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嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统的研究与开发 摘要 远程环境监控系统是数字环保的一个热门应用，其中环境监测数据的采集 与传输是该应用的基础。论文在对环境监控需求分析的基础上，提出了一种基 于嵌入式系统和g p r s 技术的环境监测数据采集系统。该系统以3 8 6 e x 嵌入 式处理器模块为中心，驱动g p r s 通信模块，由g p r s 无线网络连接到i m e m e t 网络，从而实现数据传输。 系统设计为四层体系结构，自底向上分别硬件层、硬件抽象层、操作系统 层、应用层。在硬件方面，主要完成了嵌入式c p u 模块的选择，r s 4 8 5 电路、 a d 采集模块、g p r s 通信模块、l c d 显示电路和电源电路的设计和实现。在 软件方面，完成了嵌入式操作系统g c o s i i 在3 8 6 e x 模块上的移植，g p r s 拨号、a d 采集、数字量采集、g p r s 数据传输、l c d 显示等应用程序的设计 与实现。 经测试与现场实用表明：系统能够完成设计目标所规定的环境监测数据的 采集，g p r s 网络可为用户提供实时、透明的远程数据传输，整个系统运行平 稳可靠。 关键词：g p r s嵌入式系统环境监测研究与开发 r e s e a r c ha n dd e s i g no fe m b e d d e dg p r se n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l i n gs y s t e mi sap o pa p p l i c a t i o ni nd i g i t a l e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n i t sb a s e do ne n v i r o n m e n tm o n i t o t i n gd a t aa c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o nw ea n a l y s e dt h er e q u i r e m e n to fe n v i r o n m e n t m o n i t o t i n ga n dp r e s e n t e da ne n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o ne m b e d d e ds y s t e ma n dg p r st e c h n o l o g y t h i ss y s t e mu s e d3 8 6 e xe m b e d d e d p r o c e s s i n gm o d u l ef o rc o r ea n dd r o v eg p r sm o d u l et oc o n n e c tg p r sn e t w o r k w i t hi n t e r n e tt or e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o n t h es y s t e mi sd e s i g n e dt of o u rl a y e r s i n c l u d i n gh a r d w a r el a y e r 、h a r d w a r e a b s t r a c t i o nl a y e r 、o p e r a t i n gs y s t e ml a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e rf r o m b o t t o mt ot o p s e p a r a t e l y i nt h ew a yo fh a r d w a r e ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sc o m p l e t e dt h es e l e c t i o no f e m b e d d e dc p um o d u l e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fr s 4 8 5c i r c u i t 、a da c q u i s i t i o n m o d u l e 、g p r sm o d u l e 、l c dc i r c u i ta n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t i nt h ew a yo f s o f t w a r e ，i th a sc o m p l e t e dt h et r a n s p l a n to fi _ t c o s i it o38 6 e xm o d u l e ，t h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no