基于GPRS通信的在線環境監測儀的研究與設計

羅旋++王茂勵++郝慧娟++郝鳳琦++李成攻

摘要：為了及時獲得環境參數動態變化信息，掌握現狀和預測發展趨勢，必須采用自動連續監測技術。本文應用ARM嵌入式系統，采用溫度、濕度、空氣等傳感器儀表采集環境參數，通過GPRS通信傳輸測量數據，設計一種在線環境監測儀。

關鍵詞：環境參數 在線監測 嵌入式 GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0146-01

1 引言

隨著我國經濟社會發展，環境的影響作用越來越突出。環境監測在環境保護、生態環境建設管理、農業生產等領域受到廣泛重視，其作用也越來越明顯。借助物聯網、信息技術的發展，環境參數監測由傳統人工定時現場采集向自動在線監測信息的方式改變。環境參數在線監測，即是在監測區域合適的點位上安裝各種監測儀器儀表和數據采集傳輸儀，通過各種通訊信道與環境監控中心的通信服務器相連，實現在線實時通訊，將傳感器感知點位的環境參數源源不斷地送到環境管理中心，并存儲在海量數據庫服務器上，以供各種環境信息化應用系統使用。對于環境參數監測工作而言，在線監測儀器儀承擔著及時準確提供監測數據的重任。

2 在線環境監測儀結構設計

在線環境監測儀的結構設計包括硬件和軟件結構設計。硬件結構主要由環境參數檢測儀器、ARM嵌入式主板、觸摸顯示屏、通訊模塊等部分組成（見圖1）。軟件結構主要由接口程序，測量數據采集程序，數據存儲程序，數據處理程序，人機交互界面，通信傳輸程序等部分組成（見圖2）。環境參數檢測儀器將測量數據信號送到處理模塊接口，處理模塊通過接口程序接收各個通道的測量數據。采集程序計算解析測量參數，并進行數字濾波后，由存儲程序保存到本地數據庫。數據處理程序調取分析存儲數據，并將結果輸出到人機交互界面。通信傳輸程序和通訊模塊與環境監測中心建立連接并交換數據。在線環境監測儀采用ARM嵌入式系統開發，模塊化設計，配置觸摸顯示屏顯示數據修改參數。

3 在線環境監測儀硬件設計

3.1 ARM嵌入式主板

在線環境監測儀主板采用基于CortexTM-A8的Samsung S5PV210處理器，具有2個RS232串口，1個RS485接口，2個可AV輸入接口，1個標準SD卡座，1塊7寸觸摸顯示屏等組件。

3.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用CMOSens數字傳感器，通過集成芯片將數據轉換為Modbus RTU通信協議輸出到標準RS485總線接口。HT3200傳感器可采集-55℃～+125℃范圍的溫度和0～100%RH的濕度測量值。

3.3 光照度傳感器

光照度傳感器利用半導體PN結光伏效應檢測光照強度。NHZD 10CI傳感器測量范圍0～200000Lux，輸出4～20mA電流信號。

3.4 二氧化碳傳感器

紅外二氧化碳傳感器是根據CO2對特定波段紅外輻射的吸收作用，使透過測量室的輻射能量減弱，通過測量CO2氣體對輻射的影響，確定CO2氣體的濃度。ESENSE-K-D傳感器測量范圍0-2000ppm，輸出4-20MA電流信號。

3.5 模擬信號采集器

模擬信號采集器通過A/D轉換電路采集4-20mA信號，再將原始值組裝為標準的Modbus RTU協議。應用模擬信號采集器，可以通過RS-485擴展采集點數和增加主板抗干擾性。

4 軟件設計開發

在線環境監測儀開發環境選擇Linux操作系統。集成開發環境選擇能跨平臺運行的Qt Creator。數據庫采用開放源碼的MySQL Sever。在PC機上搭建開發環境，按照圖2在線環境監測儀軟件結構進行程序設計開發，再移植到監測儀主板上。接口程序設計有標準的Modbus RTU 協議，與帶有此協議的儀器通訊。監測儀與GPRS模塊的通信是透明傳輸，數據格式按照環境監控中心的協議要求設計。采樣頻率根據實際檢測要求設置。

