTOS十分小巧，可以在资源较为有限的主控芯片中运行，为后期分站软件的调试移植提供便捷。满足监测分站对于数据采集、数据显示、数据查询、数据储存、数据收发、系统自检、故障报错等功能。

3.1 分站软件需求

分站软件主要能够实现数据采集功能、数据显示功能、数据储存功能、设置查询功能、数据收发功能等。

3.1.1 数据采集功能

系统启动后，首先对分站通讯进行检测，若发现分站无法连接网络，便弹出报错窗口，提醒作业人员检查网络接线是否正常，再通过定时器对传感器数据定时采集，若有无法读取单个传感器的情况便在LCD屏幕上显示该传感器离线，提示作业人员进行检修。

3.1.2 数据显示功能

分站系统通过LCD显示函数调用分站采集的传感器数据，再将数据投放到显示屏中。

3.1.3 数据储存功能

分站将传感器数据收集完毕后，将数据写入闪存芯片同时擦除历史数据，保证闪存芯片有足够的写入空间，并保证数据能够尽可能地被保存。

3.1.4 设置查询功能

通过按键模块对分站数据进行查询，查询内容包括：传感器数据、传感器工作状态、网络连接状态、本分站地址与接入传感器设备地址。在分站布设完毕后需要设置分站地址和与之相连的传感器地址，避免因地址冲突导致监测系统无法正常工作。

3.1.5 数据收发功能

4G通信模块通过公网采集传感器数据，主控芯片通过串口读取数据，再将数据通过串口转TCP/IP模块转换成网络信号，根据交换机与分站之间的距离选用光缆或电缆。

3.2 总体设计

分站主控制器需要完成对多个传感器数据采集的功能、数据整合储存、数据传输、数据显示等多个工作任务，系统的软件设计移植了FreeRTOS，可实现分站对系统稳定性和实时性的需求，将主控模块的作业任务划分为数个独立的作业任务，由调度模块完成多线程作业任务运行调度，理由消息队列功能完成各个作业任务值检测数据传递。系统软件总体设计如图5所示。

图5 系统软件框图

3.2.1 系统初始化

首先对分站的数据信息进行初始化，包括分站地址、数据传输速率等信息，接着对主控制器的串口进行配置，对4G通信模块、串口转TCP/IP模块、调试模块等接口进行初始化，再对主控模块的各总线接口进行配置，包括储存模块、显示模块的SPI总线接口。最后从储存区读取数据传输速率并进行初始化。

3.2.2 队列设计

队列主要实现任务之间、任务与中断的消息传递，系统设计了三个消息队列，用以储存以下内容：消息接收队列，通信模块对队列中的消息进行采集接收；消息发送队列，TCP/IP模块将消息发送到上位机；消息储存队列，FLASH闪存模块需要将消息储存下来。

3.2.3 任务实现

根据上述分站功能需求，系统建立了以下几个主要任务：

(1)初始化任务：本任务主要实现4G通信模块、TCP/IP模块的初始化，实现分站与上位机、传感器实现数据连接，并将分站主要配置信息存入消息发送队列中等待通信模块将通信模块发送任务执行完毕，接着将自身挂起。

(2)数据发送任务：从消息发送队列中将数据读取后，根据上位机通信协议将数据整合好后进行发送。

(3)数据接收任务：主要接收传感器的数据以及上位机的消息指令，将数据解码后存入消息接收队列中，等待其他任务执行完毕。

(4)数据储存任务：从消息储存队列中读取数据将数据储存到闪存芯片中。

(5)定时器任务：通过配置TCP/IP模块定时向上位机发送心跳包保持与上位机之间的连接，并定时读取传感器数据将数据整合处理完毕后存入对应的队列中等待其他任务执行处理。

4 总结

本文针对有限空间环境，设计了以STM32F103RCT6作为核心的4G监测分站，采用无线结合有线的通讯方式改善因有限空间环境内布线困难导致的监测难度高、监测条件差，解决了信号线缆因恶劣环境导致无法通信数据断连的情况，节约了成本，提高了数据连续性，为有限空间内监测系统提供了无线监测的方案，为逼仄环境中的作业人员提供采用可续航的无线传感器搭配4G监测分站设计的监测系统，能够降低事故的发生率并保护作业人员的身体健康，在我国工贸行业中有限空间作业环境日益增长的前提条件下，4G监测分站具有较高的应用价值，为我国有限空间环境监测系统提供了解决方案。