一种环境参数远程监测系统的设计和实现

 

　　为满足国家环境质量监测现代化需求，加快发展一批具有自主创新、具有自主知识产权的环境光学监测技术和系统，用于监测城市和农村的空气质量、机动车尾气、污染源废气、水体污染、土壤污染、固体废弃物焚烧的痕量有毒物质和痕量有毒生化细菌气溶胶颗粒物。同时开展安全生产环境监测与环境事故应急监测技术（重点研究煤矿瓦斯、化工厂有毒有害物质泄露以及粉尘监测）以及环境事故预警技术。

　　由于环境监测具有监测站点分散、覆盖范围广的特点，传统的有线监测方式不能适应大范围监测的需要，特别是在不便布线的特殊场合。通用分组无线业务GPRS[2-3]（General Packet Radio Service）技术作为一种成熟的商用无线通信技术以其覆盖区域广、通信快捷、准确、费用低廉、受环境影响小等特点非常适合应用于环境监测系统，而且GPRS网络与Internet网络的连接，采用透明的TCP/IP协议进行数据传输，可以利用现有的网络资源，节约系统建设成本。

　　1 环境监测系统总体设计

　　环境监测系统[4-5]总体框图如图1所示，系统分为污染源数据采集传输仪[6]（简称传输仪）、GPRS传输网络、环保监测站三部分。传输仪工作在污染物排放现场，实现对污染物排放量的数据采集、存储，并把数据通过GPRS网络传输到环保监测站。环保监测站负责对数据进行汇总、分析、处理，形成各种报表，对不达标的污染物排放实行报警。

 

 

　　以烟气监测为例，每个现场数据采集传输过程由1个采集传输仪和1个GPRS通信模块完成，GPRS通信模块通过RS-232接口与采集传输仪相连。每个传输仪有8个模拟量输入通道与现场烟气检测传感变送器（检测SO2、NOx、CO、HCL、NH3和CO2等烟气成分）[7]相连。采集传输仪以固定时间间隔轮询采集各数据输入通道并将采集数据暂存入存储器中。传输仪在接收到监测站命令后，将所存储数据传输到监测中心。

　　2 污染源数据采集传输仪硬件设计

　　2.1 污染源数据采集传输仪硬件结构框图

　　传输仪工作在污染物排放现场，在不同的监测系统中，其监测物理量及监测规模是不同的，所以传输仪具有监测物理量及监测点数不确定、距离环保监测站远、工作过程无人值守、数据传输时间不确定的特点。因此，传输仪在硬件设计上应该遵循以下几个原则：

　　（1）数据采集传输仪采用模块化设计，单个采集模块具有多通道输入，可以针对不同的系统监测规模增减模块、组合模块；

　　（2）考虑现场接线及系统维护的方便性，采集模块采用开放的传感器硬件接口，即各传感器接口不指定连接传感器的类型，4 mA~20 mA信号输出的传感器都可以按照固定接线方式连接到任意传感器接口上。监测站根据传感器接口编号与传感器类型的对应关系实现标度变换过程；

　　（3）选用较高的模/数转换芯片，以满足不同监测物理量的数据要求；

　　（4）具有看门狗复位，以避免在无人值守工作状态下因系统死机带来的监测点遗漏问题；

　　（5）传输仪具有开关量输入、输出功能，以方便设置传输仪的工作方式，满足传输仪扩展需求。

　　传输仪硬件结构框图如图2所示，传输仪由信号输入转换、电源、显示、数据存储、时钟、数据传输等单元组成。

 

 

　　信号输入转换单元将从检测传感器输入的模拟信号转换成数字信号，具有多通道输入且有较高的A/D转换；显示单元可以显示传输仪的工作状态，便于系统的安装调试及维护；看门狗复位单元可以避免系统在无人值守工作过程中出现死机而发生监测遗漏；由于传输仪根据监测站命令上传数据，因此数据传输具有不确定性，为了让监测站更好地了解监测点物理量的变化情况，传输仪上具有存储单元和时钟单元，时钟单元产生传输仪定时采样的基准时钟以指导数据采集过程，传输仪将采集结果及相对应的采集时间一并存入存储器中，这样方便监测站查找历史数据。

　　2.2 数据采集传输仪硬件电路

　　数据采集传输仪的控制器选用32位ARM微控制器LPC2200[8],该处理器自带看门狗寄存器，在运行中如果没有周期性的重装，寄存器溢出时将产生内部复位，这样可以有效地避免系统在无人值守状态下死机或程序跑飞。A/D转换芯片为8通道输入12位MAX1270,该芯片具有110 kS/s采样率，采用ISP串行接口，操作简单方便，能满足多通道输入及采集要求。时钟产生单元采用时钟芯片SD2405AP,该芯片内置晶振、充电电池、具有标准I2C接口，可方便地挂接在LPC2200的I2C接口上。SST39VF1601为Flash存储器，存储空间为1 MB×16,系统通过轮询存储可以保存近两个月的历史数据。LPC2200自带的UART接口可以与GPRS模块连接，实现GPRS模块的配置及数据的传输。显示单元采用FM1206C,可以显示传输仪的工作状态及各采集通道当前的采集值。