5 GPRS通信實現

在線監測儀通過GPRS DTU模塊與環境監測中心傳輸數據。GPRS DTU接入GSM網絡，在GPRS PPP撥號成功后，通過設置的數據中心IP地址等參數，主動向數據中心發起TCP或UDP通信請求。在得到響應建立通信連接后，即可進行數據雙向通信。DTU接收到在線監測儀的串口數據，就立即把數據封裝在一個TCP/UDP包里，發送給數據中心。反之，當DTU收到數據中心發來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發送給在線監測儀。這樣在線監測儀的數據就可以實時連續的傳輸給環境監測數據中心。

6 結語

在線環境監測儀采用開放式、模塊化的硬件結構，可以根據檢測儀器輸出的信號類型，選擇擴展與之匹配的接口電路，實現多種參數信息采集，通過GPRS通信模塊實時連續向環境監控中心傳輸數據。為環境在線監測系統提供了設備保障，為環境管理用戶及時、準確的監測環境參數現狀及發展趨勢，管理規劃環境提供數據依據。

參考文獻

[1]楊恒.最新物聯網實用開發技術[M].清華大學出版社，2012，1.

[2]王凱雄.環境監測 [M].化學工業出版社，2011，7.

[3]藍箭.基于嵌入式的水資源監測系統[J].微計算機信息，2008年28期.endprint

摘要：為了及時獲得環境參數動態變化信息，掌握現狀和預測發展趨勢，必須采用自動連續監測技術。本文應用ARM嵌入式系統，采用溫度、濕度、空氣等傳感器儀表采集環境參數，通過GPRS通信傳輸測量數據，設計一種在線環境監測儀。

關鍵詞：環境參數 在線監測 嵌入式 GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0146-01

1 引言

隨著我國經濟社會發展，環境的影響作用越來越突出。環境監測在環境保護、生態環境建設管理、農業生產等領域受到廣泛重視，其作用也越來越明顯。借助物聯網、信息技術的發展，環境參數監測由傳統人工定時現場采集向自動在線監測信息的方式改變。環境參數在線監測，即是在監測區域合適的點位上安裝各種監測儀器儀表和數據采集傳輸儀，通過各種通訊信道與環境監控中心的通信服務器相連，實現在線實時通訊，將傳感器感知點位的環境參數源源不斷地送到環境管理中心，并存儲在海量數據庫服務器上，以供各種環境信息化應用系統使用。對于環境參數監測工作而言，在線監測儀器儀承擔著及時準確提供監測數據的重任。

2 在線環境監測儀結構設計

在線環境監測儀的結構設計包括硬件和軟件結構設計。硬件結構主要由環境參數檢測儀器、ARM嵌入式主板、觸摸顯示屏、通訊模塊等部分組成（見圖1）。軟件結構主要由接口程序，測量數據采集程序，數據存儲程序，數據處理程序，人機交互界面，通信傳輸程序等部分組成（見圖2）。環境參數檢測儀器將測量數據信號送到處理模塊接口，處理模塊通過接口程序接收各個通道的測量數據。采集程序計算解析測量參數，并進行數字濾波后，由存儲程序保存到本地數據庫。數據處理程序調取分析存儲數據，并將結果輸出到人機交互界面。通信傳輸程序和通訊模塊與環境監測中心建立連接并交換數據。在線環境監測儀采用ARM嵌入式系統開發，模塊化設計，配置觸摸顯示屏顯示數據修改參數。

3 在線環境監測儀硬件設計

3.1 ARM嵌入式主板

在線環境監測儀主板采用基于CortexTM-A8的Samsung S5PV210處理器，具有2個RS232串口，1個RS485接口，2個可AV輸入接口，1個標準SD卡座，1塊7寸觸摸顯示屏等組件。

3.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用CMOSens數字傳感器，通過集成芯片將數據轉換為Modbus RTU通信協議輸出到標準RS485總線接口。HT3200傳感器可采集-55℃～+125℃范圍的溫度和0～100%RH的濕度測量值。