ff i v et h r e a d si n c l u d i n gg p r sd i a l u p 、a dc o l l e c t i o n 、d i g i t a ld a t a c o l l e c t i o n 、g p r sd a t at r a n s m i s s i o na n dl c dd i s p l a y a c c o r d i n gt o t h et e s ta n dp r a c t i c e ，t h es y s t e mi s a b l et oc o m p l e t et h e e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gd a t aa c q u i s i t i o nw h i c hr e g u l a t e db yt h et a r g e to fd e s i g n g p r sn e t w o r kc a np r o v i d er e a l t i m e ，l u c i da n dr e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nf o ru s e r s t h ew h o l es y s t e mr u n ss m o o t h l ya n dr e l i a b l v k e yw o r d s ：g p r s e m b e d d e ds y s t e me n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g r & d 插图清单 图2 1 环境自动监测系统结构图7 图2 2 系统逻辑结构图8 图2 3i n t e l3 8 6 e x 内部结构框图9 图2 4 嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统工作流程图1 2 图3 1 嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统硬件结构框图1 4 图3 2 嵌入式p c 模块e t r l 0 0 e 组成图。1 4 图3 3e t r l 0 0 e 引脚定义图1 8 图3 4r s 4 8 5 驱动电路图1 9 图3 5 模拟量输入插座p 1 引脚定义2 1 图3 6 开关量输入输出插座p 2 引脚定义2 2 图3 7 连接总线s l l 引脚定义2 2 图3 8a e l 0 1 与e t r l 0 0 e 连接图2 3 图3 9 模拟量输入接口电路2 3 图3 1 0 开关量输出控制图2 4 图3 1 lm c 3 5 模块硬件结构框图2 5 图3 1 2m c 3 5 串口连接图2 6 图3 1 3m c 3 5 串口电路2 6 图3 1 4i g t 引脚开机时序图2 7 图3 1 5 无v d d l p 的开机时序图2 8 图3 1 6m c 3 5 模块i g t 引脚启动电路2 8 图3 1 7m c 3 5 模块p d 引脚关机电路2 8 图3 18m c 3 5 模块指示灯接口电路2 9 图3 19s i m 卡电路连接图3 0 图3 2 0 系统供电组成31 图3 2 1 系统内部供电部分电路图3 2 图4 1g c o s i i 软件体系结构3 5 图4 2 传递参数p d a t a 的堆栈初始化结构- 3 8 图4 3 系统硬件平台4 1 图4 4g c o s i i 测试程序运行结果4 2 图4 5 系统软件工作主流程图4 4 图4 6g p r s 拨号任务流程4 5 图4 7a d 采集任务流程4 6 图4 8 数字量采集任务流程4 7 图4 9g p r s 数据传输任务流程4 8 图4 1 0l c d 显示任务流程4 9 图4 1 1 通讯数据包结构5 0 图4 1 2 请求命令5 2 图4 1 3 上传命令5 2 图4 1 4 通知命令( 1 ) 5 2 图4 1 5 通知命令( 2 ) 5 3 图5 1 测试系统原理框图5 5 图5 2 系统测试运行实物图5 5 图5 3 服务器监视登陆状态图5 6 图5 4 服务器端截图实时登陆企业数据信息5 7 图5 5 服务器端截图某企业污水排放口总体信息图5 7 图5 6 服务器端截图某企业污染物实时数据显示图5 8 图5 7 服务器端截图某企业污染物图表分析图5 8 图5 8 转发的登录数据信息5 9 表格清单 表3 1 嵌入式p c 模块常用基本i o 端口1 6 表3 2 嵌入式p c 模块中断配置1 6 表3 3 嵌入式p c 模块串口配置1 7 表3 4m c 3 5 模块串行接口定义表2 6 表3 5l e d 模式与模块工作状态对应表2 9 表3 6e t r l 0 0 e 与1 2 8 x 6 4 点阵l c d 模块的连接。