　　3 环境监测系统通信协议及软件设计

　　3.1 传输仪与环保监测站之间的通信协议

　　传输仪与监测站之间通信采用TCP/IP协议，传输仪与监测站之间建立通信连接后，通信过程由监测站发起，传输仪响应监测站命令，具体步骤如下：

　　（1）监测站发送请求命令给传输仪；

　　（2）传输仪接收到请求命令后应答，监测站接收到应答后认为连接已经建立；

　　（3）传输仪执行请求操作；

　　（4）传输仪应答监测站请求执行完毕，监测站若没有接收到"执行完毕"应答，则按超时处理；

　　（5）单次通信过程结束。

　　监测站"请求命令"发出后在10 s内没有收到传输仪的应答，监测站认为请求回应超时，监测站重发请求命令，如重发3次后传输仪仍然没有收到请求回应则认为链路不可用，通信结束。监测站收到请求回应后，在10 s内没有收到返回数据或命令执行结果，则认为执行超时，命令执行失败并结束本次通信过程。

　　通信中所有的通信包[9]都由ACSII码字符组成（CRC校验码除外），通信协议数据结构如图3所示。通信包的数据段中包含了用户数据，其中的请求编号占20 B,用来标识命令请求；总包号占4 B,用于指示本次通信总共包含的包数；包号占4 B,用于指示当前数据包的包号；命令编号代表了包的类型，如请求命令类型或应答类型；指令为通信过程中传输的各种命令。

 

 

　　3.2 数据采集传输仪程序流程

　　监测系统中，数据采集一般有两种工作过程。种是传输仪模块初始化完成后，等待监测站采集命令，在接收到命令后对所需的传感器通道进行采集，并将采集结果传给监测站，该方式占用内存少，但传输实时性较低，会遗漏监测点，适用不需要连续监测、没有存储单元的采集系统；第二种方式中，传输仪模块初始化完成后，轮询采集各通道数据，并将结果保存到存储器中，在接收到监测站请求命令后，将存储器中数据读出传给监测站，该方式能够保存历史数据，具有较高的实时性，适用于具有存储单元的采集系统。本监测系统具有存储单元，采用第二种监测方式。

　　数据采集传输仪程序流程如图4所示，主程序首先完成A/D模数转换、时钟芯片、LCD显示、GPRS模块等初始化工作，其中GPRS模块初始化是保证网络连通的关键，需要配置的参数有GPRS通信模块ID号、监测站主机IP地址、掉线重拨次数、重拨时间间隔、数据监测站主机端口地址、GPRS通信模块通信端口。初始化后，传输仪每隔1 min采集各通道数据，每一通道采集5次，取平均值后与采集时间一起写入存储器中。时间及采集数据存储格式为"日期，时间，CH0数据，CH1数据，CH2数据，CH3数据，CH4数据，CH5数据，CH6数据，CH7数据",各部分共占2 B,因此1 min采集需10 B存储空间。在系统连续采集情况下，存储器能够保存2个月数据，2个月后数据轮询覆盖。

 

 

　　GPRS接收数据中断处理程序接收到监控站的请求命令后，传输仪应答请求命令，并执行命令。传输仪可以根据命令要求，调整系统当前时钟，上传系统时钟、分钟数据、小时数据、日报数据等操作。

　　3.3 监测站程序流程

　　监测站集通信技术、网络技术和数据库技术于一身，通过Internet网络与现场传输仪建立网络连接。监测站程序流程如图5所示，程序在用户完成传输仪模块信息（各模块地址）录入、采集时间点、污染物报警阈值等参数后，首先监听传输仪连接请求，在连接建立后，发送命令获取各传输仪系统时间，看是否与监测站时间一致，如不一致则发送调整时间请求命令，调整传输仪系统时间。然后，根据采集时间要求轮询向各采集仪传输仪发送"请求命令"获取各采集模块数据，监测站根据采集数据描绘监测曲线，并将数据写入数据库，对于超出阈值范围的污染物作出报警。

 

 

　　与传统的有线监测方式相比，基于GPRS网络的环境监测系统具有覆盖区域广、通信快捷、准确、费用低廉的特点。本文基于GPRS网络的环境参数远程监测系统以32位ARM7微处理器LPC2200为，采用模块化及开放连接的传感器接口设计思路，使该系统可以应用于多种环境参数监测。传输仪能够在无人值守环境下稳定、准确、可靠地将监测数据传输到监测站，且加设的时钟单元及数据存储电路，可以保存历史采集数据及采集时间，有效地解决了监测点遗漏问题。

　　随着我国经济发展，社会进步和人们环保意识的提高，环境质量的问题越来越为公众所注意。但是我国环境监测的发展还远不能满足环境监测的要求，监测仪器的质量参差不齐、功能不全。如何进一步提高监测水平，多元化监测手段，以及对环境污染状况做出科学的评价是当前环境监测工作面临的首要问题。 本文致力于GPRS的环境参数远程监测系统设计，综合运用嵌入式技术、传感器技术、自动检测技术、通信技术、网络技术和微型计算机技术，实现对多种环境参数的低成本分布式监测管理。