（机械电子工程专业论文）基于gprs网络co2检测系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 现实生活中，人们越来越关心生存环境的空气质量，c 0 2 气体含量是评估空气质量 的主要指标之一。基于m c u 的c 0 2 检测仪是近几年来蓬勃发展的c 0 2 检测装置，已经成 为现代空气检测的重要设备之一 本文在对多种方案进行理论比较的基础上，应用c 0 2 气体检测、单片机系统开发、 串口通讯、模数转换、嵌入式软件编程等技术，研究了一种基于g p r s 移动通信网络的 新型一体化c 0 2 检测系统，实现了多点分布的c 0 2 气敏检测仪数据采集显示、g p r s 无线网 络传输等功能。 构建了c 0 2 检测系统的硬件体系结构。主控m c u 采用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 7 ，该 芯片是一款高性能的8 位微控制器，高速的8 0 5 1 u c 内核最高工作频率为5 0 m h z ，大大提高 了运行速度；采用了m a x i m 的m a x l 8 7 逐次比较串行a d 转换器进行数据采集；应用美国 b u r r b r o w n 公司生产的p g a 2 0 4 可编程增益放大器完成信号放大；使用s i e m e n s 公司的 s i e m e n sm c 3 5 芯片实现g p r s 移动通信网络的串行通信功能；设计了相关的液晶显示和 驱动电路等。硬件系统具有性能稳定、成本低廉的特点。 应用嵌入式软件开发技术，编写t c s 0 5 1 f 1 2 7 内嵌的数据采集、系统控制和信息显 示软件程序，人机交互功能良好。 关键词：c 0 ：检测；g p r s 移动通信网络；单片机；自动检测 基于g p r s 网络c 0 2 检测系统的研究 r e s e a r c ho fac 0 2 d e t e c t i n gs y s t e m b a s e do n g p r sm o b i l e n e t a b s t r a c t i nt h er e a l i s t i cl i f e ，p e o p l ec o n c e r nt h ec 0 2a i rq u a i i t yo ft h ee x i s t e n c ee n v r o n m e n t m o r ea n dm o r e t h ec 0 2c o n t e n ti so n eo ft h em a i nd a t at h a te v a l u a t 部t h ea i rq u a l i t y t h e c 0 2d e t e c t i n gi n s t r u m e n t sb a s e do nm c uh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h el a s tf e wy e a r s a n dh a v eb e e na st h ei m p o r t a n ta i rq u a l i t yd e t e c t i n ge q u i p m e n t s b a s e d0 1 1t h et h e o r e t i c a lc o m p a r i s o no ft h ev a r i o u so p t i o n s an 州t y p ec 0 2 d e t e c t i n g s y s t e m 、i t l lg p r sn e ti sr e s e a r c h e di nt h ep a p e r 1 1 1 et e c h n o l o g yo fc 0 2g a sd e t e e t i o n , m a u s y s t e md e v e l o p m e n t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n , e m b e d d e ds o f t w a r e p r o g r a ma n ds oo na l ea p p l i e di ht h es y s t e m 1 1 1 es y s t e mc a ni m p l e m e n tt h ed a t ac o l l e c f i o n a n dd i s p l a yo fd i s t r i b u t e dm u l t i - p o i n tc 0 2d e t e c t i o n , g p r st r a n s m i s s i o nb yt h ew i r e l e s s n e t w o r ke t e t h ec 0 2d e t e c t i n gi n s t r u m e n th a r d w a l es y s t e mi sc o n s t r u c t e d ah i g h - p e r f o r m a n c e8 - b i t c y g n a lc 8 0 5 