3 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 金目垦王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 荠办喃 签字e t 期：胗符月 ，v， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月巴王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授她 胆工些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 芽柱轰、 签字日期：伊辟f 月妒e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 冰酊 签字日期：俨甲年y 月矿日 电话： 邮编： 致谢 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，在读研的两年半时间里， 有许多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚 挚的谢意。 首先，我要感谢我的导师吴永忠老师，正是在他的悉心指导和严格要求下， 我才得以顺利完成硕士论文。两年半以来，吴老师循循善诱的教导和不拘一 格的思路给予我无尽的启迪。他对生活的豁达态度和严谨的治学作风深 深地感染着我，让我对做人的道理有了更深刻的体会。吴老师给了我很 多锻炼的机会，为我提供了施展才华的平台。这所有的一切，使我受用 终身。在此，我要真心感谢吴老师为我所做的一切，我将永记在心。 其次，我的每一份成绩，每一次进步都与身边的其他老师及同学是 分不开的。我要感谢电子系的郭太峰老师、刘勤勤老师、徐海卫老师在 学习上对我的启迪和帮助；感谢我的师兄王佳木、师姐汪丹丹，以及实 验室的陈丹艳、范军、孟洪等同学，与他们的学术讨论使我获益匪浅。 最后，感谢我的父母家人在这二十多年来给予我的无尽关怀与支持， 是他们在背后默默的支持着我，鼓励我前进，是他们给了我所拥有的一 切。焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康是我最 大的心愿。 最后，感谢所有关心过我，帮助过我的老师和同学，祝你们健康快乐。 作者朱根茂 2 0 0 7 年1 1 月 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来，随着我国现代工业的飞速发展，环境污染问题也变的越来越严重 u j ，据环境部门监测，全国城镇每天至少有1 亿吨污水未经处理直接排入水体。 全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1 3 的水体不适于鱼类生存， 1 4 的水体不适于灌溉，9 0 的城市水域污染严重，5 0 的城镇水源不符合饮用 水标准，4 0 的水源已不能饮用1 2 j 。2 0 0 6 年，全国废水排放总量为5 3 6 8 亿吨； 废水中化学需氧量排放量1 4 2 8 2 万吨，氨氮排放量1 4 1 3 万吨【3 1 。据统计，流 经城市的河流9 0 的河段都受到比较严重的污染，全国7 5 的湖泊出现了负营 养化的问题，致使许多河段鱼虾绝迹，符合国家一级和二级水质标准的河流仅 占3 2 2 t 4 】。可见，我国环境严重恶化已是不争的事实。 我国环境问题有很多深层次的原因，其中，各级环保部门传统的监控手段 同日益发展的监察需求之间的矛盾显然是一个重要的原因。污染源的监控是环 境保护的出发点，也是环境监控的基础环节，因此，提高对污染源的监控水平 将在较大程度上提高环境监控水平。监控水平如何提高? 监控技术如何改进? 成 为环保事业的一个重要课题【5 l 。 环境监测部门作为国家环境保护系统的技术部门，是环境管理工作的重要 基础。随着市民环境意识的增强，越来越多的人开始关心所处环境质量的好坏， 要求环境保护工作透明化；上级主管部门也需要数量大、种类多、更新快的信 息。所有这一切，给环境监测部门提出了一个应引起重视的问题：如何建立起 实用性强、覆盖面广、灵活性好的环保信息采集系统，满足各方面对环境监测 信息的需求。因此，在现代化的环保系统中，就需要对众多的污染物排放点进 行实时监测，监测数据需要及时发送到环保部门的后台监控中心进行处理，做 到对污染源无人职守的实时在线监测。而目前许多环保监测站与各采集点之间 的数据通信主要采用手工抄录或p s t n 电话线传输。前者需要工作人员亲临现 场，操作起来极不方便，数据监测的实时性大打折扣；采用电话线传输数据时， 由于每次拨号都需要等待，速度慢，而且费用也较高，同时，由于各监控点分 布范围广、数量多、距离远，个别采集点还地处偏僻，所以需申请很多电话线， 而且有些监控点环境恶劣，有线线路难以到达。 然而嵌入式系统技术和g p r s 无线通信技术的发展，使得这种工作的进行 可以采用小尺寸的嵌入式数据采集终端来完成，很容易实现低成本、高可靠性、 高速、多通道、多点的数据采集方案。g p r s 网络资源利用率高、接入时间短、 传输速率高、永远在线的特点十分适合于环境监测领域数据量小、突发性高、 实行性要求高的数据传输特点。污染源监测设备可将采集到的污染数据通过 g p r s 网络及时发送到环保监测部门，实现对排污单位或个人的及时管理，能 大大提高环保部门的工作效率。 1 2 嵌入式系统技术 1 嵌入式系统定义 广义的说，一个嵌入式系统就是一个具有特定功能和用途的计算机软硬件 集合体。如果要给嵌入式系统一个定义，就是以应用为中心、以计算机技术为 基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。