（电路与系统专业论文）基于GPRS的空气质量监测系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

皋于g p r s 的空气质量峪测系统设计 摘要 随着生活水平的不断提高，人们对环境的关注越来越多。而空气质 量是影响环境的一个重要指标。主要表现有室外空气质量，生活区的空 气质量，厂区的空气质量，以及室内和某些特定区域的空气质量( 如汽 车内) 。大气污染已经成为我国城市经济发展和社会进步的巨大障碍。空 气质量监测是环境监测的一个重要组成部分，做好空气质量监测是改善 环境质量的个重要手段。空气质量的基本要素有：温度，湿度，大气 压强，n o ：，s o ：，c o ，t s p ，p m 。等。本文在分析国内外空气质量监测技 术的发展的基础上，考虑到我国的客观条件，提出了一种基于g p r s 方式 空气质量监测系统。本文重点研究和设计了监测终端和监测中心。 论文主要分为五章，第一章介绍了空气质量监测和常用监控技术的 发展，重点研究基于g p r s 的数据传输方式。第二章介绍了空气质量监 测系统设计，包括系统各部分的主要原理和g p r s 的组网方式，各模块 的主要作用和功能。第三章介绍了基于g p r s 终端硬件的设计，包括 g p r s 模块的选用和外围电路的设计，重点在设计监测传感器电路和数 据处理。第四章介绍g p r s 终端通信和软件的设计，主要包括g p r s 通 信协议的设计和实现。第五章是监测中心软件的设计，主要包括软件界 面，s c o k e t 通信实现，数据处理以及数据库的设计等。 监测站采用a t m e g12 8 和q 24 0 6 a 组成g p r s 数据终端，主要包括串口 通信模块，数据采集模块、数据传输的模块。监测中心采用d eip h i7 0 和s o l 2 0 0 0 等软件工具，主要设计了基于s c o k e t 的通信模块实现与终端 的数据通信。 今后的工作，在移植嵌入式操作系统u c o s 的情况下进一步完善各 模块使系统更加稳定。 关键词：空气质量监测；g p r s ；终端模块；通讯协议 高校教师硕十论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h el e v e lo fl i f ec o n t i n u o u s l yr a i s e ，p e o p l ec o n c e r nt o e n v i r o n m e n tm o r ea n dm o r e b u tt h ea i rq u a l i t yi sa ni m p o r t a n ti n d e xf o r i n f l u e n c i n ge n v i r o n m e n t t h em a i np e r f o r m a n c ei n c l u d e st h eo u t d o o r sa i r t h eq u a l i t y ，l i v et h ea i rq u a l i t yo fa r e a ，t h ea i rq u a l i t yo ff a c t o r ya r e a ，a n d i n d o o rw i t ht h ea i rq u a l i t yo fs o m ea n dp a r t i c u l a r d i s t r i c t ( s u c ha s e a r i n s i d e ) t h ea i rp o l l u t i o nh a sa l r e a d yb e c o m ea n h u g e o b s t a c l ef o r d e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r ye c o n o m ya n ds o c i a lp r o g r e s s i v e t h ea i rq u a l i t y m o n i t o r i n gw o r ki sa ni m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v e se n v i r o n m e n tq u a l i t y a i r q u a l i t ym o n i t o r i n g ， w h i c h u s u a l l yi n v o l v e sm a n yt h i n g ss u c h a s t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ，n o ，s 0 2 ，c o ，t s p ，p m l0r e c t ， i sa n i m p o r t a n te l e m e n to fe n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g i nt h i st e x t ，a na i r q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r si sp u tf o r w a r d ，a f t e rw eh a v eb e e n a n a l y s e d t h e d e v e l o p m e n to ft h e a i rq u a l i t y m o n i t o r i n g t e c h n i c a li n d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la n dc o n s i d e r e d 。