摘 要： 針對(duì)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守條件下污染源排放的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，提出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了LPC2200微控制器和GPRS通信模塊為核心的數(shù)據(jù)采集傳輸儀,，包括基于MAX1270的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、SD2405AP的時(shí)鐘電路,、SST39VF1601的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路等,。根據(jù)通信的需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了傳輸儀與監(jiān)測(cè)站之間的通信協(xié)議,。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),，傳輸儀能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站，并有效解決了監(jiān)測(cè)點(diǎn)遺漏問(wèn)題,。
關(guān)鍵詞： 監(jiān)測(cè)系統(tǒng),；環(huán)境保護(hù)；GPRS模塊,；LPC2200,；通信協(xié)議
社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也影響著環(huán)境，環(huán)境保護(hù)已成為維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,。為此,，環(huán)保部門(mén)需要對(duì)各生產(chǎn)企業(yè)眾多污染排放點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心,，經(jīng)分析,、處理后形成各種報(bào)表，作為衡量污染物排放是否達(dá)標(biāo)的重要依據(jù),。
由于環(huán)境監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分散,、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式不能適應(yīng)大范圍監(jiān)測(cè)的需要,，特別是在不便布線的特殊場(chǎng)合,。通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS[2-3](General Packet Radio Service)技術(shù)作為一種成熟的商用無(wú)線通信技術(shù)以其覆蓋區(qū)域廣、通信快捷,、準(zhǔn)確,、費(fèi)用低廉、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)非常適合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),，而且GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接,，采用透明的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源,，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本,。
1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)分為污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀[6](簡(jiǎn)稱傳輸儀),、GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò),、環(huán)保監(jiān)測(cè)站三部分。傳輸儀工作在污染物排放現(xiàn)場(chǎng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物排放量的數(shù)據(jù)采集,、存儲(chǔ)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)江h(huán)保監(jiān)測(cè)站,。環(huán)保監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,、分析、處理,，形成各種報(bào)表,，對(duì)不達(dá)標(biāo)的污染物排放實(shí)行報(bào)警,。
以煙氣監(jiān)測(cè)為例，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸過(guò)程由1個(gè)采集傳輸儀和1個(gè)GPRS通信模塊完成,，GPRS通信模塊通過(guò)RS-232接口與采集傳輸儀相連,。每個(gè)傳輸儀有8個(gè)模擬量輸入通道與現(xiàn)場(chǎng)煙氣檢測(cè)傳感變送器(檢測(cè)SO2、NOx,、CO,、HCL、NH3和CO2等煙氣成分)[7]相連,。采集傳輸儀以固定時(shí)間間隔輪詢采集各數(shù)據(jù)輸入通道并將采集數(shù)據(jù)暫存入存儲(chǔ)器中,。傳輸儀在接收到監(jiān)測(cè)站命令后，將所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心,。
2 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件設(shè)計(jì)
2.1 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件結(jié)構(gòu)框圖
