（计算机系统结构专业论文）基于gprs模式的空气so2浓度监测系统设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 摘要 随着我国工业的快速发展和国民生活水平的不断提高，废气的排放量也日益增 加。空气的质量在不断下降，部分城市的空气已达到严重污染的程度。空气质量的 监测已经成为环保管理部门的工作重点，其中s 0 2 浓度的监测是一个重要的方面。 空气s 0 2 浓度的监测通常采用点分布式信号采集，然后进行数据汇总的方法实现。 如果采用人工作业，即分布摘抄数据的方式进行离散分布式的数据采集，就会造成 监测的误差率高、周期长且开销大。现今无线通信技术飞速发展，利用无线电信 号进行数据传输的技术已经成熟。本文在无线通信技术的基础上，结合我国的实际 现状，采用g p r s 数据传输方式，设计并实现了一种对空气中s 0 2 浓度进行实时监 测的系统。 该系统主要由分布在监测点的数据采集仪和连接i n t e m e t 的监控软件两部分构 成。数据采集仪采集得到监测点所在位置的空气中s 0 2 浓度，将采集到的数据核准 后通过g p r s 网络发送到i n t e m e t 互联网上，监控软件通过s o c k e t 通信方式从互联 网上接收到监测仪发送来的数据，经过对数据验证后将其存入数据库中。监控软件 从数据库中提取数据生成报表，并参照历史数据绘制波动曲线。监测仪在采集到数 据的同时也会与历史标准的s 0 2 浓度值进行对比，当两者的差值超过限定值时，将 自动发送短信息报警。 本系统设计使了用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 c z 无线通信模块实现数据的发送， s 0 2 含量数据由富安达科技的气体传感器采集得到。处理器使用s t c 8 9 c 5 4 r d + 单 片机，并以它为内核编写程序控制s 0 2 传感器数据的量化存储及s i m 3 0 0 c z 模块的 数据收发。 关键词：模数转换；g p r s ；传感器；数据发送 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a si n d u s t r y , t h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r dh a s i m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，i n d u s t r i a le m i s s i o n s a r ea l s o i n c r e a s i n g a i rq u a l i t yi s d e c l i n i n gs t e a d i l y , a n dt h ea i ri nm a n yc i t i e sh a sr e a c h e das e r i o u s1 e v e lo fp o l l u t i o n a i r q u a l i t ym o n i t o r i n gh a sb e c o m eaf o c u so fe n v i r o n m e n t a ld e p a r t m e n t s ，w h i c ht h es 0 2 c o n c e n t r a t i o n si na i ri sa l li m p o r t a n ta s p e c to fq u a l i t ym o n i t o t i n g m o n i t o r i n go fs 0 2 c o n c e n t r a t i o n sc o m m o n l yu s e dm e t h o d so fd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o na n dd a t a c o l l e c t i o na n ds i g n a la n a l y s i s d i s c r e t ed a t aa c q u i s i t i o ni sh i g he r r o rr a t ea n dl o n gc y c l e a n de x p e n s i v e ，i fy o ue x t r a c tt h ed a t ab ym a n u a lo p e r a t i o n t o d a y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi sr a p i d l yd e v e l o p i n g ，t h et e c h n o l o g yo fd a t at r a n s m i s s i o nu s i n gr a d i os i g n a l s h a sm a t u r e d t l l i sp a p e rp r e s e n t sar e a l - t i m em o n i t o r i n gs y s t e mo nt h es 0 2c o n c e n t r a t i o n b a s eo nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dg p r st e c h n o l o g y t h es y s t e md e s i g ni sc o n s i s t so fd a t am o n i t o ra n dm o n i t o r i n gs o f t w a r e w h i c h c o n n e c t e dt ot h ei n t e m e t d a t am o n i t o rc o l l e c t et h es 0 2c o n c e n t r a t i o n so fa i ri n d i s t r i b u t e dl o c a t i o n n l ed a t ao fs 0 2c o n c e n t r a t