1 f 1 2 7m c u i su s e da st h em a i nc o n t r o l l e r , i t s8 0 5 1c o r ec a n o p c r a t e a t5 0 m h z t oi m p r o v et h eo p e r a t i n gs p e e dg r e a t l y 必五d d sm a x l 8 7s u c c e s s i v es e r i a la dc o n v e r t e r t od a t aa c q u i s i t i o ni su s e d ，p g a 2 0 4p r o g r a m m a b l eg a i na r n p l i f i e rp r o d u c e db yt h eu n i t e d s t a t e sb u r r - b r o w nc o m p a n yi sa p p l i e dt oc o m p l e t et h es i g n a la m p l i f i c a t i o n m c 3 5c h i po f s h 任n sr e a l i z e st h es e r i a lc o m m t m j c a t i 0 1 1f u n c t i o ni nt h eg p r sm o b i l ec o m m u n i c a t i o i l n e t w o r k t h er e l a t e dl c d d i s p l a ya n dd r i v m gc i r c u i ta l ed e s i g n e d t h eh a r d w a r es y s t e m h a ss o m ob e n e f i t so f s t a b i l i t ya n dl o w - e o s t t h ep r o g r a mo ft h ed a t ac o l l e c t i n g , s y s t e mc o n t r o la n di n f o r m a t i o nd i s p l a yi nt h e c 8 0 5 1 f 1 2 7i sd e v e l o p e dw i t ht h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h e s o r w a l eh a saf r i e n dh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e k e yw o r d s ：c 0 2 ；g p r sm o b i l e - n e t ；m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ；a u t o m a t i cd e t e c t i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 基于g p r s 网络c 0 2 检测系统的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 壶 随着科学技术的迅猛发展，人类进入了信息时代。在信息时代中，人们的社会活动 主要依靠对信息资源的获取、处理、交换和利用。而传感器是感知、获取与检测信息的 窗口。近年来，传感器在各个领域中的运用日益显著，在工业生产自动化、能源、交通、 灾害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面，到处都可以看到传感器的身影。 根据中华人民共和国国家标准( g b 7 6 6 5 - - 8 7 ) ，传感器的定义是：能感受规定的被测 量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置【”。这里所谓的“可用输出信号” 是指便于处理、传输的信号。因此，可以把传感器狭义定义为：能把外界非电信息转换 成电信号输出的器件【2 l 。从某种意义上讲，传感器也就是能感知外界各种被测信号的功 能材料【3 】 c 仉盼大量产生直接引起全球性气侯变暖的温室效应，对c 如产生源的及时检测显得 尤为重要。c 如对气侯所产生的影响是广域性的，必须有一定c o , 检测布控的面积，才能产 生气侯受c 如影响的数据分析。以往c o , 检测都是局限于单机或是有线网络，受地形、投 资收效比和便利等因素考虑，运用无线网络具有能在无入复杂地形开设，一次投入全时 享用，和方便快捷等绪多优点。同时，随着移动通信技术的广泛普及和功能多样化，通 过g p r s 无线网络进行数据传输，将无线数据通信引入c 0 2 检测应用中，构建区域网络检测 系统，成为一个具有广阔应用前景的研究方向。 针对这个问题，结合先进的科学技术，研制开发“嵌入设备的g p r s 接入技术”，成 区域网络检测的一个重点。g s m 移动通信网络以其覆盖地域广，信号质量好，客户服务 便利，成为当今人们使用最便捷和最熟悉的通信网络。