t h eo b j e c t i v ec o n d i t i o no fo u r c o u n t r y i te m p h a s i z eo nt h ed e s i g no fm o n i t o r i n gs t a t i o na n dm o n i t o r i n g c e n t e r t h et h e s i si sm a i n l yd i v i d e di n t o5 i nt h ec h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n to f a i rq u a l i t y m o n i t o r i n ga n du s u a l l ym o n o r i n ga n dc o n t r o lt e c h n i c a li s i n t r o d u c e d ，a n dt h ep o i n tr e s e a r c hw a yo fd a t at r a n s m i s s i o nb a s eo nt h e g p r s i nt h ec h a p t e r2 ，t h ed e s i g no ft h ea i rq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d et h em a i np r i n c i p l eo fe a c hp a r to fs y s t e ma n dt h e m e t h o de s t a b l i s h e do ft h eg p r s ，m a i nf u n c t i o na n df u n c t i o no fe a c hm o d u l e i nt h ec h a p t e r3 ，t h ed e s i g no ft h et e r m i n a l sh a r d w a r eb a s eo ng p r sh a s b e e ni n t r o d u c e d ，w h i c hi n c l u d et h ec h o i c eo fg p r sm o d u l e sa n dt h ed e s i g n o fo u t e rc i r c u i t ，t h ep o i n t i sd e s i g nt h ec i r c u i to ft h em o n o r i n gs e n s o ra n d d a t a p r o c e s s i n g i nt h ec h a p t e r4 ，t h ed e s i g no ft h eg p r st e r m i n a l s c o m m u n i c a t i o na n ds o f t w a r eh a sb e e ni n t r o d u c e d w h i c hm a i n l yi n c l u d et h e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s i nt h ec h a p t e r5 ，t h e m o n i t o r sc e n t e rs o f t w a r e h a sb e e nd e s i g n e da n dt h es o f to ft h ep o s i t i o n m a c h i n ea n dt h ed e s i g no ft h ed a t a - b a s eh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i l t h em o n i t o r i n gs t a t i o nh a sb e e na d o p t e da t m e g a l2 8a n dq 2 4 0 6 at o c o n s t i t u t eg p r sd a t at e r m i n a l ，w h i c hm a i n l yi n c l u d et h em o d u l eo fs e r i a l i i i 基于g p r s 的窄气质量监测系统设计 c o m m u n i c a t i o n ，d a t ac o l l e c t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n t h em o n i t o i n gc e n t e r h a sb e e na d o p t e dd