而从狭义上讲，嵌入式系统则仅仅指装入另一个设备 并且控制该设备的专用计算机系统【3 0 】。 嵌入式系统的最大特点是其目的性和专用性，即每一套嵌入式系统的开发 都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用计算机系统的最 主要区别。另外，嵌入式技术与实时性有着天然的联系。由于嵌入式系统是为 特定目的而设计的，且常常受时间、成本、存储、带宽等的限制，因此它必须 最大限度的在硬件和软件上“量身定做”以提高资源的利用率，这样的结果也 导致了实时性的增强。 2 嵌入式系统组成 嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件构架以嵌入式处理器为中心，配 置存储器、i o 设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心， 向上提供应用编程接h ( a p i ) ，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包( b s p ) 。嵌 入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。嵌 入式系统的功能软件集成于硬件系统之中，系统应用软件与硬件一体化。在嵌 入式系统的硬件设备中，嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能的好坏 直接决定整个系统的运行效果。而r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) ，是嵌入 式系统的软件开发平台，r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。 3 嵌入式系统的发展 嵌入式系统出现至今已经有3 0 多年的历史，发展过程大致经历四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统 中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。主要 特点是：结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户 接口。第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 主要特点是：系统开销小，效率高；操作系统达到一定的兼容性和扩展性；c p u 种类繁多，通用性比较弱；应用软件较专业化，用户界面不够友好。第三阶段 是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系统能运 行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且 具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形 窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序较简 单；嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。这是一 个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着 i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入 式设备与i n t e m e t 的结合将代表嵌入式系统的未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地 位，嵌入式操作系统已经从简单走向成熟，它与网络、i n t e m e t 结合日益密切， 因而，嵌入式系统应用将日益广泛【6 j 。 1 3g p r s 通信技术 1 g p r s 技术的特点 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，是在现有 的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务【7 j 。g p r s 在现有的g s m 网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以 分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，提高了现有的g s m 网的数据业务 传输速率，最高可达1 7 0 k b s 。g p r s 把分组交换技术引入现有g s m 系统，使得 移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传送 、“永远在线”、“价格实 惠 等特点。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路 交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突 发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，这一特点 正适合环境监测领域频发、少量、实时性高的数据传输的应用【8 】。 