而g p r s 的发展，使得手机与 i n t e r n e t 网络能传输、交换各种数据信息，g p r s 还具有永远在线的特点，技术运用方便， 费用低廉。c o , 检测装置与g p r s 网络相结合组成c o , 手机数据监测通信终端，就能建 构一个区域性的c 0 ：数字远程监测系统。通过实时、布点监测某一区域c o , 气体，以对环 境检测提供各种数据信息。使用这种功能更强大、更有效的远程通信方式，在环境保护 中会发挥出重要作用。 1 1 c 0 ：区域网络检测系统研究的背景和目的 随着工业发展，排放的工业废气日益成为社会突出问题，这些废气对人类本身和人 类的生存环境造成了不可忽视的损害。温室效应、工业酸雨、臭氧层的破坏等一系列问 题已使人类濒临困境，而解决这些问题的关键是迅速准确地检测到这些有毒、有污染的 气体。的大量产生直接引起全球性气侯变暖的温室效应，对c o ：产生源的及时检测显 基于g p r s 网络c o , 检测系统的研究 得尤为重要。c 嘎气体还与细生物、植物、动物的唤吸和生长密切相关，直接影响农业等 国民经济的发展，所以，结合移动g p r s 网络的嵌入式远程检测设各c 如智能区域网络 检测系统具有广泛的应用前景和良好的拓展空间。 1 1 1 课题来源背景 c o 气体传感器对于人们各方各面都有着重大意义。保障人们的生活，便利生活，创 造生活。从城市工业废气检测，收集区域大气环境质量信息，都可用各种种类薄膜的c o , 气体传感器来检测、监测，具有明显的市场潜力和广泛的应用前景。 本课题的研究是解决嵌入式数字设备的数据无线接入应用场合主要在：偏远地区 或结点分散，不宜铺设有线网络现场中的各类环境检测设备；区域网络检测设备管理； 移动环境下的c 0 ：电子检测设备等应用领域。 1 1 2 研究开发的必要性及意义 而随着传感器技术的发展，特别是近年来，由于半导体技术已进入了超大规模集成 电路阶段，各种制造工艺和材料性能的研究已达到相当高的水平。这为传感器的发展创 造了极为有利的条件。传感器技术将是2 l 世纪人们在高新技术领域争夺的一个制高点， 是现代高新技术发展的关键。 自从1 9 6 2 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世，标志着传感器技术进入实用化 以来。c o l 气敏传感器也伴随着发展成长为以下几大类： ( 1 ) 金属氧化物半导体c o , 气敏传感器，以其较高的灵敏度、响应迅速等优点占据 气体传感器的大半个市场。最初的气体传感器主要采用s n o , 、z n o 为气敏材料。 ( 2 ) 固体电解质c 如气敏传感器，固体电解质指的是依靠离子或质子来实现传导的 一类固态物质。固体电解质气体传感器的原理是气敏材料在一定气氛中会产生离子，离 子的迁移和传导形成电势差，根据电势差来实现气体浓度大小的测定。这种传感器在一 定温度下电导率高、灵敏度和选择性好。 ( 3 ) 光学式气体c o 气敏传感器，光学式气体传感器包括光谱吸收型、荧光型、光 纤化学材料型等类型。光谱吸收型荧光型的原理是：小同的气体物质由于其分了结构小 同、浓度小同和能量分布的差异而有各自小同的吸收光谱。这就决定了光谱吸收型气体 传感器的选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性。若能测出这种光谱便可对气体进行 定性、定量分析。日前已经开发了流体切换式、流程直接测量式等多种在线红外吸收式 气体传感器。 ( 4 ) 石英谐振式c 0 ：气敏传感器，石英谐振式气体传感器的气敏元件主要由石英基 片、金电极和支架下部分组成。其电极上涂有一层气体敏感膜，当被测气体分了吸附在 大连理工大学硕士学位论文 气体敏感膜上时，敏感膜的质量增加，从而使石英振了的谐振频率降低。由于谐振频率 的变化量与被测气体的浓度成正比，故通过检测谐振频率便可判断气体浓度大小。 ( 5 ) 表面声波c 0 2 气敏传感器，表面声波气体传感器的发展历史很短，是后起之秀。 表面声波传播速度的影响因素很多，例如：环境温度、压力、电磁场、气体性质、固体 介质的质量、电导率等。通过选择合适的敏感膜来控制诸多影响因素中的一个因素起主 导作用。当质量起主导作用时，表面声波的振荡频率与气体敏感膜的密度成正比；当电 导率起主导作用时，表面声波的振荡频率与气体敏感膜的电导率成反比。 而g p r s 通信网络不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和 按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支持t c p i p 协议，无需经过p s t n 等网络的转接，可直接与i n t e r n e t 网互通。因此g p r s 业务在无线上网、环境监测、交通 监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。g p r s 无线数据传输系统具有广阔 的市场前景。 “嵌入式设备的g p r s 接入技术”智能传感器是一种带有微型计算机兼有检测和 信息处理功能的传感器。它通常具有自诊断、远距离通信、自动调零和量程的功能，使 传感器向智能化、网络化前进了一大步。 1 2 气敏传感器及其分类 现代工业的发展一方面为人类创造出巨大的财富，另一方面却给生态环境带来严重 的污染。