摘 要： 針對實現無人值守條件下污染源排放的遠程監測，提出了基于GPRS網絡的環境參數監測系統設計方案，設計并實現了LPC2200微控制器和GPRS通信模塊為核心的數據采集傳輸儀，包括基于MAX1270的模/數轉換電路、SD2405AP的時鐘電路、SST39VF1601的數據存儲電路等。根據通信的需要，設計并實現了傳輸儀與監測站之間的通信協議。經過實測，傳輸儀能夠將現場采集到的監測數據準確、可靠地傳輸到監測站，并有效解決了監測點遺漏問題。
關鍵詞： 監測系統；環境保護；GPRS模塊；LPC2200；通信協議
社會經濟發展的同時也影響著環境，環境保護已成為維持經濟可持續發展的關鍵。為此，環保部門需要對各生產企業眾多污染排放點進行監測[1]，監測數據需要發送到監測中心，經分析、處理后形成各種報表，作為衡量污染物排放是否達標的重要依據。
由于環境監測具有監測站點分散、覆蓋范圍廣的特點，傳統的有線監測方式不能適應大范圍監測的需要，特別是在不便布線的特殊場合。通用分組無線業務GPRS[2-3](General Packet Radio Service)技術作為一種成熟的商用無線通信技術以其覆蓋區域廣、通信快捷、準確、費用低廉、受環境影響小等特點非常適合應用于環境監測系統，而且GPRS網絡與Internet網絡的連接，采用透明的TCP/IP協議進行數據傳輸，可以利用現有的網絡資源，節約系統建設成本。
1 環境監測系統總體設計
環境監測系統[4-5]總體框圖如圖1所示，系統分為污染源數據采集傳輸儀[6](簡稱傳輸儀)、GPRS傳輸網絡、環保監測站三部分。傳輸儀工作在污染物排放現場，實現對污染物排放量的數據采集、存儲，并把數據通過GPRS網絡傳輸到環保監測站。環保監測站負責對數據進行匯總、分析、處理，形成各種報表，對不達標的污染物排放實行報警。
以煙氣監測為例，每個現場數據采集傳輸過程由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據輸入通道并將采集數據暫存入存儲器中。傳輸儀在接收到監測站命令后，將所存儲數據傳輸到監測中心。
2 污染源數據采集傳輸儀硬件設計
2.1 污染源數據采集傳輸儀硬件結構框圖
傳輸儀工作在污染物排放現場，在不同的監測系統中，其監測物理量及監測規模是不同的，所以傳輸儀具有監測物理量及監測點數不確定、距離環保監測站遠、工作過程無人值守、數據傳輸時間不確定的特點。因此，傳輸儀在硬件設計上應該遵循以下幾個原則：
(1)數據采集傳輸儀采用模塊化設計，單個采集模塊具有多通道輸入，可以針對不同的系統監測規模增減模塊、組合模塊；
(2)考慮現場接線及系統維護的方便性，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。監測站根據傳感器接口編號與傳感器類型的對應關系實現標度變換過程；
(3)選用精度較高的模/數轉換芯片，以滿足不同監測物理量的數據要求；
(4)具有看門狗復位，以避免在無人值守工作狀態下因系統死機帶來的監測點遺漏問題；
(5)傳輸儀具有開關量輸入、輸出功能，以方便設置傳輸儀的工作方式，滿足傳輸儀擴展需求。
傳輸儀硬件結構框圖如圖2所示，傳輸儀由信號輸入轉換、電源、顯示、數據存儲、時鐘、數據傳輸等單元組成。
信號輸入轉換單元將從檢測傳感器輸入的模擬信號轉換成數字信號，具有多通道輸入且有較高的A/D轉換精度；顯示單元可以顯示傳輸儀的工作狀態，便于系統的安裝調試及維護；看門狗復位單元可以避免系統在無人值守工作過程中出現死機而發生監測遺漏；由于傳輸儀根據監測站命令上傳數據，因此數據傳輸具有不確定性，為了讓監測站更好地了解監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，時鐘單元產生傳輸儀定時采樣的基準時鐘以指導數據采集過程，傳輸儀將采集結果及相對應的采集時間一并存入存儲器中，這樣方便監測站查找歷史數據。
2.2 數據采集傳輸儀硬件電路
數據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，寄存器溢出時將產生內部復位，這樣可以有效地避免系統在無人值守狀態下死機或程序跑飛。A/D轉換芯片為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。時鐘產生單元采用時鐘芯片SD2405AP，該芯片內置晶振、充電電池、具有標準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，系統通過輪詢存儲可以保存近兩個月的歷史數據。LPC2200自帶的UART接口可以與GPRS模塊連接，實現GPRS模塊的配置及數據的傳輸。顯示單元采用FM1206C，可以顯示傳輸儀的工作狀態及各采集通道當前的采集值。
3 環境監測系統通信協議及軟件設計
3.1 傳輸儀與環保監測站之間的通信協議
傳輸儀與監測站之間通信采用TCP/IP協議，傳輸儀與監測站之間建立通信連接后，通信過程由監測站發起，傳輸儀響應監測站命令，具體步驟如下：
(1)監測站發送請求命令給傳輸儀；
(2)傳輸儀接收到請求命令后應答，監測站接收到應答后認為連接已經建立；
(3)傳輸儀執行請求操作；
(4)傳輸儀應答監測站請求執行完畢，監測站若沒有接收到“執行完畢”應答，則按超時處理；
(5)單次通信過程結束。