e i p h i7 0a n ds q l 2 0 0 0t od e s i g e n ，a n dw em a i n l yh a v e d e s i g n e dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s i so ns c o k e tt or e a l i z et h e d a t a e o m m u n i e a t i o nw i t ht h et e r m i n a l i nt h en e x ts t e po fw o r k ，a f t e rr e p l a n t i n ge m b e d d e ds y s t e m - i _ t c o s ，w e a r eg o i n gt op e r f e c tt h i sm o d u l e s ，s ot h i st h es y s t e mw i l lb e c o m em o r e s t e a d y k e yw o r d s ：a irq u alit ym o nit orin g g p r s 。t er min ai m o d uie ， c o m m u nic a tio npro t o c 0i i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期：垆湖埔 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：眇洚7 - , 9 矽细 日期：巧年乡月f 日 高校教师硕 ：论文 1 1 研究的背景 1 1 1 引言 第一章绪论 随着生活水平的不断提高，人们对环境的关注越来越多。而空气质量是影响 环境的一个重要指标。主要表现有室外空气质量，生活区的空气质量，厂区的空 气质量，以及室内和某些特定区域的空气质量( 如汽车内) 。大气污染已经成为我 国城市经济发展和社会进步的巨大障碍。据统计，全国6 2 3 的城市大气s o 。年平 均浓度超过空气质量二级标准，日平均浓度超过三级标准。为了保障人们呼吸清 新空气，必须加强空气质量的监测工作。1 9 9 7 年在全国直辖市、省会城市实施空 气质量监测并公布空气质量城市周报【i 】，2 0 0 0 年，国家开始实施1 3 0 个城市的环境 空气质量监测系统的监测项目的建设。目前，我国重点城市已在利用建立的环境 空气质量自动监测系统开展环境空气质量的日报和预报工作【2 儿3 1 。 1 1 。2 主要空气污染物的来源及危害 空气污染对人体的危害主要表现为呼吸道疾病；对植物可使其生理机制受抑 制，生长不良，抗病抗虫能力减弱，甚至死亡；空气污染还能对气候产生不良影 响，如降低能见度，减少太阳的辐射( 据资料表明，城市太阳辐射强度和紫外线强 度要分别比农村减少1 0 - 3 0 和1 0 - 2 5 ) 而导致城市佝偻发病率的增加；大气污 染物能腐蚀物品，影响产品质量；近十几年来，不少国家发现酸雨，雨雪中酸度 增高，使河湖、土壤酸化、鱼类减少甚至灭绝，森林发育受影响，这与大气污染 是有密切关系的。下面列举了几种常见的污染物的来源和危害。 二氧化硫( s o 。) 二氧化硫是一种无色的中等刺激性气体，主要影响呼吸道。空气中的二氧化 硫主要来自火力发电及其他行业的工业生产，比如固定污染源燃料的燃烧、有色 金属冶炼、钢铁、化工、硫厂等的生产、小型取暖锅炉和民用煤炉的排放等来源。 吸入二氧化硫可使呼吸系统功能受损，加重已有的呼吸系统疾病( 尤其是支气管 炎及心血管病) 。对于容易受影响的人，除肺部功能改变处，还伴有一些明显症状 如喘气、气促、咳嗽等。二氧化硫亦会导致死亡率上升，尤其是在悬浮粒子协同 作用下。最易受二氧化硫影响的人士包括患有哮喘病、心血管或慢性肺病( 例如 基于g p r s 的窄气质量临测系统殴汁 支气管炎或肺气肿) 者，儿童及老年人。 二氧化氮( n o 。) 二氧化氮是一种棕红色有刺激性臭味的气体。主要来自于车辆废气、火力发 电站和其他工业的燃料燃烧及硝酸、氮肥、炸药的工业生产过程，具有腐蚀性和 生理刺激作用，呼吸系统有问题的人士如哮喘患者，较易受二氧化氮的影响。对 儿童来说，可能会造成肺部发育受损。研究指出长期吸入会导致肺部构造改变。 二氧化氮是形成光化学烟雾的主要因素之一，也是酸雨的来源之一。 可吸入颗粒物( p m 。) 空气中粒径小于1 0 微米以下的颗粒物称为可吸入颗粒物。空气中的颗粒物由 天然及人为来源产生，包括海洋、泥土、车辆废气、工业活动、建筑工程以及气 相化学反应。可吸入颗粒物能直达并沉积于肺部，而引发不良的健康反应。由于 颗粒物可以附着有毒金属、致癌物质和致病菌等，因此其危害更大。对人体健康 的影响包括导致呼吸不适及呼吸系统症状( 例如气促、咳嗽、喘气等) 、加重已有 的呼吸系统疾病及损害肺部组织。最易受可吸入颗粒物影响的人士包括慢性肺部 及心脏病、感冒或哮喘病患者，老年人及儿童h 1 。 1 1 3 监控系统的发展 监控系统源于自动控制系统，伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术 以及网络技术的不断发展，监控系统历经了集中式控制、集散式控制和现场总线 监控等阶段，目前广为应用的是分布式网络监控系统。 