2 g p r s 技术的发展桫j 在固定电信网上，许多国家数据业务已经超过了话音业务，我国在骨干传 输网上，数据业务也已经超过了话音业务。最近几年，许多国家在g s m 网络 上短消息业务的极大成功，说明移动数据通信的市场具有极大的潜力。可以肯 定地说，正如话音经历了从第一代、第二代发展到第三代移动通信一样，总体 来说，移动数据通信的发展历程也必然会经历同样的过程。而且，随着我国电 信体制的进一步放开，电信增值业务会极大地促进移动数据业务的开展，将带 来一大批新的应用业务的开展，特别是移动电子商务的发展。g p r s 的现状已 经非常成熟，目前，全世界己有近百个运营商开通了商用系统、试商用系统或 实验系统，网络覆盖范围不断扩大。g p r s 可以利用g p r s 隧道协议( g t p ) 对 i p 分组进行封装，实现二者之间的数据传输。 3 g p r s 技术的应用 目前，g p r s 应用的行业非常广泛，主要包括： 1 ) 电力监测监控与抄表数据传输； 2 ) 远程监控和远程数据采集( 如环境保护、水文、气象、自来水、移动 基站、城市热网、城市路灯等) ； 3 ) 防空警报； 4 ) 车辆追踪和调度系统： 5 ) 其它无人职守工业遥测、遥控等。 1 4 本课题的主要工作 现阶段，g p r s 技术应用于远程数据采集与传输的方案已经出现在诸如交 通、电力等一些领域，但还没有广泛应用在环境监测领域，特别是鲜有针对环 境监测领域实情的系统。主要表现在以下几个方面：现有的系统普遍采用8 位 或1 6 位微处理器，运算速率低，软硬件资源也非常有限。另外，接口比较单一， 无法适应装有多台监测仪表的场合，一般只提供一个r s 2 3 2 接口与现场设备连 接，然而一个污染源往往有多台不同的测量装置，而且用于环境监测的仪表多 种多样，通过对几家大型国外环境监测仪表厂商( 美国哈希公司、德国e + h 公司、 日本东丽公司等) 的产品调查发现，其不同的设备提供的输出信号有4 2 0 m a 电 流信号，r s 2 3 2 信号，r s 4 8 5 信号等。 以产品研发为目的的嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统是包含了系统硬 件和系统软件集成的专用系统，需要提供丰富的模拟量和数字量接口，能同时 采集多路现场仪器信号，并进行相应的处理，最终上传至环保部门监控中心。 整个开发过程都将立足于用户需求和应用环境，系统的应用对象十分明确，具 有实际意义和应用价值。 本课题开发的嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统，是以3 8 6 e x 处理器为核 心的嵌入式p c 模块为中心，通过驱动a d 采集模块、通用串行口来采集现场监 测仪器输出的数据( 包括模拟量和数字量) ；通过驱动g p r s 通信模块，经过g p r s 无线网络连接至u i n t e m e t 网络实现无线上网，与环保部门监控中心的上位机建立 数据传输链路，将采集到的数据实时上传到监控中心，从而实现了各监测点无 人职守的远程监控。 系统软件方案可以描述为：嵌入式操作系统+ t c p i p 协议栈+ 应用程序。 该方案引入了嵌入式操作系统g c o s i i ，即在嵌入式系统上首先安装并运行操 作系统g c o s i i ，然后运行t c p i p 协议栈，从而实现嵌入式t c p i p ，使系统能 够在网络中进行数据传输。嵌入式实时操作系统g c o s i i ，能够把线程管理调 度、线程间通信、内存管理等系统功能以函数调用的方式提供给用户，使用户 能够将精力放在应用程序的开发上，其多任务调度有助于软件的模块化设计， 简化了应用软件，提高了系统可靠性，增强了软件的可扩展性。 本文主要介绍了g p r s 环境监测系统的组成；基于嵌入式p c , n p c o s i i 的 嵌入式系统的实现；深入论述了嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统的硬件和 软件设计，研究和设计了一种可靠性高、实用、具有很大发展空间的嵌入式 g p r s 环境监测数据采集系统，并己应用在环境自动监测系统中。 1 5 论文结构安排 第一章为绪论，主要介绍课题的背景，相关技术，现阶段的研究状况，以 此为基础，提出了本课题的主要研究工作。 第二章为系统总体设计部分，首先描述了环境自动监测系统的工作原理及 整体构成；然后提出了本课题的研究重点嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统 的总体设计结构，以及嵌入式处理器和嵌入式操作系统的选择；最后对系统的 工作流程做了详细介绍。 第三章为系统硬件设计部分，首先给出了系统的硬件总体设计框图；然后 详细介绍了各功能模块的设计，设计内容包括嵌入式p c 模块硬件扩展、r s 4 8 5 通信电路、a d 采集单元电路、g p r s 通信模块电路、l c d 显示接口单元、系统 供电单元等几个功能模块。 