監測站“請求命令”發出后在10 s內沒有收到傳輸儀的應答，監測站認為請求回應超時，監測站重發請求命令，如重發3次后傳輸儀仍然沒有收到請求回應則認為鏈路不可用，通信結束。監測站收到請求回應后，在10 s內沒有收到返回數據或命令執行結果，則認為執行超時，命令執行失敗并結束本次通信過程。
通信中所有的通信包[9]都由ACSII碼字符組成(CRC校驗碼除外)，通信協議數據結構如圖3所示。通信包的數據段中包含了用戶數據，其中的請求編號占20 B，用來標識命令請求；總包號占4 B，用于指示本次通信總共包含的包數；包號占4 B，用于指示當前數據包的包號；命令編號代表了包的類型，如請求命令類型或應答類型；指令為通信過程中傳輸的各種命令。
3.2 數據采集傳輸儀程序流程
監測系統中，數據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，等待監測站采集命令，在接收到命令后對所需的傳感器通道進行采集，并將采集結果傳給監測站，該方式占用內存少，但傳輸實時性較低，會遺漏監測點，適用不需要連續監測、沒有存儲單元的采集系統；第二種方式中，傳輸儀模塊初始化完成后，輪詢采集各通道數據，并將結果保存到存儲器中，在接收到監測站請求命令后，將存儲器中數據讀出傳給監測站，該方式能夠保存歷史數據，具有較高的實時性，適用于具有存儲單元的采集系統。本監測系統具有存儲單元，采用第二種監測方式。
數據采集傳輸儀程序流程如圖4所示，主程序首先完成A/D模數轉換、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絡連通的關鍵，需要配置的參數有GPRS通信模塊ID號、監測站主機IP地址、掉線重撥次數、重撥時間間隔、數據監測站主機端口地址、GPRS通信模塊通信端口。初始化后，傳輸儀每隔1 min采集各通道數據，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。時間及采集數據存儲格式為“日期，時間，CH0數據，CH1數據，CH2數據，CH3數據，CH4數據，CH5數據，CH6數據，CH7數據”，各部分共占2 B，因此1 min采集需10 B存儲空間。在系統連續采集情況下，存儲器能夠保存2個月數據，2個月后數據輪詢覆蓋。
GPRS接收數據中斷處理程序接收到監控站的請求命令后，傳輸儀應答請求命令，并執行命令。傳輸儀可以根據命令要求，調整系統當前時鐘，上傳系統時鐘、分鐘數據、小時數據、日報數據等操作。
3.3 監測站程序流程
監測站集通信技術、網絡技術和數據庫技術于一身，通過Internet網絡與現場傳輸儀建立網絡連接。監測站程序流程如圖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后，首先監聽傳輸儀連接請求，在連接建立后，發送命令獲取各傳輸儀系統時間，看是否與監測站時間一致，如不一致則發送調整時間請求命令，調整傳輸儀系統時間。然后，根據采集時間要求輪詢向各采集儀傳輸儀發送“請求命令”獲取各采集模塊數據，監測站根據采集數據描繪監測曲線，并將數據寫入數據庫，對于超出閾值范圍的污染物作出報警。
與傳統的有線監測方式相比，基于GPRS網絡的環境監測系統具有覆蓋區域廣、通信快捷、準確、費用低廉的特點。本文提出的基于GPRS網絡的環境參數遠程監測系統以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計思路，使該系統可以應用于多種環境參數監測。經過實際應用，表明傳輸儀能夠在無人值守環境下穩定、準確、可靠地將監測數據傳輸到監測站，且加設的時鐘單元及數據存儲電路，可以保存歷史采集數據及采集時間，有效地解決了監測點遺漏問題。
參考文獻
[1] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.
[2] 周建國,孫全慶.基于GPRS的分布式無線工業污水排放監測系統[J].中國儀器儀表,2009(6):58-61.
[3] 王宏民.基于GPRS的煙塵排放遠程監測終端設計[J].東北林業大學學報,2008,36(6):92-93.
[4] 趙沛豐,許峰.基于GPRS的環境監測數據遠程傳送系統研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報,2006,22(5):56-59.
[5] 劉堅,陶正蘇，陳德富，等.基于GPRS的環境監測系統的設計[J].自動化儀表，2009,30(12):30-32.
[6] 張東來，田禹，常春，等. 基于單芯片的GPRS 遠程在線環境監測SCADA系統研究[J].儀器儀表學報，2004,25(4):291-293.
[7] 王福祿, 房俊龍, 張喜海.基于無線傳感器網絡技術的溫室環境監測系統研究[J].自動化技術與應用，2009,28(10):61-67.
[8] 王驥,周文靜,沈玉利.基于無線傳感器網絡的海洋環境監測系統研究[J].計算機工程與設計，2008, 29(13)：3334-3337.
[9] 李莉，李海霞，劉卉.基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統[J].農業機械學報，2009,40:228-231.
[10] 楊樹森,周小佳,閻斌. 無線傳感器網絡在環境監測中的應用[J]. 計算機技術與發展，2008,18(9):170-176.
[11] HJ 477-2009，污染源在線自動監控(監測)數據采集傳輸儀技術要求[S].
[12] HJ/T 211-2005，污染源在線自動監控(監測)系統數據傳輸標準[S].