分布式网络监控系统采用现场智能设备来实现实时控制和网络通信协议，并 利用网络技术构成监控系统的操作平台。分布式网络监控系统较好地解决了自动 控制的两个基本问题：即现场设备的实时控制和现场信号的网络通信，这就为构成 可靠高效的监控系统奠定了扎实的技术基础1 。分布式网络监控系统的主要特点 有： 1 ) 实现了o s i 七层模型，提高了网络的可靠性； 2 ) 可以采用星形、总线型和环形等任何一种网络拓扑结构； 3 ) 可以采用多种通信媒介，例如双绞线、光纤和无线等； 4 ) 有大量软、硬件和开发工具可以使用。 分布式网路监控系统根据数据传输方式的不同可以分为有线网络监控系统和 无线网络监控系统。其中有线网络监控系统又主要可以分为： 1 ) 基于l a n 的监控系统； 2 ) 基于i n t e r n e t 的监控系统； 3 ) 基于p s t n 的监控系统等等。 无线监控系统又可以分为： 高校教师硕 ：论文 1 ) 基于集群通信系统的无线监控系统； 2 ) 基于g s m 短消息的无线监控系统： 3 ) 基于g p r s 的无线监控系统等等。 有线监控方式虽然具有稳定可靠、数据传输速率高等特点，但是对于监测点 数众多、分布广、地形复杂的区域，有线监控的组网成本高、施工难度大、维护 工作量大。 对以上提到的几种无线监控方式比较如下。 1 ) 集群移动通信系统是专用移动通信网，建设资金投入量大、建设周期长、 维护不方便，最致命的缺点是系统的有效覆盖范围有限。 2 ) g s m 短消息通信方式利用移动公网的资源，投资少、维护成本低：但是g s m 短消息一次最多只能传送1 6 0 个字符，不适合大数据量的无线数据传送：而且短消 息的平均传输时延大，实时性差。 3 ) g p r s 系统强1 同样也是利用移动公网的资源，但是基于i p 的网络，传输速 率较高，理论上可以达到1 7 1 2 k b s ，且传输延时小、系统性能稳定。现在中国 移动的g p r s 网络已经基本覆盖了全国，采用g p r s 实现监控推广方便。g p r s 通信 是按流量计费，因此通信资费低廉。更重要的是g p r s 网络作为2 5 g 的移动通信 系统，是g s m 网向3 g 宽带移动通信网平滑过渡的中间阶段，网络的升级对于用户 应用是透明的，未来可以为用户提供更高的传输速率和更广阔的应用空间。 1 1 4 空气质量监测的发展 我国在进行空气质量的监测起步比较晚，国外早在上世纪2 0 年代就开始了空 气质量的监测，并且到现在已经形成了一套非常完善的系统，而且卫星遥感技术 也应用到空气质量的监测上来了。我国目前主要有下面几种技术方法对进行空气 质量监测。 1 ) 瞬时采样法：进行空气质量监测时，每季度只开展5 日采样监测，主要监 测项目有s 0 ：，n o 。，和t s p ，每日分早、中、晚、各，采3 0 m i n 或1 h ，完全用手 工的实验室检测方法。这种方法的时间代表性太差，不能全面、实时地反映空气 质量的变化规律，已处于被淘汰状态。 2 ) 2 4 h 连续采样一实验室分析法：2 4 h 连续采样能真实代表日均值浓度，根 据项目的不同，均匀采样间隔的日期不同。t s p 、p m 。和p b 至少一年有分布均匀 的6 0 个日均值，每月有分布均匀的5 个日均值。s o ：，n o ，c o 至少有分布均匀的 1 4 4 个日均值，每个月有分布均匀的1 2 个日均值。与自动站的年日均值相比，其 相对偏差在1 0 以内。 3 ) 空气质量自动监测系统：监测项目有p m 。、s 0 。、n 0 ：、n 0 、c o 、0 。、温度、 基于g p r s 的窄气质量蟾测系统设汁 湿度、风向和风速等，有的还有配备有挥发性有机物自动监测仪、降水自动采样 器和监测仪。城市空气质量连续自动监测系统( 简称a q m s ) 从二十世纪六十年代开 始在国外发展，七十年代趋于成熟，因为具备在无人值守情况下全年昼夜连续自 动运行的功能，所以一直被认为是空气质量监测最有效的手段。目前，该系统的 研究生产主要集中在美国、法国、日本等国家哺1 。我国自二十世纪8 0 年代开始引 进国外的系统设备，至今有百余城市拥有这类自动监测系统，国内也具备一定的 改进设备的生产能力h 3 。国内大部分空气质量自动监测系统基本上采用传统的专 用数据采集传输系统，工作原理是利用子站的分析仪器直接测量空气中的污染物， 测定结果( 浓度值) 经量程设定转换成模拟量后输入数据采集器，如：6 8 0 0 系统 ( e s c 制造、a p i 公司) 、8 0 0 1 系统( 美国d a s i b i 公司) 、6 0 0 2 系统( t e 公 司) 、s a m 3 2 系统( 法国e s a 公司) 。数据采集器对所采集的数据进行分类保 存，中心站的微机通过调制解调器( m o d e m ) 用拨号方式与子站连通并下载采 集器中的数据，利用报表软件对所获得的数据进行编辑处理1 。但是该系统虽能 能够监测很多的项目，检测精度也较高，但是其设备系统一般比较复杂和庞大， 检测终端的位置选择和周围条件都要求比较严格，中心站与检测终端之间的数据 传输一般采用无线收发电台或电话线，设备投资大，监测点的数量受到限制，一 般的城市只安装有限的几个监测点，如湖南长沙市就只有此类监测点三个。 目前，我国用此类高规格的设备建立符合国际标准、规范的监测网络很难实 现。