所谓气体传感器，是一种将气体中含有的特定气体的种类和浓度信号转换成适 当电信号的器件f ”。气体传感器是化学传感器的一个重要分支，在工农业生产及人民生 活中占有重要地位，尤其是在防灾警报、防治公害和计量检测方面有广泛的应用前景。 工业生产中使用的气体原料和在生产过程中产生的种类和数量随着工业的发展而越来 越多。这些气体中，有毒气体和可燃性气体不仅污染环境，而且有产生爆炸、火灾使人 受到伤害的危险。对这些气体迅速准确地检测将有效地防止此类恶性事件的发生。此外， 汽车工业的蓬勃发展，家庭液化石油气、煤气和天然气的广泛使用也对气敏传感器提出 了更广更高的要求。 1 2 1 半导体气敏传感器 对气体的检测方法有电化学方法、光学方法、电学方法等十几种【7 1 。而一个完美的 气敏传感器应有如下几个特点：选择性好，能够在多种气体共存的情况下仅对目标气体 有明显反应；灵敏度高；长期工作稳定性好；响应时间快；寿命长；成本低，使用维修 方便。其中属于电学方法的半导体气敏传感器以其高灵敏度、结构简单、不需要放大电 路、使用方便、价格便宜等优点，得到迅速发展。 基于g p r s 网络c 旺检测系统的研究 1 9 3 1 年，p b r a u e r 发现了c u , o 的电导率随水蒸气的吸附而改变的现象，其中不少 人进行了气敏效应的研究。到今天半导体气敏传感器已发展成一大体系。按基体材料来 分，可分为金属氧化物系、有机高分子半导体系、固体电解质系等；按被测气体可分为： 氧敏器件、酒敏器件、氢敏器件等；按制作方法和结构形式，可分为烧结型、薄膜型、 厚膜型、结型等；按工作机理可分为：电阻型、电容型、二极管特性型、频率型、晶体 管特性型、浓差电池型等。 1 。2 。2 金属氧化物型电阻式半导体气敏传感器 电阻式半导体气敏传感器依据的原理是材料的电阻值随环境气氛的浓度而发生改 交，通过这个变化值可获得气氛的状况。通常制备成烧结型、薄膜型或厚膜型。金属氧 化物和一些有机高分子半导体气敏材料分为简单氧化物和复合氧化物两种类型。其中简 单氧化物以s n 仉、z n o 、f e ：0 。为代表。s n o ；是金红石结构，n 型半导体，表面电阻控制型。 s n 吩气敏传感器能检钡r j h 2 、c h 4 、丙烷、丁烷、天然气等可燃性气体，c 0 、n 地、h 2 s 等有 毒气体，乙酸、甲苯、二甲苯、汽油等有机溶剂和氟利昂、烟雾，鱼、肉的鲜度等。s n 如 气体传感器应用相当广泛，研究工作亦深入到材料微观结构、选择性和灵敏度与催化剂、 添加剂关系，新型结构的气体传感器也相继出现。添加剂铂能明显提高响应速度，缩短 瞬态过程。近年来采用集成电路工艺把超微粒薄膜加热器测温二极管一起集成在硅衬底 上，制成对还原性气体的灵敏度比常规多晶膜高得多的气敏元件，它是一种很有发展前 途的新型半导体气敏传感器。$ n 0 2 气敏传感器在如何消除环境气氛中湿度的影响方面还 没有很好的解决。一旦这方面的研究工作取得突破，那么气体传感器就可能进一步应用 在低浓度环境中。总之，s n o 。气体传感器的研究工作正方兴未艾。 z n o 具有纤锌矿型结构，n 型半导体，表面电阻控制型。它对一般还原性气体，其检 测灵敏度比s n o z 低，气敏器件的工作温度比s n o 。高。z n o 中加入少量的铂、钯等贵重金属 做催化剂，可以改善气敏元件的灵敏度和选择性。加入p t ，对异丁烷、丙烷、乙烷等含 有两个以上碳原子的碳氢化合物气体灵敏度较高，而且，气体分子碳原子数越多，灵敏 度就越高，但对h 2 、c o 、吼等可燃性气体的灵敏度较低。加入p d 对异丁烷、乙烷、丙烷 等两个碳原子的气体灵敏度较低，而对h 2 、c o 、吼等分子中含碳原子数较少的气体灵敏 度增高。掺入a g 有助于提高对可燃性气体的灵敏度，加入v 。仉- m o 鹞对氟里昂敏感。加入 g 锄o ；对烷烃敏感。 1 2 3 有机高分子半导体电阻式气敏传感器 有机高分子半导体气体敏感材料有酞菁、卟啉、卟吩和它们的衍生物、络合物等， 它们都有环状共轭结构，这类化合物具有半导体性质，吸附气体分子与有机半导体之间 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 产生电子授受关系。此外，聚吡咯、蒽、二萘嵌苯、b 一胡萝h 素等近年来也作为气敏 材料的研究对象。有机高分子气体传感器，对特定分子有高灵敏度，高选择性，结构简 单，可在常温条件下使用。这类材料的另外特点是便于修饰，并可以按功能需要进行分 子设计和合成。现在已经设计出可测n 也、n o , 、n , s 、仉、c 。：、联等有机高分子气敏传感 器。 1 3 近年开发的一些新型气敏传感器 1 3 1 电容式气敏传感器 近几年出现了用金属氧化物混合物p b - b a t i 如、c u o - b a s n o , 、c u o - b a t i 仉、 a g - c u o - b a t i o 。做介质制成电容器的电容型c 0 2 传感器。用聚次苯基乙炔( p p a ) 制成的气 体传感器对c 0 ：、c o 、c h , 气体敏感。3 一氰基丙基三乙氧基硅烷缩聚物对c o , 、n l 。、n o ：敏 感。