傳輸儀工作在污染物排放現(xiàn)場(chǎng),，在不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其監(jiān)測(cè)物理量及監(jiān)測(cè)規(guī)模是不同的,，所以傳輸儀具有監(jiān)測(cè)物理量及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)不確定,、距離環(huán)保監(jiān)測(cè)站遠(yuǎn)、工作過(guò)程無(wú)人值守,、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間不確定的特點(diǎn),。因此，傳輸儀在硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：
(1)數(shù)據(jù)采集傳輸儀采用模塊化設(shè)計(jì),，單個(gè)采集模塊具有多通道輸入,，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)規(guī)模增減模塊、組合模塊,；
(2)考慮現(xiàn)場(chǎng)接線及系統(tǒng)維護(hù)的方便性，采集模塊采用開(kāi)放的傳感器硬件接口,，即各傳感器接口不指定連接傳感器的類型,，4 mA～20 mA信號(hào)輸出的傳感器都可以按照固定接線方式連接到任意傳感器接口上。監(jiān)測(cè)站根據(jù)傳感器接口編號(hào)與傳感器類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換過(guò)程,；
(3)選用精度較高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,，以滿足不同監(jiān)測(cè)物理量的數(shù)據(jù)要求；
(4)具有看門(mén)狗復(fù)位,，以避免在無(wú)人值守工作狀態(tài)下因系統(tǒng)死機(jī)帶來(lái)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)遺漏問(wèn)題,；
(5)傳輸儀具有開(kāi)關(guān)量輸入、輸出功能,，以方便設(shè)置傳輸儀的工作方式,，滿足傳輸儀擴(kuò)展需求。
傳輸儀硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,，傳輸儀由信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換,、電源,、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、時(shí)鐘,、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐卧M成。
信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換單元將從檢測(cè)傳感器輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),，具有多通道輸入且有較高的A/D轉(zhuǎn)換精度,；顯示單元可以顯示傳輸儀的工作狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調(diào)試及維護(hù),；看門(mén)狗復(fù)位單元可以避免系統(tǒng)在無(wú)人值守工作過(guò)程中出現(xiàn)死機(jī)而發(fā)生監(jiān)測(cè)遺漏,；由于傳輸儀根據(jù)監(jiān)測(cè)站命令上傳數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸具有不確定性,，為了讓監(jiān)測(cè)站更好地了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)物理量的變化情況,，傳輸儀上具有存儲(chǔ)單元和時(shí)鐘單元，時(shí)鐘單元產(chǎn)生傳輸儀定時(shí)采樣的基準(zhǔn)時(shí)鐘以指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集過(guò)程,，傳輸儀將采集結(jié)果及相對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間一并存入存儲(chǔ)器中,，這樣方便監(jiān)測(cè)站查找歷史數(shù)據(jù)。
2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件電路
數(shù)據(jù)采集傳輸儀的控制器選用32位ARM微控制器LPC2200[8],，該處理器自帶看門(mén)狗寄存器,，在運(yùn)行中如果沒(méi)有周期性的重裝，寄存器溢出時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位,，這樣可以有效地避免系統(tǒng)在無(wú)人值守狀態(tài)下死機(jī)或程序跑飛,。A/D轉(zhuǎn)換芯片為8通道輸入12位精度MAX1270，該芯片具有110 kS/s采樣率,，采用ISP串行接口,，操作簡(jiǎn)單方便，能滿足多通道輸入及采集精度要求,。時(shí)鐘產(chǎn)生單元采用時(shí)鐘芯片SD2405AP,，該芯片內(nèi)置晶振、充電電池,、具有標(biāo)準(zhǔn)I2C接口,，可方便地掛接在LPC2200的I2C接口上。SST39VF1601為Flash存儲(chǔ)器,，存儲(chǔ)空間為1 MB×16,，系統(tǒng)通過(guò)輪詢存儲(chǔ)可以保存近兩個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)。LPC2200自帶的UART接口可以與GPRS模塊連接,，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊的配置及數(shù)據(jù)的傳輸,。顯示單元采用FM1206C，可以顯示傳輸儀的工作狀態(tài)及各采集通道當(dāng)前的采集值,。