基于对上面几种技术路线的分析，本文提出一种以g p r s 无线数据传输为主 要通信方式，基于s q ls e r v e r 数据库的监测和管理系统，该系统适合在复杂的 的城市环境中建立隐蔽性好、安置方便、多终端、低预算、高性能的空气质量监 测网络。 1 2 论文主要研究内容及安排 本论文的研究内容是在分析现有空气质量监测系统的基础上设计一种基于 g p r s 的空气质量监测系统。首先分析空气质量检测的技术参数要求，确定本系统 的技术参数以及相应传感器的选择；再利用所选择的传感器研究恰当的传感器调 理电路电路，并研究传感器检测数据的处理方法；然后研究利用无线模块实现数 据的传输，主要包括串口通信协议的设计与实现以及利用a t 命令实现t c p i p 通 信；最后是监测中心的上位机软件和数据库设计。 本文分为五章，第一章介绍了空气质量监测和常用监控技术的发展，重点研 究基于g p r s 的数据传输方式。第二章介绍了空气质量监测系统设计，包括系统 各部分的主要原理和g p r s 的组网方式，各模块的主要作用和功能。第三章介绍 了基于g p r s 终端硬件的设计，包括g p r s 模块的选用和外围电路的设计，重点 高校教师硕十论文 在设计监测传感器电路和数据处理。第四章介绍g p r s 终端通信和软件的设计， 主要包括g p r s 通信协议的设计和实现。第五章是监测中心软件的设计，详细介 绍了上位机软件和数据库的设计。 皋于g p r s 的窄气质量监测系统设汁 第2 章系统设计 2 1 基于g p r s 空气质量监测系统工作原理 2 1 1 空气质量监测系统的结构框图 空气质量监测系统由监测终端、g p r s 通信网络和监测中心三大部分组成，其 结构如图2 1 所示。 传感器组 显示模块 存储单元 叮t _ 件 = 舅 微处理器监测终端 一二；爿、- ，_ ，l = 介 y 弋 主机 i 申源樟换l g p r s 模块 l 77一 l g p r s 网络、栏 。 传感器组 显示模块 存储单元 l 障示f 陋据库j 防设l 丁tt t 删终 远程心 = l 微1 破侧珲硒 = ；习 = 二n g p r s 模块 电源模块 图2 1 监测系统结构图 检测终端安装在检测现场，主要通过各种传感器采集空气质量的数据，并分 析，存储采集的数据，检测终端通过g p r s 网络作为数据传输的通道，将采集的数 据传送到监测中心。检测终端包括两个部分：一是空气质量数据采集模块，负责 对空气质量的数据进行采集：二是g p r s 通信模块，该模块建立通信链路，实现数 据的无线传输。 g p r s 通信网络是数据监测中心与检测终端之间的数据传输的桥梁，各自的 g p r s 数据终端将数据打成i p 包，经g p r s 模块接入无线g p r s 网络，由移动服务 商转接到i n t e r n e t ，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站。 使检测终端的空气质量参数能够及时传送到中心的计算机中。 监测中心从各检测终端发回的数据经整理后存入s q ls e r v e r 数据库，并可以 通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。它由主机和上位机软件组成。一 高校教师硕上论文 方面监测中心通过g p r s 网络与检测终端进行双向通信收发数据，另一方面进行数 据库管理和w e b 网页浏览服务。上位机软件为用户提供一个可视化界面，实时监 测各地的空气质量参数。通过此软件，可查询历史数据库，查看各地气象信息的 历史记录和统计曲线，从而清楚地了解观测点的综合信息龇蛳n 1 。 2 1 2 检测终端的设计要求 影响空气质量的大气污染物较多，其中我国环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) 所规定的标准污染物( c r i t e r i ap o l u t a n t s ) 有一氧化碳( c 0 ) 氮氧化物( n o x ) 、二氧 化硫( s o ：) 、臭氧( o 。) 、颗粒物( 包括总悬浮颗粒物t s p 和可吸入颗粒物p m i o ) 、铅 ( p b ) 。根据我国空气污染的特点和污染防治重点n 1 ，目前计入空气污染指数( a p i ) 的项目暂定为：n o ：、s o ：和p m 。根据现有空气质量的监测要求，还应该对气象要 素进行测量主要包括大气压强，温度，湿度以及风向、风速等。考虑到该系统的 应用范围和成本以及系统的扩展，主要监n n o 。、s o ：、c o 、p m 。等影响空气质量的 因素以及对传感器性能有一定影响的大气压强，温度，湿度的气象要素，同时预 留一个串口方便了系统的扩展。 由于空气质量监测仪现在还没有国家的统一技术标准，监测要素的基本要求 是根据中国环境监测总站验收d a s i b i 公司产品时的验收标准和美国e p a 对自动 分析仪的性能指标要求以及空气污染物对人体的危害的最低标准，提出本系统中 的技术指标要求；气象要素则采用地面有线综合遥测气象仪观测规范n 钉。