浓差电池式气敏传感器以离子导电占绝对优势的固体电解质为原料，如稳定氧化锆 ( z r 如y 2 仉、z r o = - c a o 、z r o = - m g o 等) 固体电解质和特殊电极构成浓差电池。利用电池 两相间的电势差与两极o b 浓度比值的对数呈正比的南斯特定律测仉。有机物半导体中聚 乙烯醇掺入磷酸可形成质子导体，构成浓差电池检测也。此方式检测气体选择性好，但 成本较高。 1 3 2 声表面波式( s a w ) 气敏传感器 在压电晶体表面的声波传输路径上涂覆一层选择性地吸附特定气体成分的感应膜 时，压电晶体声表面波的频率将发生变化，从频率的变化可测定气体的浓度。如钯膜可 测地，酞菁膜可测n 晚、n h + 、c o 、s o , 和w 0 3 膜可测h 2 s 气体等。 1 3 3 石英振子式( q m b ) 气敏传感器 在石英振子上涂覆不同类型的材料，随着环境中气体浓度的变化，涂覆材料对气体 的吸附量也成比例变化，从而使石英振子的频率发生改变，而环境气体浓度的变化量正 是通过石英振子的谐振频率的变化来测定。已开发出可测n 地、s o , 、h c l 、h 2 s ，醋酸的 石英振子气体传感器。 1 3 4 伏安特性气敏传感器 当金属和半导体接触，形成肖特基势垒，构成金属一半导体二极管。气体将影响半 导体能带或者金属的功能函数，使整流特性发生变化以此获得气体信息，在某一正偏压 下，由电流值的大小，确定被测气体浓度，如p d t i 仉、p d - z n o 、p t - t i 0 2 等气敏二极管 可用以检测如。 基于g p r s 网络o 旺检测系统的研究 1 3 5 金属一氧化物一半导体场效应管型气敏传感器 p d - m o s f e t 随着空气中h 。浓度的增加阀值电压减少，利用这种机制测h ：浓度。这种元 件对h 2 选择性很好，被称为p d - m o s f e t 氢敏元件。 1 3 6m o s 二极管电容电压型气体传感器 如p d m o s 氢气体传感器，这种器件金属栅极接触h 2 时，金属功能函数下降从而可 用于氢气的检测等。 1 4c o ：气敏传感器检测仪 c o , 传感器，早期使用金属氧化物半导体气敏传感器，制成多孔陶瓷烧结体或薄膜电 阻。它的灵敏度和选择性靠添加少量p t 、p d 等贵金属催化剂和改善制作工艺、改变工作 温度来调节，工艺要求很高，调整复杂。随后，开发出固态电解质气敏传感器，它以离 子导电占绝对优势的固体电解质为原料，制成各种结构的电化学电池。光学式c o , 气体传 感器主要是以红外吸收式气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量 和分析红外吸收峰来检测c 0 ：气体。目前的最新动向是研制开发了流体切换式、流程自接 测定式和傅里叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计 算机相结合，能连续测试分析c 0 。气体，具有自动校正、自动运行的功能。近年来，人们 使用石英振子型气敏传感器。此类传感器主要部分是石英振子，在石英振子表面涂覆一 层选择性吸附某种气体的涂层，当此涂层选择性吸附特定气体会引起石英晶片谐振频率 的变化从而可以定量的测出特定气体的浓度。涂于谐振器传播路径上的气敏材料吸收气 体后，频率发生变化，通过测量谐振器频率变化来测量气体浓度，以实现对气体浓度的 监测与显示的功能的一种气体传感器。 c o , 气体传感器应对外界环境很敏感，因此对c 仉传感器的选材，设计和制造以及密 封防护等措施都要经过仔细考虑。正因为如此，人们有意地将些气敏材料涂覆于压电 轴的表面上。由于气敏材料对个别气体有选择的吸附特性改变了c o , 气体传感器的传输特 性从而使晶振的信号频发生改变，制成电子鼻。 1 5c o ：气体传感器检测仪的国内外发展现状 传感器作为现代信息技术的源头，得到国内外科技界、产业界普遍的认同和重视。 作为感知、采集、转换、传输和处理各种信息必不可少的传感器己渗入新技术革命的所 有领域，涉及到国民经济的各个部门，进入到大众生活的各个方面。可见，应用、研究 和发展传感器和传感器技术是信息时代的必然趋势。传感器技术的发展水平是衡量一个 国家综合实力的标志之一，也是判断一个国家科学技术现代化程度与生产力水平高低的 大连理工大学硕士学位论文 重要依据。正是由于世界各国政府的高度重视，目前世界的传感器行业发展很快，每年 传感器的专利、产量和产值都很可观，在信息产业中起着关键作用。 g w a s t s o 等人新近又开发了便携式气相层析装置。装置内包括有氦运载气体、标定 气体、带有振荡电路的c 0 2 传感器( 频率为5 0 0 m h z ) 以及l o m 毛细管柱等，由计算机控制测 量、信号处理及数据存储。用于监测大气中c o , 的浓度，整个检测过程在l o 1 5 s 内完成， 分辨率可达1x1 0 2 9 s ce l i 。 近十年来，美、德、日、法、意大利及俄罗斯等国家投入了大量的人力、物力进行 积极开发，取得长足的进步，部分器件已经实现实用化。目前国外报道c 魄各类传感器的 文章越来越多，并且取得令人满意的试验结果。 在国内，如清华大学、上海交大、南京大学己有多项研究，南京声学所、成都二十 六所也在进行此项方面的研究，并有实际开发的产品。