第四章为系统软件设计部分，从对系统的软件需求分析出发，首先介绍了 嵌入式实时操作系统p c o s i i 在3 8 6 e x 处理器上的移植过程，给出了移植代码 的测试结果；然后是系统应用软件的设计，包括软件的主流程，任务的划分及 各任务的具体实现；最后介绍了系统软件所遵循的通信协议。 第五章为系统测试部分，分为系统基本功能测试和系统实际运行分析，列 举了多项测试结果，证明系统实现了期望的功能，并已投入运行。 第六章为结论部分，总结了课题研究的意义及本系统的主要特点，同时， 也提出了针对本系统今后的工作中需要改进和提高的设想。 第二章g p r s 环境监测系统的原理与组成 2 1g p r s 环境监测系统原理 g p r s 环境监测系统主要由现场监测设备、数据采集设备、g p r s 模块、传 输网络( g p r s 网) 、监控中心组成。 现场监测仪器测量的监测数据通过输出口传输到数据采集传输终端，其中 央处理器对数据进行处理，按通信协议和约定打包，数据包传送至u g p r s 模块， 中央处理器发出通讯指令，g p r s 模块建立通讯连接传输数据。由于在移动公 司申请开通了a p n ，移动公司在g p r s 网关支持节点g g s n 上为监控系统专门分 配了一个域，并将系统为各终端申请的s i m 卡绑定在此域内。g p r s 模块的s i m 卡i p 地址由移动公司分配，当监控终端s i m 卡在g g s n 上登录时，g g s n 需核对 s i m 卡号码及a p n 名称( 这里使用的接入点是c m n e t ) ，正确无误后，将分配动 态私有i p 地址( 该私有i p 地址属于监控系统专用，保证数采终端的s i m 卡可在申 请通讯时随时获取i p 地址) 。根据终端请求得到的削p n ，g p r s 服务支持节点 s g s n 向移动d n s 服务器发出查询请求，找到与监控系统数据服务器连接的 g g s n ，并将监控终端通讯请求通过g t p 隧道封装送给g g s n ，数据通过系统 专用的接入路由器，经2 m 专线接入移动公司专线接入路由器，经h n e m e t 网登 录到系统内部网络数据通讯服务器( 固定私有i p 地址) ，完成监测数据传入监控 中心的过程。监控中心数据通讯服务器上安装上位机软件，数据采集传输终端 内置下位机软件，协调和执行整个数据通讯功能【l o 】【了7 1 。 2 2g p r s 环境监测系统整体构成 环境自动监测系统集先进的g p r s 无线通信技术、嵌入式计算机控制技术、 传感器技术、数据采集技术、数据库技术于一体，搭建了一种基于g p r s 网络 的环保部门远程数据采集及无线监控系统平台【l 。 系统分为后台监控中心、污染源监测点和g p r s 传输信道三部分。后台监 控中心主要由监控中心服务器、数据库服务器、打印机等设备组成；污染源监 测点主要由数据采集传输设备和在线监测设备组成。后台监控中心与各污染源 监测点之间通过g p r s 网络实现无线远程通信，实现了基于g p r s 网络的污染 源监测点远程实时监控。系统总体结构图如图2 1 所示。 2 2 1 监控中心 图2 1 环境自动监测系统结构图 监控中心主要包括计算机信息终端设备，即监控中心服务器( 一台具有固定 i p 地址的计算机) ，以及相关的软件系统。负责接收数据采集传输设备上传的 污染源实时监测数据，并完成对数据的分类、统计、运算等处理，能自动生成 各种报表，具有存储、显示、记录、打印、统计等功能。监控中心与数据采集 传输设备之间的数据交换传输协议遵循国家环境保护总局发布并于2 0 0 6 年2 月1 日开始实施的“污染源在线自动监控( 监测) 系统数据传输标准”。 2 2 2 现场监测设备 现场监测设备是安装在污染源排放口现场，用于监控、监测污染源排污状 况及完成与数据采集传输设备的数据通讯的传感器或专用仪表，包括c o d 在 线监测仪、p h 计、氨氮在线监测仪、流量计等设备。它们负责测量污染物的 排放量及其中各种污染物因子的含量，并提供有模拟量或数字量通信输出口， 用于和数据采集传输设备进行数据通讯。 广iiiii一 2 2 3 数据采集传输设备 数据采集传输设备由嵌入式计算机和g p r s 无线通信模块组成。采集各种 监测仪表的数据，以g p r s 网络作为传输信道与远程服务器建立连接，完成与 服务器的数据通信功能，进而实现监控中心对现场监测仪表测量数据的实时监 控。这也是本文重点研究的内容，即嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统的设 计与研究。 2 3 嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统总体设计 本课题设计的嵌入式g p r s 环境数据采集传输系统是整个环境自动监控系 统的一部分，即如图2 1 中虚线框中的内容。其功能主要是通过驱动g p r s 无 线通信模块使终端拨号登陆到i n t e m e t 网络，建立与监控中心上位机的数据传 输链路，采集现场环境监测仪表的测量数据，以g p r s 通信网络为传输信道， 将采集数据实时上传至监控中心。 2 3 1 系统总体逻辑结构 本系统采用嵌入式p c 模块+ 实时操作系统l t c o s - i i + 应用软件实现环境 监测数据的采集与远程传输，传输信道选用g p r s 网络，通过微处理器对g p r s 通信模块的控制实现与i n t e m e t 网络的连接。