具 体技术指标如下： ( 1 ) n o z ：测量范围：0 - - - 2 0p p m ( 百万分之一，p a r tp e rm i l l i o n ，p p m ) ；分辨 率：0 1p p m ；2 4h 零漂0 2 p p m ，采集速率：6 t 2 分钟 ( 2 ) s 0 2 ：测量范围：0 - - - 2 0p p m ；分辨率：0 1p p m ；2 4h 零漂0 2 p p m ，采 集速率：6 次分钟 ( 3 ) c o ：测量范围：0 5 0p p m ；分辨率：1 ：0p p m ；2 4h 零漂2 p p m ，采集 速率：6 次分钟 ( 4 ) p m l o ：测量范围0 1 0 0p p m 分辨率：0 1 p p m ，2 4 h 零漂0 1 p p m ，采集速率： 6 次分钟 ( 5 ) 气压：测量范围：5 0 0 1l o o h p a ，采集的分辨率：0 1h p a ，准确度：0 4 h p a ， 采集速率：6 次分钟( 一分钟共取6 个样本值，取中间大小的4 个值的等权算术平均 值) 。 ( 6 ) 温度：测量范围：一5 0 + 5 0 ，分辨率：0 1 0 ；准确度：0 2 0 ； 采集速率：6 次分钟 ( 7 ) 湿度：测量范围：o 10 0 r h ，分辨率：i r h = 准确度：4 r h ，湿度( 8 0 r h ；8 r h ，湿度 8 0 r h ；采集速率：6 次分钟 7 基于g p r s 的窄气质量雌测系统没计 检测终端基本功能要求： ( 1 ) 各检测终端检测的数据按给定的格式上传到监测中心。 ( 2 ) 具有实时时钟功能，按时间顺序记录数据，检测终端能够存储的数据应不 少于一天的，并留有扩展存储器接口。 ( 3 ) 具有后备电源，应支持多种电源方式：市电接入，电池接入或太阳能电池 等。 ( 4 ) 通信接口支持，支持g p r s 网络连接和其他相关设备连接的r s 一2 3 2 接口。 2 2g p r s 通信原理和组网方式 2 2 1g p r s 的基本原理 g p r s 系统通过在原有的g s m 系统中引。入分组数据单元来提供无线系统上的数 据业务。作为承载网络，g p r s 系统本身采用i p 网络结构，并对用户分配独立地址( 如 i p 或x 。1 2 l 地址) ，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络到移动用户端 到端的数据应用1 3 1 1 。g p r s 系统网络结构如图2 2 所示： b s c 工 b t s _ l 莶竺里垦卜- 里 帧中继网 m s c 璺g 堇堕h ! 里圆丝卜_ 1 q q 革堕卜_ i 堕丝揸r 11 翌! 呈! 望星! i 局域网络i l 里旦g 里li 里盟墨l 匿型l 盟! 里l 图2 2g p r s 系统网络结构 ( 注：b s c ：b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，基站控制器；b t s ：b a s et r a n s c e i v e r s y s t e m ，基站收发系统；p c u ：p a c k e tc o n t r o lu n i t ( g p r s ) 包控制单元；d h c p ： d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l ，动态主机配置协议；d n s ：d o m a i nn a m e s e r v e r ，域名服务器；r a d i u s ：r e m o t ea u t h e n t i c a t i o nd i a lu s e rs e r v i c e ，远 程授权拨入用户服务；n t p ：n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，网络时间协议。) 1 p c u p c u 是分组数据处理单元，它与b s c 协同工作，提供无线数据的处理功能，如逻 高校教师硕l 论文 辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的分配 等。p c u 可作为模块单元插入b s c 中，或者作为独立于b s c 的单元存在。p c u 与s g s n 之间g b 接口采用帧中继协议。p c u 具有g b 接口管理的功能。 2 s g s n s g s n 通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 的连接，进行移动数据的管理， 如用户身份识别、加密、压缩等：通过g r 接口与h l r ( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，注 册地信息注册器) 相连，进行用户数据库的访问及接入控制：通过g n 接口与g g s n 相 连，提供i p 数据包到无线单元的传输通路和协议转换等功能。s g s n 还可以提供与 m s c 的g s 接口连接，以及与s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v ic ec e n t e r 短消息服务中心) 的g d 接口连接，用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信收发等。 