i o na r ev e r i f i e d ，t h e ns e n tt ot h ei n t e r n e t t h r o u g ht h eg p r s m o n i t o r i n gs o f t w a r er e c e i v et h ed a t af r o mi n t e m e l w h i c hi ss e n t e db u d a t am o n i t o r , t h r o u g ht h es o c k e ti n t e r f a c e t h e r e ，t h ed a t aa r ev e r i f i e da g a i n , t h e np u ti t i n t ot h ed a t a b a s e m o n i t o r i n gs o f t w a r eo b t a i nd a t af r o mt h ed a m b a s e ，g e n e r a t er e p o r t s ， a n dd r a w nv o l a t i l i t yc u r v ec o m p a r ew i t hh i s t o r i c a ld a t a 晒e nt h em o m w rc o l l e c t e dd a t a , t h ep r o c e s s o ra l s oc o m p a r et h ed a t av a l u ew i t ht h es t a n d a r dn u m e r i c a lv a l u eo fs 0 2 c o n c e n t r a t i o n , i ft h ed i f f e r e n c eo ft h e mi sg r e a t e rt h a nt h es t a n d a r dv a l u e ，m o n i t o rw i l l s e n dt h ea l a r mm e s s a g e so u ta u t o m a t i c a l l y t l l i sd e s i g nu s e ds i m 3 0 0 c zw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et os e n dd a t a , w h i c h d e v i c ei sm a n u f a c t u r e db yt h es i m c o m t h ed a t aq fs 0 2c o n c e n t r a t i o ni sc o l l e c t e df r o m t h eg a ss e n s o r s ，w h i c hi sap r o d u c t i o no fa n d yt e c h n o l o g yc o m p a n i e s 砸sd e s i g nu s e d s i m 3 0 0 c zw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et os e n dd a t a , w h i c hd e v i c ei sm a n u f a c t u r e d b yt h es i m c o m t h ed a t ao fs 0 2c o n c e n t r a t i o ni sc o l l e c t e df r o mt h eg a ss e n s o r ，t h a ti s t h ep r o d u c t i o no fa n d yt e c h n o l o g yc o m p a n y t h es y s t e mp r o c e s s o ri ss t c 8 9 c 5 4 r d ，i ti s as i n g l ed h i pm i c r o c o m p u t e r s t c 8 9 c 5 4 r dc o n t r o l st h ew o r ko fs 0 2s e n s o r sa n d s i m 3 0 0 c zm o d u l e k e yw o r d s ：a d c ：g p r s ；s e n s o r s ；d a t as e n t ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 前相荡日期：7 弗年多月乙日 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，即：学校有权 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。本人授权华中师范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。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：而协协 日期：沙7 口年占月? 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞握銮后进卮! 旦圭生；旦二生；旦三堡蕉查! 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 系统设计的开发背景 第一章绪论 经济的发展丰富了人们的物质生活，然而伴随着人类生活水平的不断提高，地 球的环境却在日趋严重的遭到破坏。大气污染、水体污染、土壤污染等一系列的环 境问题已经切切实实的摆在了人类社会发展的道路上。而这些环境问题与人类的生 存息息相关，它的严重性指数要远远超过社会工业的发展及人们物质需求的满足。 工业废水、生活污水的排放，大量化肥、农药、除草剂的使用，造成了严重的 水体污染，它危害了人类的身体健康，破坏了生态环境的平衡。土壤污染使得耕田 农作物减产，植物不能存活，造成了大面积水土流失。工业生产废置气体随意排放， 生活炉灶与采暖锅炉废气的不节制，汽车尾气排放量的激增也导致了空气的严重污 染。