可以说c o ：气体传感器技术方兴未 艾，今后将会越来越被人们重视，并将应用到各个领域中去。 1 6g p r s 网络和通过g p r s 网络的数据采集、传输及x m l 数据库管理 c 砚气体传感器对于人们各方各面都有着重大意义。c 如气体传感器具有低功耗这一 特点，通过电池即可供电，因此可以便于携带；也可内嵌入如家电中的空调机内，随时 检测室内环境，最后由于c o , 气敏器件本身可通过集成电路技术设计，因此成本很低，易 于推广。通过以上几个特点可以看出c q 气体传感器具有很大的发展潜力。 除了c o , 气体传感器自身的特点，其所在系统的集成也是一个发展的重要方向。国 外报道的多气体传感器的集成可设计为差分结构或阵列结构等，借助于模式识别方法或 者傅立叶变换技术等先进分析手段对由传感器获得的信号谱进行分析计算来实现优良 的选择性和鉴别能力。不同类型传感器的集成既能够提高气体敏感的可靠性，又利于实 现多功能传感器。今后选择最佳设计、最佳基片材料及晶振模式，提高器件的多功能集 成化，c 0 2 传感器的应用前景将会变得更为广阔。 g p r s 无线数据传输网络覆盖范围广，c 侥传感器与g p r s 无线数据传输网络结合，可构 成c o , 区域网络检测系统。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 ) 是通用无线分组业务 的简称，它是基于分组交换传输数据的高效率方式。g p r s 深刻地改变了终端用户使用移 动数据计算的体验。g p r s 最显著的优点就是能提供比现有g s m 网电路交换9 6 k b s 高很多 的数据率，可达1 7 1 2 k b s 。巨大的吞吐量改变了单一的面向文本的无线应用，使得包 括图片、话音和视频的多媒体业务成为现实。移动用户再也不必通过拨号专门的 i s p ( i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r ) 来收发e - m a i l 和浏览w e b 页。g p r s 提供了无缝、直接 的i n t e r n e t 连接。g p l s 支持x 2 5 协议和对i n t e r n e t 具有深远影响的i p 协议。对于g s m 网 基于g p r s 网络c 旺检测系统的研究 络现有电路交换数据业务( c s d ，c i r c i u ts w i t c h e dd a t a ) 和短消息业务( s m s ，s h o r t m e s s a g es e r v i c e ) 来说，g p r s 是一种补充而不是替代。g p r s 根据用户需要灵活的动态分 配无线资源，从而实现多用户共享，提高频率利用率。同时计费也由传统的按时方式改 为为根据用户数据的传输来计费。g p r s 不仅被欧洲的第二代移动通信系统g s m 支持，同 时也被北美的i s - 1 3 6 支持。它的高数据率能够提供第三代中的部分多媒体业务而在应用 时间上提前几年，并且当第三代真正到来的时候，对于那些没有第三代经营权的运营商 来说，g p r s 仍不失为一种竞争业务，因此g p r s 被认为第二代移动通信系统向第三代演进 的重要一步，几大电信公司如n o k i a , m o t o r o l a , s i e m e n s 等都积极参与g p r s 的提供。 g p r s 的结构如图1 1 。由于现存的g s m 网络仅仅提供电路交换服务，因此我们使用两 种新的节点来支持分组交换：g p r s 服务支持节点( s g s n ，s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ) 和网关g p r s 支持节点( g g s n ，g a t eg p r ss u p p o r tn o d e ) 。s g s n 用来负责移动台和g p r s 网络之间的通信，并记录移动台当前的位置信息。g g s n 在g p r s 网络和外部分组数据交换 网( 例如x 2 5 ) 之间起网关的作用。它将从外部网进入的分组路由到正确的s g s n 上以便到 达指定的移动台。为了使用单一的公众移动网络( p l m n ，p u b l i el a n dm o b i l en e t w o r k ) 实现g p r s 支持节点间的通信，必须使用基于i p 的p l m n 骨干网。 m o b i l e s t a t i o n ( m s ) b a s es t a r i o n s y s t e m ( b s s ) g s m n e t w o r k 图1 1g p r s 网络结构 f i g 1 is t r u c t u r eo f g p r sn e t 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 g s m 基站子系统( b s s ，b a s es t a t i o ns y s t e m ) 同时向电路交换和分组交换提供服务， 从而既保证了向后兼容性，又使得在g p r s 上的投资不至于过高。 g p r s 协议堆栈嘲如图1 2 。