摘 要： 針對實現(xiàn)無人值守條件下污染源排放的遠(yuǎn)程監(jiān)測，提出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，設(shè)計并實現(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的時鐘電路、SST39VF1601的數(shù)據(jù)存儲電路等。根據(jù)通信的需要，設(shè)計并實現(xiàn)了傳輸儀與監(jiān)測站之間的通信協(xié)議。經(jīng)過實測，傳輸儀能夠?qū)F(xiàn)場采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠地傳輸?shù)奖O(jiān)測站，并有效解決了監(jiān)測點遺漏問題。
關(guān)鍵詞： 監(jiān)測系統(tǒng)；環(huán)境保護(hù)；GPRS模塊；LPC2200；通信協(xié)議
社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時也影響著環(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)保部門需要對各生產(chǎn)企業(yè)眾多污染排放點進(jìn)行監(jiān)測[1]，監(jiān)測數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測中心，經(jīng)分析、處理后形成各種報表，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)測具有監(jiān)測站點分散、覆蓋范圍廣的特點，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式不能適應(yīng)大范圍監(jiān)測的需要，特別是在不便布線的特殊場合。通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS[2-3](General Packet Radio Service)技術(shù)作為一種成熟的商用無線通信技術(shù)以其覆蓋區(qū)域廣、通信快捷、準(zhǔn)確、費用低廉、受環(huán)境影響小等特點非常適合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)總體設(shè)計
環(huán)境監(jiān)測系統(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](簡稱傳輸儀)、GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)、環(huán)保監(jiān)測站三部分。傳輸儀工作在污染物排放現(xiàn)場，實現(xiàn)對污染物排放量的數(shù)據(jù)采集、存儲，并把數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)江h(huán)保監(jiān)測站。環(huán)保監(jiān)測站負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析、處理，形成各種報表，對不達(dá)標(biāo)的污染物排放實行報警。
以煙氣監(jiān)測為例，每個現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸過程由1個采集傳輸儀和1個GPRS通信模塊完成，GPRS通信模塊通過RS-232接口與采集傳輸儀相連。每個傳輸儀有8個模擬量輸入通道與現(xiàn)場煙氣檢測傳感變送器(檢測SO2、NOx、CO、HCL、NH3和CO2等煙氣成分)[7]相連。采集傳輸儀以固定時間間隔輪詢采集各數(shù)據(jù)輸入通道并將采集數(shù)據(jù)暫存入存儲器中。傳輸儀在接收到監(jiān)測站命令后，將所存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。
2 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件設(shè)計
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，在不同的監(jiān)測系統(tǒng)中，其監(jiān)測物理量及監(jiān)測規(guī)模是不同的，所以傳輸儀具有監(jiān)測物理量及監(jiān)測點數(shù)不確定、距離環(huán)保監(jiān)測站遠(yuǎn)、工作過程無人值守、數(shù)據(jù)傳輸時間不確定的特點。因此，傳輸儀在硬件設(shè)計上應(yīng)該遵循以下幾個原則：
(1)數(shù)據(jù)采集傳輸儀采用模塊化設(shè)計，單個采集模塊具有多通道輸入，可以針對不同的系統(tǒng)監(jiān)測規(guī)模增減模塊、組合模塊；
(2)考慮現(xiàn)場接線及系統(tǒng)維護(hù)的方便性，采集模塊采用開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)測站根據(jù)傳感器接口編號與傳感器類型的對應(yīng)關(guān)系實現(xiàn)標(biāo)度變換過程；
(3)選用精度較高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，以滿足不同監(jiān)測物理量的數(shù)據(jù)要求；
(4)具有看門狗復(fù)位，以避免在無人值守工作狀態(tài)下因系統(tǒng)死機(jī)帶來的監(jiān)測點遺漏問題；
(5)傳輸儀具有開關(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，傳輸儀由信號輸入轉(zhuǎn)換、電源、顯示、數(shù)據(jù)存儲、時鐘、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐卧M成。
信號輸入轉(zhuǎn)換單元將從檢測傳感器輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)；看門狗復(fù)位單元可以避免系統(tǒng)在無人值守工作過程中出現(xiàn)死機(jī)而發(fā)生監(jiān)測遺漏；由于傳輸儀根據(jù)監(jiān)測站命令上傳數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸具有不確定性，為了讓監(jiān)測站更好地了解監(jiān)測點物理量的變化情況，傳輸儀上具有存儲單元和時鐘單元，時鐘單元產(chǎn)生傳輸儀定時采樣的基準(zhǔn)時鐘以指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集過程，傳輸儀將采集結(jié)果及相對應(yīng)的采集時間一并存入存儲器中，這樣方便監(jiān)測站查找歷史數(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]，該處理器自帶看門狗寄存器，在運行中如果沒有周期性的重裝，寄存器溢出時將產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位，這樣可以有效地避免系統(tǒng)在無人值守狀態(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，操作簡單方便，能滿足多通道輸入及采集精度要求。時鐘產(chǎn)生單元采用時鐘芯片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存儲器，存儲空間為1 MB×16，系統(tǒng)通過輪詢存儲可以保存近兩個月的歷史數(shù)據(jù)。LPC2200自帶的UART接口可以與GPRS模塊連接，實現(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)測系統(tǒng)通信協(xié)議及軟件設(shè)計