3.3 光照度傳感器

光照度傳感器利用半導體PN結光伏效應檢測光照強度。NHZD 10CI傳感器測量范圍0～200000Lux，輸出4～20mA電流信號。

3.4 二氧化碳傳感器

紅外二氧化碳傳感器是根據CO2對特定波段紅外輻射的吸收作用，使透過測量室的輻射能量減弱，通過測量CO2氣體對輻射的影響，確定CO2氣體的濃度。ESENSE-K-D傳感器測量范圍0-2000ppm，輸出4-20MA電流信號。

3.5 模擬信號采集器

模擬信號采集器通過A/D轉換電路采集4-20mA信號，再將原始值組裝為標準的Modbus RTU協議。應用模擬信號采集器，可以通過RS-485擴展采集點數和增加主板抗干擾性。

4 軟件設計開發

在線環境監測儀開發環境選擇Linux操作系統。集成開發環境選擇能跨平臺運行的Qt Creator。數據庫采用開放源碼的MySQL Sever。在PC機上搭建開發環境，按照圖2在線環境監測儀軟件結構進行程序設計開發，再移植到監測儀主板上。接口程序設計有標準的Modbus RTU 協議，與帶有此協議的儀器通訊。監測儀與GPRS模塊的通信是透明傳輸，數據格式按照環境監控中心的協議要求設計。采樣頻率根據實際檢測要求設置。

5 GPRS通信實現

在線監測儀通過GPRS DTU模塊與環境監測中心傳輸數據。GPRS DTU接入GSM網絡，在GPRS PPP撥號成功后，通過設置的數據中心IP地址等參數，主動向數據中心發起TCP或UDP通信請求。在得到響應建立通信連接后，即可進行數據雙向通信。DTU接收到在線監測儀的串口數據，就立即把數據封裝在一個TCP/UDP包里，發送給數據中心。反之，當DTU收到數據中心發來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發送給在線監測儀。這樣在線監測儀的數據就可以實時連續的傳輸給環境監測數據中心。

6 結語

在線環境監測儀采用開放式、模塊化的硬件結構，可以根據檢測儀器輸出的信號類型，選擇擴展與之匹配的接口電路，實現多種參數信息采集，通過GPRS通信模塊實時連續向環境監控中心傳輸數據。為環境在線監測系統提供了設備保障，為環境管理用戶及時、準確的監測環境參數現狀及發展趨勢，管理規劃環境提供數據依據。

參考文獻

[1]楊恒.最新物聯網實用開發技術[M].清華大學出版社，2012，1.

[2]王凱雄.環境監測 [M].化學工業出版社，2011，7.

[3]藍箭.基于嵌入式的水資源監測系統[J].微計算機信息，2008年28期.endprint

摘要：為了及時獲得環境參數動態變化信息，掌握現狀和預測發展趨勢，必須采用自動連續監測技術。本文應用ARM嵌入式系統，采用溫度、濕度、空氣等傳感器儀表采集環境參數，通過GPRS通信傳輸測量數據，設計一種在線環境監測儀。

關鍵詞：環境參數 在線監測 嵌入式 GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0146-01

1 引言

隨著我國經濟社會發展，環境的影響作用越來越突出。環境監測在環境保護、生態環境建設管理、農業生產等領域受到廣泛重視，其作用也越來越明顯。借助物聯網、信息技術的發展，環境參數監測由傳統人工定時現場采集向自動在線監測信息的方式改變。環境參數在線監測，即是在監測區域合適的點位上安裝各種監測儀器儀表和數據采集傳輸儀，通過各種通訊信道與環境監控中心的通信服務器相連，實現在線實時通訊，將傳感器感知點位的環境參數源源不斷地送到環境管理中心，并存儲在海量數據庫服務器上，以供各種環境信息化應用系統使用。對于環境參數監測工作而言，在線監測儀器儀承擔著及時準確提供監測數據的重任。