g p r s 的网络堆栈是层结构的，从而使得数据传输在控 p 一；a 黼 m 艄m f 删 乡 s n d c p 时f g t p o u c弛i 盯 u d p ，u d p i 蕾c pt c p r l co 蜘 r l c 白s s o p p m m a c m c n d w o c kn c t w 计k 1 2u s c r d c es w i 。c g s m r f a s m r fl l b o s l i b i sl il i u m伤啦研 m sb s ss g s ng g s n 图1 2g p r s 协议堆栈 f i g 1 2o p r sp r o t o c o ls t a c k 制规程下有序的工作，例如错误纠正、数据流控制等“州川伽。s n d c p ( 子网相依的汇聚协 议，s u bn e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c ep r o t o c 0 1 ) 使得网络层的协议数据( 例如 i p , 】【2 5 ，c l n p 等) 可以透明地在移动终端与s g s n 之间传递，网络层协议的变化不致影响 g p r s 的低层协议。同时它还可提供数据压缩及对其上层协议的头部进行压缩的功能以提 高信道利用率。l l c ( 逻辑链路控制，l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 实现加密、流控、顺序控 制等功能。b s s g p ( b s sg p r s 协议) 用于在b s s 与s g s n 之间传递路由和0 0 s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 相关信息。r l c ( 无线链路控制，r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 用于对l l c 的p d u 进行分 段与重装，同时根据q o s 的要求进行相应的操作。m a c ( 媒体访问控制，m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 用于实现多个移动终端共享无线信道( 上行信道) 的控制，以防止出现碰撞，同 时它也允许一个移动终端同时使用几个并行的无线信道( 时隙) 来提高传输速率。 目前，x m l 在数据库中的典型应用模型大都是利用三层体系结构来实现的。在这种 模式下，有一个代理作为中间层，通过它来访问各种各样的数据源并输出x i v l l 文档 代理层中的程序集是在高端应用层与底端数据层之间传递数据的工具。利用c s s 或x s l 等 技术，x m i ，可以实现基于w e b 浏览器或其它智能界面的多样式、可视化显示。另外，代 基于g p i c s 网络检测系统的研究 理层还可以进行双向的基于事件的数据更新，也就是说，高端的数据变化( 如数据的插 入、删除、修改等) 需求可以通过代理层反映到底端数据库，而底端数据库的更新也育 孵通知到高端。表面上看，这种机制同传统的三层架构没有什么区别，但实际上是不同 的，因为此时在传输过程中的数据都是已经x m l 化了的。要说明的是：某些x m l 的数据库 应用是将原生数据库系统( n 如s ) 视为各种类型数据集成的中间件或w r a p p e r ，但是，也 有很多n x l 本身就处于终端数据的地位。 上述思想的实例之一是m i e r o s o f t 的w i n d o w sd n a ( d i s t r i b u t e di n t e r n e t a r c h i t e c t u r e ) m i c r o s o f t 在这一架构中集成了】( m l 技术。通过中间的代理层，可获取的 数据来源不局限于某一固定的数据库服务器，而是分布于企业内，甚至于遍及全球各地 的数据库服务器。另外，借助于x m ls c h e m a ，开发者就能更为精确地描述和交换数据， 因而大大地提高这种应用的效率。 图1 3 瑚l 在数据库中的典型应用模式 f i g ，1 3y e 2 l m 叻i c a la p p l i c a t i o nm o d e li nt h ed a t a b a s e 如图1 3 所示为x m l 在数据库中的典型应用模式图，其中，x m l 应用体系利用x m l 集成 管理器、x m l 数据库和x m l 查询管理器为关系数据库、面向对象数据库、各种应用文档及 其w e b 服务之间提供了联接的纽带。 大连理工大学硕士学位论文 图中所示的集成管理器提供一个实时同步的对各种类型数据库、原形数据集和文档 集的访问，舭数据库提供一个可检索的舭文档集合，查询管理器利用各种原生矶数 据操作技术对集成的数据进行集中存取和动态汇编。 一般来说，开发一个访问数据库的x 札应用系统需要同时借助x 札编程接口和数据库 编程接口，前者用于对捌i “文档的解析、定位和查询，所需技术包括x m ld o m 和s a x 等， 后者则是用于访问数据库，如数据库中数据的更新和检索等等，需要利用的技术有 o d i 犯, j d b c , a d o 等，另外；目前已有充足的用于上述任务的基础) 眦工具，表1 1 列出了 部分常用的x m l 应用开发工具。 