3 g g s n g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之间的传输 通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。g g s n 起到路由器的作用，它 与其他相关网络单元如p i x ，d n s ，d h c p r a d i u s 等设备协同时间数据业务的接入 和传送等功能。g g s n 与s g s n 之间的接口为g n 接口，采用g t p 协议类型：g g s n 与外部 数据网之间的接口为g i 接口，采用i p 协议类型。对于网络发起的数据单元传送业 务，g g s n 需要通过g c 接口至u h l r 查询用户相关信息：对于计费信息的传送工作，g g s n 通过g a 接口完成。 2 2 2 组网的方案选择 g p r s 无线数据终端与其他无线数据传输模块的使用不同，它是基t c p i p 协议 进行数据传输，并且上位机( 监测中心) 通常是连接在公网i n t e r n e t ) 上的一台普通 计算机，具有动态的或固定的公网i p 地址，或者是利用g p r s m o d e m 接入g p r s 网络或 从中国移动中获取的数据专线接入，而具有动态的或固定的移动子网( 通常称为 “移动梦网”) i p 地址。根据用户的不同需要，及采用的组网技术方案的不同，组 网方案就不同n 5 】【川。 2 2 2 1 组网方案一 使用固定i p 地址或向中国移动申请数据专线，实现多点对一点的数据传输， 如图2 3 所示。数据采集设备与g p r s 终端可以通过r s 4 8 5 或r s 2 3 2 相连，g p r s 终端自 动拨号登陆g p r s 网络，获得移动子网i p 地址后，主动与接入i n t e r n e t 的上位机建 立s o c k e t 连接并保持，然后将g p r s 终端的i d 号及子网i p 地址通过t c p i p 协议发送 至上位机。这样上位机( 监测中心) 在s o c k e t 连接保持的情况下，就可以实现与g p r s 终端，也就是数据采集设备的通信。该方案具有组网简单，性能稳定，可靠性高， 9 基于g p r s 的窄气质量监测系统设计 用户的使用难度低，使用的灵活性强等优点，适合大用户使用。 图2 3 使用固定lp 的网络拓扑 但是该方案的缺点和不足是上位机( 监测中心) 必须拥有固定i p 地址、或公网 i p 地址或移动子网i p 地址( 数据专线) 。 2 2 2 2 组网方案二 该方案是g p r s 终端通过使用域名解析( d n s ，d o m a i nn a m es e r v e s ) 的方法获取上 位机( 监测中心) i p 地址，从而与上位机建立连接并互相传输数据。该方案的优点 在于其上位机不必拥有固定i p 地址，而是通过域名解析服务提供商获取域名，g p r s 终端通过域名解析得到上位机的i p 地址，从而与上位机建立连接。其网络拓扑结 构如图2 4 所示。但该方案虽然降低了使用固定i p 地址的成本，但是由于采用域 名解析服务，提高了用户的使用成本，而且关于链路维护等使用的运营成本仍然 没有降低。并且域名解析服务的使用，无形中提高了对用户使用的要求。 d n s 服务器目录服务嚣 图2 4 通过d n s 的网络拓扑 根据以上分析和空气质量监测要求考虑，本系统选择与固定i p 通信( 方案一) 做为组网方案，虽然需要申请固定i p ，但是系统的设计难度降低并且实时性能够 高校教师顶l 论文 得到保证，利用a t m e g a l 2 8 及w a v e c o mq 2 4 0 6 a 无线通信模块作为核心设计了g p r s 数据传送终端。 基于g p r s 的空气质量舱测系统设计 第3 章监测终端硬件设计 监测终端作用是通过各种传感器采集相关数据，由单片机控制g p r s 模块将 数据传输到监测中心，同时接收监测中心发来的相关指令，并由单片机控制相关 设备工作。主要包括数据采集部分，控制单元，传输单元，电源部分。基于对空 气质量监测的和g p r s 网络通信需要，本文采用低成本的8 位a v r 单片机，软件 系统的设计在i c c a v r 上进行开发，终端系统采用a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 芯片作为c p u 处理器，使用w a v e c o m 公司的q 2 4 0 6 a 模块作为收发数据的o p r s 通信模块。 3 1 总体设计 监测终端工作原理如图3 1 所示n 7 8 引，a v r 单片机a t m e g a l 2 8 的两个 u s a r t 分别与g p r s 模块和可扩展的其它检测设备进行通信；数据采集部分由气 体传感器、温湿度传感器、气压传感器以及相关的调理电路组成；考虑到系统数 据的运行和暂存需要，扩展了外存和f l a s h 数据存储空间；时钟系统可满足系 统数据的实时性需要。 图3 1 监测终端原理方框图 3 1 1a t m e g a l 2 8 简介例 a t m e g a l 2 8 为基于a v rr i s c 结构的8 位低功耗c m o s 微处理器。