2 在線環境監測儀結構設計

在線環境監測儀的結構設計包括硬件和軟件結構設計。硬件結構主要由環境參數檢測儀器、ARM嵌入式主板、觸摸顯示屏、通訊模塊等部分組成（見圖1）。軟件結構主要由接口程序，測量數據采集程序，數據存儲程序，數據處理程序，人機交互界面，通信傳輸程序等部分組成（見圖2）。環境參數檢測儀器將測量數據信號送到處理模塊接口，處理模塊通過接口程序接收各個通道的測量數據。采集程序計算解析測量參數，并進行數字濾波后，由存儲程序保存到本地數據庫。數據處理程序調取分析存儲數據，并將結果輸出到人機交互界面。通信傳輸程序和通訊模塊與環境監測中心建立連接并交換數據。在線環境監測儀采用ARM嵌入式系統開發，模塊化設計，配置觸摸顯示屏顯示數據修改參數。

3 在線環境監測儀硬件設計

3.1 ARM嵌入式主板

在線環境監測儀主板采用基于CortexTM-A8的Samsung S5PV210處理器，具有2個RS232串口，1個RS485接口，2個可AV輸入接口，1個標準SD卡座，1塊7寸觸摸顯示屏等組件。

3.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用CMOSens數字傳感器，通過集成芯片將數據轉換為Modbus RTU通信協議輸出到標準RS485總線接口。HT3200傳感器可采集-55℃～+125℃范圍的溫度和0～100%RH的濕度測量值。

3.3 光照度傳感器

光照度傳感器利用半導體PN結光伏效應檢測光照強度。NHZD 10CI傳感器測量范圍0～200000Lux，輸出4～20mA電流信號。

3.4 二氧化碳傳感器

紅外二氧化碳傳感器是根據CO2對特定波段紅外輻射的吸收作用，使透過測量室的輻射能量減弱，通過測量CO2氣體對輻射的影響，確定CO2氣體的濃度。ESENSE-K-D傳感器測量范圍0-2000ppm，輸出4-20MA電流信號。

3.5 模擬信號采集器

模擬信號采集器通過A/D轉換電路采集4-20mA信號，再將原始值組裝為標準的Modbus RTU協議。應用模擬信號采集器，可以通過RS-485擴展采集點數和增加主板抗干擾性。

4 軟件設計開發

在線環境監測儀開發環境選擇Linux操作系統。集成開發環境選擇能跨平臺運行的Qt Creator。數據庫采用開放源碼的MySQL Sever。在PC機上搭建開發環境，按照圖2在線環境監測儀軟件結構進行程序設計開發，再移植到監測儀主板上。接口程序設計有標準的Modbus RTU 協議，與帶有此協議的儀器通訊。監測儀與GPRS模塊的通信是透明傳輸，數據格式按照環境監控中心的協議要求設計。采樣頻率根據實際檢測要求設置。

5 GPRS通信實現

在線監測儀通過GPRS DTU模塊與環境監測中心傳輸數據。GPRS DTU接入GSM網絡，在GPRS PPP撥號成功后，通過設置的數據中心IP地址等參數，主動向數據中心發起TCP或UDP通信請求。在得到響應建立通信連接后，即可進行數據雙向通信。DTU接收到在線監測儀的串口數據，就立即把數據封裝在一個TCP/UDP包里，發送給數據中心。反之，當DTU收到數據中心發來的TCP/UDP包時，從中取出數據內容，立即通過串口發送給在線監測儀。這樣在線監測儀的數據就可以實時連續的傳輸給環境監測數據中心。

6 結語

在線環境監測儀采用開放式、模塊化的硬件結構，可以根據檢測儀器輸出的信號類型，選擇擴展與之匹配的接口電路，實現多種參數信息采集，通過GPRS通信模塊實時連續向環境監控中心傳輸數據。為環境在線監測系統提供了設備保障，為環境管理用戶及時、準確的監測環境參數現狀及發展趨勢，管理規劃環境提供數據依據。

參考文獻

[1]楊恒.最新物聯網實用開發技術[M].清華大學出版社，2012，1.

[2]王凱雄.環境監測 [M].化學工業出版社，2011，7.

[3]藍箭.基于嵌入式的水資源監測系統[J].微計算機信息，2008年28期.endprint