表i 1 常用x v m 应用开发工具 t a b 1 1x u c o d 口m o na p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tt o o l s 类别名称厂商 u r l x 眦s p yi c i n f o 趼s t e mh t t p ：“1 - n x m l s p y c a 叫 编辑 i n f o p a t hm i c r o s o f t h t t p ：i | m i c r o s o f t ，c o m o f f i c e p r e v l e w 】眦- r i t e rw a t t l es o f t w a r eh t t p ：x z l w r i t e r n e t m l w r i t e r i n d e x s h t m l p a c h ea x i s a p a c h eh t t p ：m l a p a c h e o r g a x i s i n d e x h t m 软件集成 也g a t e w a ys u i t e s p i l t dh t t p ：f7 - n 口i g a t e w a y c o u k p o l e r l a k ep o l e r l e k e h t t p ：n w p o l a r l a k e c b i z t a l ks e r v e r m i c r o s o f t h t t p ：_ r n m i c r o s o f t c b i z t a l k s e r v e r e c o m 应用 e c t a l kp r o c a v e o h t t p ：| | n p r o c a v e o 口口叫 i - w a ys we a is o l u t i o n si - w a ys o f t w a r eh t t p ：m m i w a y s o f t w a v e c o m m i c r o s o f t 儿p a r s e rm i c r o s o f th t t p ：m m i c r o s o f t c o m 辅助 啪p a r s e r s c h e m ar o n a l db o u r r e th t t p ：m r p b o u r r e t c x s di n f e r e r c em i c r o s o f th t t p t f | t n m i c r o s o f t ：o f f i 基于g p r s 网络检测系统的研究 2 基于移动g p r s 的网络结构 本章第一部分基于g p r s 网络被动接入的特点提出了两种适合g p r s b 目络的被动接入 第二部分介绍了各类网络构架，并提出了本系统适合的网络构架。 2 1g p r s 网络的被动接入 图2 1g p r s 网络通信结构图 h g 2 1g p r sn e 押州c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o m l l d i a g r a m g p r s 骨干网络包括s g s n 和g g s n 。图2 1 中，s g s n 通过b s s 来完成对m s ( 移动台，m o b i l e s t a t i o n ) 接入的控制，并通过与h l r ( 归属地寄存器，h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 的通信 来定位m s 。s g s n 与g g s n 通过g p r s 网内的i p 骨干网相连，s g s n 处于m s 与g g s n 之间，为m s 与相应的g g s n 传递数据。g g s n 提供数据包在g p r s 网和外部数据网之间的路由和封装。在 g p r s 的大多数商业应用中，m s 在接入g p r s 网络的时候动态分配到一个内部g p r s 骨干网i p 地址。因此当m s 需要和外部数据网交换数据时，需要通过n a t ( 网络地址转换，n e t w o r k a d d r e s st r a n s l a t i o n ) 来完成g p r s 内网私有i p 地址和外部数据网i p 地址之间的转换。 大连理工大学硕士学位论文 下面通过对g p r s 网络接入特点的研究和两种被动接入方法的分析比较，提出适合于 本课题的被动接入方案。 2 1 1g p r s 网络接入特点 在开始某项特定的g p r s 应用之前( 例如，建立一个t c p 连接) ，船必须发送出“激活 p d p ( 分组数据协议，p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 上下文请求”到s g s n 以进行p d p 激活。g p r s 网络是不提供任何“被动访闯”服务的。“被动访问”是指在m s 未激活p o p 上下文之前， 外部网络无法主动发起g p r s 应