由于其先进的指 令集以及单周期指令执行时间，a t m e g a l 2 8 的数据吞吐率高达1 m i p s m h z ，从而可 商校教师硕十论文 以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 a v r 有整套的开发工具，包括c 编译器，宏汇编，程序调试器仿真器和评估板。 其结构如图3 2 所示。 a v r 内核具有丰富的指令集和3 2 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与 算术逻辑单元( a l u ) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独 立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处 理器高1 0 倍的数据吞吐率。 图3 2a t m e g a l 2 8 结构方框图 a t m e g a l2 8 具有如下特点：1 2 8 k 字节的系统内可编程f l a s h ( 具有在写的过程 中还可以读的能力，即r w w ) 、4 k 字节的e e p r o m 、4 k 字节的s r a m 、5 3 个通用i o 口 线、3 2 个通用工作寄存器、实时时钟r t c 、4 个灵活的具有比较模式和p w m 功能的 定时器计数器( t c ) 、两个u s a r t 、面向字节的两线接口t w i 、8 通道1 0 位a d c ( 具 有可选的可编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、s p i 串行端口、 与i e e e11 4 9 1 规范兼容的j t a g 钡t j 试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ，以及 六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时c p u 停止工作，而s r a m 、t c 、s p i 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中 断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时 基于g p r s 的窄气质量舱测系统设计 器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态； a d c 噪声抑制模式时c p u 和所有的i o 模块停止运行，而异步定时器和a d c 继续工作，以 减少a d c 转换时的开关噪声；s t a n d b y 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器 件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展s t a n d b y 模式则允许振荡器和 异步定时器继续工作。器件是以a t m e l 的高密度非易失性内存技术生产的。片内 i s pf l a s h 可以通过s p i 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以 使用任何接口来下载应用程序到应用f l a s h 存储器。在更新应用f l a s h 存储器时引 导f l a s h 区的程序继续运行，实现r w w 操作。通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的 f l a s h 集成在一个芯片内，a t m e g a l 2 8 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本 的方案。 3 1 2 模块q 2 4 0 6 a 简介 q 2 4 0 6 a 是法国w a v e c o m 公司的一款双频g s m g p r s 无线模块乜羽，内嵌t c p i p 模 块，减少了用户开发的难度，可以直接用a t 命令实现模块的t c p i p 连接，6 0 p i n 的z i f 插座，连接方便，作为g p r s 终端的开发是一款不错的模块，主要技术参数： ( 1 ) 双频g s m g p r s ：执行e t s ig s mp h a s e 2 + 的标准，类别4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) 类别1 ( 1 w 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) ，外部3 v 5 vs i m ； ( 2 ) 供电：3 6 v d c 、1 h ，通信中平均电流3 0 0 m a ( o d t x ，p m a x ) ，空闲时3 5 m a ； ( 3 ) 数据特征：q 2 4 0 6 a ( 支持c l a s s l o ) ，下载5 3 6 8 k b i t s s ，上传2 6 8 k b i t s s 数据线路异步传输和同步可达1 4 ，4 0 0 b i t s s ，自动传真g r o u p 3 ( c l a s s1 & 2 ) ，通 话和传真转换，i r d a1 2 a 协议，g p r sw a