3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議及軟件設(shè)計(jì)
3.1 傳輸儀與環(huán)保監(jiān)測(cè)站之間的通信協(xié)議
傳輸儀與監(jiān)測(cè)站之間通信采用TCP/IP協(xié)議,，傳輸儀與監(jiān)測(cè)站之間建立通信連接后,，通信過(guò)程由監(jiān)測(cè)站發(fā)起，傳輸儀響應(yīng)監(jiān)測(cè)站命令,，具體步驟如下：
(1)監(jiān)測(cè)站發(fā)送請(qǐng)求命令給傳輸儀,；
(2)傳輸儀接收到請(qǐng)求命令后應(yīng)答，監(jiān)測(cè)站接收到應(yīng)答后認(rèn)為連接已經(jīng)建立,；
(3)傳輸儀執(zhí)行請(qǐng)求操作,；
(4)傳輸儀應(yīng)答監(jiān)測(cè)站請(qǐng)求執(zhí)行完畢，監(jiān)測(cè)站若沒(méi)有接收到“執(zhí)行完畢”應(yīng)答,，則按超時(shí)處理,；
(5)單次通信過(guò)程結(jié)束。
監(jiān)測(cè)站“請(qǐng)求命令”發(fā)出后在10 s內(nèi)沒(méi)有收到傳輸儀的應(yīng)答,，監(jiān)測(cè)站認(rèn)為請(qǐng)求回應(yīng)超時(shí),，監(jiān)測(cè)站重發(fā)請(qǐng)求命令，如重發(fā)3次后傳輸儀仍然沒(méi)有收到請(qǐng)求回應(yīng)則認(rèn)為鏈路不可用,，通信結(jié)束,。監(jiān)測(cè)站收到請(qǐng)求回應(yīng)后，在10 s內(nèi)沒(méi)有收到返回?cái)?shù)據(jù)或命令執(zhí)行結(jié)果,，則認(rèn)為執(zhí)行超時(shí),，命令執(zhí)行失敗并結(jié)束本次通信過(guò)程。
通信中所有的通信包[9]都由ACSII碼字符組成(CRC校驗(yàn)碼除外),，通信協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。通信包的數(shù)據(jù)段中包含了用戶數(shù)據(jù)，其中的請(qǐng)求編號(hào)占20 B,，用來(lái)標(biāo)識(shí)命令請(qǐng)求,；總包號(hào)占4 B，用于指示本次通信總共包含的包數(shù),；包號(hào)占4 B,，用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的包號(hào)；命令編號(hào)代表了包的類型,，如請(qǐng)求命令類型或應(yīng)答類型；指令為通信過(guò)程中傳輸?shù)母鞣N命令,。
3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀程序流程
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,，數(shù)據(jù)采集一般有兩種工作過(guò)程。第一種是傳輸儀模塊初始化完成后,，等待監(jiān)測(cè)站采集命令,，在接收到命令后對(duì)所需的傳感器通道進(jìn)行采集，并將采集結(jié)果傳給監(jiān)測(cè)站,，該方式占用內(nèi)存少,，但傳輸實(shí)時(shí)性較低,，會(huì)遺漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)，適用不需要連續(xù)監(jiān)測(cè),、沒(méi)有存儲(chǔ)單元的采集系統(tǒng),；第二種方式中，傳輸儀模塊初始化完成后,，輪詢采集各通道數(shù)據(jù),，并將結(jié)果保存到存儲(chǔ)器中，在接收到監(jiān)測(cè)站請(qǐng)求命令后,，將存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)讀出傳給監(jiān)測(cè)站,，該方式能夠保存歷史數(shù)據(jù)，具有較高的實(shí)時(shí)性,，適用于具有存儲(chǔ)單元的采集系統(tǒng),。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有存儲(chǔ)單元，采用第二種監(jiān)測(cè)方式,。
數(shù)據(jù)采集傳輸儀程序流程如圖4所示,，主程序首先完成A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘芯片,、LCD顯示,、GPRS模塊等初始化工作，其中GPRS模塊初始化是保證網(wǎng)絡(luò)連通的關(guān)鍵,，需要配置的參數(shù)有GPRS通信模塊ID號(hào),、監(jiān)測(cè)站主機(jī)IP地址、掉線重?fù)艽螖?shù),、重?fù)軙r(shí)間間隔,、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站主機(jī)端口地址、GPRS通信模塊通信端口,。初始化后,，傳輸儀每隔1 min采集各通道數(shù)據(jù)，每一通道采集5次,，取平均值后與采集時(shí)間一起寫(xiě)入存儲(chǔ)器中,。時(shí)間及采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為“日期，時(shí)間,，CH0數(shù)據(jù),，CH1數(shù)據(jù)，CH2數(shù)據(jù),，CH3數(shù)據(jù),，CH4數(shù)據(jù)，CH5數(shù)據(jù)，CH6數(shù)據(jù),，CH7數(shù)據(jù)”,，各部分共占2 B，因此1 min采集需10 B存儲(chǔ)空間,。在系統(tǒng)連續(xù)采集情況下,，存儲(chǔ)器能夠保存2個(gè)月數(shù)據(jù)，2個(gè)月后數(shù)據(jù)輪詢覆蓋,。