逻辑结构如图2 2 所示。 应用程序 嵌入式 t c p 实时操作系统 i p p p p 硬件抽象层 g p r s 扩展电路单元 d i o ，b u s 嵌入式p c 模块 模块 2 3 2 嵌入式处理器的选择 图2 2 系统逻辑结构图 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，目前据不完全统计，全世界嵌入式处 理器品种总量已超过1 5 0 0 多种，流行的体系结构有5 0 多个系列。现在几乎每个 半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部 门。在应用中，嵌入式处理器具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点。 现在比较有影响的嵌入式处理器产品主要有i n t e l 公司的3 8 6 e x 、i b m 公司的 p o w e rp c 、m i p s 公司的m i p s 、s u n 公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列【l 引。 本系统从通用性、可靠性、集成度、开发时间、应用场合等方面综合考虑， 最终选择了基于i n t e l3 8 6 e x 高性能、全静态、3 2 位处理器的嵌入式p c 模块 e t r l 0 0 e 。它是成都英创公司专为嵌入式应用设计的高性f l 皂p c 模块，自身资源 丰富，采用了与主流微型计算机一样的x 8 6 体系结构，并可以以低廉的成本进 行大规模的应用，选用了最有代表性的x 8 6c p u 作为处理器核心，与基于i n t e l 3 8 6 处理器的大型软件相兼容，x 8 6c p u 是当今欧美工业嵌入式领域使用最为 广泛的嵌入式c p u ，它具有宽温度范围、高可靠性和兼容性强的特点，广泛应 用于电力、工业自动化等对环境和稳定性要求较高的场合，十分适合于本系统 环境恶劣的污染源监测现场。而且，其设计紧凑，集成度高，可方便地嵌入设 备之中作为系统的内核模块，可选用p c 上廉价优秀的软件作为开发工具，如 b o r l a n dc c + + ，大大降低了快速应用高性能3 2 位处理器的门槛，方便系统调试。 i n t e l3 8 6 e x 的结构如图2 3 所示1 3 圳。 图2 3i n t e l3 8 6 e x 内部结构框图 作为核心的3 8 6 e x 嵌入式处理器在8 0 3 8 6 微处理器基础上，把p c 机大底板 的i o 功能尽可能集成在3 8 6 e x 上，且i o 地址兼容，从而为p c 机的嵌入式系统 提供了一条新的途径3 8 。它具有如下四个特点，使其十分适合于作嵌入式系统 开发的核心处理器。 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有很短的中断相 应时间： 2 1 具有很强的存储区保护功能，能够避免软件模块之间出现错误的交叉 功能； 3 ) 体系结构的可扩展性强，便于用户应用功能的开发； 4 13 8 6 e x 属于军用低功耗c p u ，适合于本系统中恶劣的环境监测现场， 保证了系统的稳定性。 2 3 3 嵌入式实时操作系统的选择 1 应用实时操作系统的趋势 实时操作系统是事件驱动( e v e n t 的时间范围内做出响应。它强调的是实时性、可靠性和灵活性，与实时应用软 件相结合成有机的整体，并由它来管理和协调各项工作，为应用软件提供良好 的运行环境及开发环境【l 引。而嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中也越 来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得更为重要。 首先，嵌入式实是操作系统提高了系统的可靠性。长期以来，前后台系统 软件设计在遇到强干扰时，运行的程序产生异常、出错、跑飞甚至死循环，造 成系统崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中 的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下， 这个系统监视进程用来监视各进程运行情况，遇到异常情况时采取一些有利于 系统稳定可靠的措施。 其次，提到了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下， 开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分 解为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其它模块。 再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 比8 、1 6 位c p u 快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的， 特别适于运行多任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的 设计，使系统不容易崩溃【3 3 。 