3.1 傳輸儀與環(huán)保監(jiān)測站之間的通信協(xié)議
傳輸儀與監(jiān)測站之間通信采用TCP/IP協(xié)議，傳輸儀與監(jiān)測站之間建立通信連接后，通信過程由監(jiān)測站發(fā)起，傳輸儀響應(yīng)監(jiān)測站命令，具體步驟如下：
(1)監(jiān)測站發(fā)送請求命令給傳輸儀；
(2)傳輸儀接收到請求命令后應(yīng)答，監(jiān)測站接收到應(yīng)答后認(rèn)為連接已經(jīng)建立；
(3)傳輸儀執(zhí)行請求操作；
(4)傳輸儀應(yīng)答監(jiān)測站請求執(zhí)行完畢，監(jiān)測站若沒有接收到“執(zhí)行完畢”應(yīng)答，則按超時處理；
(5)單次通信過程結(jié)束。
監(jiān)測站“請求命令”發(fā)出后在10 s內(nèi)沒有收到傳輸儀的應(yīng)答，監(jiān)測站認(rèn)為請求回應(yīng)超時，監(jiān)測站重發(fā)請求命令，如重發(fā)3次后傳輸儀仍然沒有收到請求回應(yīng)則認(rèn)為鏈路不可用，通信結(jié)束。監(jiān)測站收到請求回應(yīng)后，在10 s內(nèi)沒有收到返回數(shù)據(jù)或命令執(zhí)行結(jié)果，則認(rèn)為執(zhí)行超時，命令執(zhí)行失敗并結(jié)束本次通信過程。
通信中所有的通信包[9]都由ACSII碼字符組成(CRC校驗碼除外)，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)，其中的請求編號占20 B，用來標(biāo)識命令請求；總包號占4 B，用于指示本次通信總共包含的包數(shù)；包號占4 B，用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的包號；命令編號代表了包的類型，如請求命令類型或應(yīng)答類型；指令為通信過程中傳輸?shù)母鞣N命令。
3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀程序流程
監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集一般有兩種工作過程。第一種是傳輸儀模塊初始化完成后，等待監(jiān)測站采集命令，在接收到命令后對所需的傳感器通道進(jìn)行采集，并將采集結(jié)果傳給監(jiān)測站，該方式占用內(nèi)存少，但傳輸實時性較低，會遺漏監(jiān)測點，適用不需要連續(xù)監(jiān)測、沒有存儲單元的采集系統(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)果保存到存儲器中，在接收到監(jiān)測站請求命令后，將存儲器中數(shù)據(jù)讀出傳給監(jiān)測站，該方式能夠保存歷史數(shù)據(jù)，具有較高的實時性，適用于具有存儲單元的采集系統(tǒng)。本監(jiān)測系統(tǒng)具有存儲單元，采用第二種監(jiān)測方式。
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、監(jiān)測站主機(jī)IP地址、掉線重?fù)艽螖?shù)、重?fù)軙r間間隔、數(shù)據(jù)監(jiān)測站主機(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間一起寫入存儲器中。時間及采集數(shù)據(jù)存儲格式為“日期，時間，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存儲空間。在系統(tǒng)連續(xù)采集情況下，存儲器能夠保存2個月數(shù)據(jù)，2個月后數(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)控站的請求命令后，傳輸儀應(yīng)答請求命令，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)前時鐘，上傳系統(tǒng)時鐘、分鐘數(shù)據(jù)、小時數(shù)據(jù)、日報數(shù)據(jù)等操作。
3.3 監(jiān)測站程序流程
監(jiān)測站集通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)于一身，通過Internet網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場傳輸儀建立網(wǎng)絡(luò)連接。監(jiān)測站程序流程如圖5所示，程序在用戶完成傳輸儀模塊信息(各模塊地址)錄入、采集時間點、污染物報警閾值等參數(shù)后，首先監(jiān)聽傳輸儀連接請求，在連接建立后，發(fā)送命令獲取各傳輸儀系統(tǒng)時間，看是否與監(jiān)測站時間一致，如不一致則發(fā)送調(diào)整時間請求命令，調(diào)整傳輸儀系統(tǒng)時間。然后，根據(jù)采集時間要求輪詢向各采集儀傳輸儀發(fā)送“請求命令”獲取各采集模塊數(shù)據(jù)，監(jiān)測站根據(jù)采集數(shù)據(jù)描繪監(jiān)測曲線，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，對于超出閾值范圍的污染物作出報警。
與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測方式相比，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有覆蓋區(qū)域廣、通信快捷、準(zhǔn)確、費用低廉的特點。本文提出的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)以32位ARM7微處理器LPC2200為核心，采用模塊化及開放連接的傳感器接口設(shè)計思路，使該系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。經(jīng)過實際應(yīng)用，表明傳輸儀能夠在無人值守環(huán)境下穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測站，且加設(shè)的時鐘單元及數(shù)據(jù)存儲電路，可以保存歷史采集數(shù)據(jù)及采集時間，有效地解決了監(jiān)測點遺漏問題。
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