GPRS接收數(shù)據(jù)中斷處理程序接收到監(jiān)控站的請(qǐng)求命令后,，傳輸儀應(yīng)答請(qǐng)求命令，并執(zhí)行命令,。傳輸儀可以根據(jù)命令要求,，調(diào)整系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)鐘，上傳系統(tǒng)時(shí)鐘,、分鐘數(shù)據(jù),、小時(shí)數(shù)據(jù)、日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)等操作,。
3.3 監(jiān)測(cè)站程序流程
監(jiān)測(cè)站集通信技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)于一身，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)傳輸儀建立網(wǎng)絡(luò)連接,。監(jiān)測(cè)站程序流程如圖5所示,，程序在用戶完成傳輸儀模塊信息(各模塊地址)錄入、采集時(shí)間點(diǎn),、污染物報(bào)警閾值等參數(shù)后,，首先監(jiān)聽(tīng)傳輸儀連接請(qǐng)求，在連接建立后,，發(fā)送命令獲取各傳輸儀系統(tǒng)時(shí)間,，看是否與監(jiān)測(cè)站時(shí)間一致，如不一致則發(fā)送調(diào)整時(shí)間請(qǐng)求命令,，調(diào)整傳輸儀系統(tǒng)時(shí)間,。然后，根據(jù)采集時(shí)間要求輪詢向各采集儀傳輸儀發(fā)送“請(qǐng)求命令”獲取各采集模塊數(shù)據(jù),，監(jiān)測(cè)站根據(jù)采集數(shù)據(jù)描繪監(jiān)測(cè)曲線,，并將數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于超出閾值范圍的污染物作出報(bào)警,。
與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式相比,，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有覆蓋區(qū)域廣、通信快捷,、準(zhǔn)確,、費(fèi)用低廉的特點(diǎn)。本文提出的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以32位ARM7微處理器LPC2200為核心,，采用模塊化及開(kāi)放連接的傳感器接口設(shè)計(jì)思路,，使該系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用,，表明傳輸儀能夠在無(wú)人值守環(huán)境下穩(wěn)定,、準(zhǔn)確、可靠地將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站,，且加設(shè)的時(shí)鐘單元及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路,，可以保存歷史采集數(shù)據(jù)及采集時(shí)間，有效地解決了監(jiān)測(cè)點(diǎn)遺漏問(wèn)題,。
參考文獻(xiàn)
[1] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程(第2版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.
[2] 周建國(guó),孫全慶.基于GPRS的分布式無(wú)線工業(yè)污水排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表,2009(6):58-61.
[3] 王宏民.基于GPRS的煙塵排放遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(6):92-93.
[4] 趙沛豐,許峰.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送系統(tǒng)研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2006,22(5):56-59.
[5] 劉堅(jiān),陶正蘇,，陳德富，等.基于GPRS的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,，2009,30(12):30-32.
[6] 張東來(lái),，田禹，常春,，等. 基于單芯片的GPRS 遠(yuǎn)程在線環(huán)境監(jiān)測(cè)SCADA系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),，2004,25(4):291-293.
[7] 王福祿, 房俊龍, 張喜海.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2009,28(10):61-67.
[8] 王驥,周文靜,沈玉利.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),，2008, 29(13)：3334-3337.
[9] 李莉,，李海霞，劉卉.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),，2009,40:228-231.
[10] 楊樹(shù)森,周小佳,閻斌. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,，2008,18(9):170-176.
[11] HJ 477-2009，污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))數(shù)據(jù)采集傳輸儀技術(shù)要求[S].
[12] HJ/T 211-2005,，污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[S].