目前常见的嵌入式实时操作系统有如下几种 2 4 1 ： 1 ) 嵌入式l i n u x g c l i n u x 是一个代码完全开放的操作系统，即“微控制领域中的l i n u x 系统 。 g c l i n u x 保留了l i n u x 的大多数优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、 对各种文件系统完备的支持，以及标准丰富的a p i 等。但其配置复杂，占用空 间相对较大，实时性能一般，针对不同处理器的移植相对复杂。 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式 实时操作系统( r t o s ) ，以其良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用 户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域占有一席之地。并以其良好的可靠性 和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空航天等高尖技术及实时性要 求极高的领域中。v x w o r k s 具有：可靠性高、实时性好、可裁减性等特点。然 而，其源码不公开，使用费用过高，不适合做一般的嵌入式开发。 3 1 g c o s i i t c o s i i 是一个公开源码的实时操作系统内核，它提供了实时系统所需的 基本功能。而且具有占用空间小，内核执行效率高，实时性能优良等特点。但 是，g c o s i i 对于应用还是过于简单，需要根据具体应用对g c o s i i 做功能上 的扩展。 2 g c o s i i 对本课题的适用性 本课题所选用的实时操作系统为g c o s i i ，由美国人j e a nj l a b r o s s e 设计 编写，具有源码公开、强实时性、可移植性、可固化性、可裁剪性、多任务性 等特点；g c o s i i 提供信号量、互斥信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列 等很多系统服务；l t c o s i i 的每个任务都有自己单独的栈，提供中断管理功能： 自1 9 9 2 年以来，已经有数百个商业应用，g c o s i i 基于g c o s ，与g c o s 的内 核是一样的，只是提供了更多的功能，因此具有足够的稳定性和可靠性【1 4 】。 本课题选择g c o s i i 主要原因有：源代码公开，实时性和稳定性好，系统 服务应用简单。而且，在本系统的设计中，要涉及多个功能独立的任务，虽然 使用传统的前后台程序开发构架可以完成功能，但引入g c o s i i 有利于提高系 统实时性，为实现复杂功能做准备。使用g c o s i i 的弊端是产生附加的程序代 码，消耗比前后台系统大的程序存储器空间，在程序运行时也会占用r a m 空间 来保护任务状态和内核本身的变量。而本设计选用的e t r l 0 0 e 采用5 1 2 k 字节的 s r a m 作为系统的运行空间，系统缺省配置了5 1 2 kf l a s h 电子盘用于可执行 文件和数据文件的存储。运行嵌入g c o s i i 的应用程序是绰绰有余的。 2 4 嵌入式g p r s 环境监测数据采集系统工作流程 在污染源，使用各种环境在线监测仪器测量污染物的排放量以及各种污染 物因子含量，要实现这些监测数据的上传，首先要建立现场嵌入式设备与中心 上位机之间的数据通信链路。中心上位机，即监控中心服务器，是一台具有固 定i p 的计算机，因此，现场嵌入式设备首先要通过g p r s 网络建立与i n t e r a c t 网络之间的连接，进而利用t c p i p 协议和中心上位机进行数据通信。 现场嵌入式设备要连上i n t e m e t 取得g p r s 服务，首先需要通过串口建立 嵌入式设备微处理器与g p r s 无线通信模块的物理连接。硬件连接完成后，在 进行g p r s 上网操作之前，首先要对g p r s 通信模块进行一定的设置，主要包 括：设置通信波特率；设置接入网关：设置现场嵌入式设备类别；测试g p r s 服务是否开通。模块和微处理器间的通信协议是“a t 命令集”，即上述过程均 是通过“a t ”加上相应的控制命令操作来完成。具体实现过程将在本文的系统 软件设计一章中讲述。 中国移动在g p r s 网络与i n t e r a c t 网络中间建立了许多相当于i s p 的网关 支持节点( g g s n ) 以连接g p r s 网与外部的i n t e m c t 网。以上初始设置成功后， g p r s 模块可以通过a t 指令进行拨号“a t d * 9 9 * * * 1 拌，若返回c o n n e c t ， 一条物理通道，即g p r s 信道就在本系统中的g p r s 模块和i n t e m e t 之间建立 起来了，这时，数据是以p p p 帧格式进行传输，g p r s 模块也应该以p p p 帧格 式进行回答。 物理层建立之后，就进入p p p 协商阶段( 包括l c p 、p a p 、i p c p 协商) ，协 商成功后，现场嵌入式设备将通过g p r s 网关支持节点g