在我国空气污染的程度尤其严重，已经严重影响到了我国经济的发展和国民的 身体健康。 大气是由一定比例的氮、氧、二氧化碳、水蒸气和固体杂质微粒组成的混合物。 就干燥空气而言，按体积计算，在标准状态下，氮气占7 8 0 8 ，氧气占2 0 9 4 ， 氩气占0 9 3 ，s 0 2 占0 0 2 ，二氧化碳占0 0 3 ，而其他气体的体积都大约是0 0 2 。 各种自然变化往往会引起大气成分的变化。如，火山爆发时有大量的粉尘和二氧化 碳等气体喷射到大气中，造成火山喷发地区烟雾弥漫，毒气熏人；雷电等自然原因 引起的森林大面积火灾也会增加二氧化碳和烟粒的含量等等。一般来说，这种自然 变化是局部的，短时间吲。 s 0 2 ( 二氧化硫) 是空气污染物中的主要成分，它是一种有毒气体，有强烈的 刺激性气味。在火山爆发时会产生s 0 2 气体，现在许多工业生产制造过程中也会产 生该气体。空气中的s 0 2 含量超标对人体的健康会有很大的危害。因为，人每天都 需要呼吸空气以获得足够的氧气来维持生命，一般一个成年人每天都要平均呼吸2 万多次，空气的吸入量达2 0m 3 左右。在正常的空气环境下，按s 0 2 所占的比例， 每天大约有6 1 0 31 3 1 3 的s 0 2 气体从人体肺器官中流过。而人体本身具有很强的免疫 力，能分泌生物酶中和这些微量的有毒气体对身体造成的伤害。但是当空气被污染， s 0 2 的浓度高度超标时，人体中的这种平衡就被打破了。 大量二氧化硫被吸入后，首先会经过呼吸道，因为s 0 2 的水溶性很高，所以很 大一部分留在了上呼吸道中。上呼吸道粘膜上的水分子能吸收s 0 2 ，生成硫酸、亚 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 硫酸等具有腐蚀性的硫酸化合物，使得对粘膜的刺激增大。二氧化硫被吸收后还可 以溶入血液中，而血液的p h 值偏酸性会对全身的器官产生毒副作用。硫酸、亚硫 酸可以破坏生物酶的活性，对身体中碳水有机化合物和生物蛋白的代谢有显著的抑 制作用，尤其对肾脏、肝脏损害严重。医学临床证明，人体吸入二氧化硫导致的强 酸中毒，整体器官的免疫力会大幅度降低。 ， 由此可见，当大气中s 0 2 的浓度很高时，对人体的毒害非常大。它使身体严重 中毒，呼吸困难，持续下去病症还会急剧恶化，甚至短时间内夺去人的生命。然而， 即使空气中s 0 2 的浓度不高，由于人体长期吸入这种受污染的空气，也会引发很多 呼吸道疾病，如：慢性呼吸道感染、咽炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等。 此外二氧化硫浓度很高还对植物造成危害，植物的叶子、茎暴露在空气中可以 吸收s 0 2 ，它能使植物的表皮组织坏死导致叶子的表面产生黄斑，严重的可以直接 促使叶子枯黄脱落。轻微的s 0 2 污染，也会影响植物的生长，它可扰乱植物的内部 生理机能，使植物的根、茎或者叶子发育不良，叶绿素机能减退，农作物的产量下 降。s 0 2 污染严重的区域，空气流动性差，遇到阴雨天气还会形成酸雨，因为s 0 2 会溶入下落的雨水中并经过化学反应生成硫酸。酸雨的危害是巨大的，能是土壤迅 速酸化，危害农作物，对金属物件、建筑等都有腐蚀和破坏作用。 近年来我国的工业得到了快速的发展，很多国外的原料生产线工厂也迁向了中 国，有人预测在未来2 0 年内，中国将成为全世界生产化工基地世界工厂。这 种发展一方面对我国有利，它推动了我国经济的发展，创造了很多工作岗位和劳动 价值：而另一方面它也使中国的环境面l 豳一个严峻的考验。 据统计现在全国各大城市的空气质量都不是很理想，2 0 1 0 年3 月1 0 日全国6 9 个重点城市中空气质量为优的只有1 4 个，所占比例不到2 1 3 ；空气质量为轻微污 染的城市有7 个，占到全部城市比例的1 0 1 。很多重工业城市的空气质量都为轻 微污染，局部区域达到严重污染的等级( 如：乌鲁木齐、南昌等) 。其中s 0 2 为主 要空气污染物的城市有6 个，占全部比例的8 7 7 3 】。污染事故时常发生，太原市 于2 0 0 9 年1 1 月8 日拉响环境空气质量“黄色警报”，启动了“黄色”预警执行方案。 太原市要求电力、冶金、建材、化工行业和其他企业常年运行的燃煤锅炉全部限产 1 0 ；所有建筑( 拆迁) 工地土方作业全部停工，覆盖建筑( 拆迁) 工地现场内所 有易扬尘物料，禁止露天堆放【2 。截止当月8 日，太原市连续4 天空气为轻微污染， 局部严重污染，其中s 0 2 超标o 7 l 倍，严重地区浓度超过标准3 倍以上。 大气的保护迫在眉睫，对此世界各国都展开了积极行动，而环境数据的监测就 是行动的第一步。s 0 2 是空气污染中的主要污染体，对它的监测更应该加大重视。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 本文以空气质量监测为出发点，展开设计，对空气中s 0 2 的含量做了科学准确的监 测。 1 2 国内外研究现状 进入了2 l 世纪，我国的信息通信技术得到了飞速的发展，特别是无线网络通 信技术更是突飞猛进。这对于空气质量监测来说无疑是一个福音，利用无线网络作 为信息数据传输的载体进入了自热化的研究阶段。g s m 是其中一种发展良好的无 线通信技术，它的全称为g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，即全球移动通 讯系统，也称作“全球通”。g p r s 是一种通用分组无线服务技术( g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ) ，它是g s m 无线通信技术的一种移动数据业务，是g s m 的延续。目前利 用g p r s 技术进行数据传输已经逐渐为人们所采用，其传输速度快、可靠性高，所 需资费却非常低。 1 2 1g p r s 的发展 g p r s 是第二代移动通信技术向第三代移动通信技术发展的中间阶段的技术， 因此它也经常被人们称作2 5 代通信技术。现在3 g 的通信刚开始推广，而g p r s 技术已经非常成熟了。从技术方面，它是利用了g s m 网络中没有使用的t d m a 通 道，提供一种分组交换式服务。g p r s 数据的传输速度比较快，是普通g s m 传输 速率的1 0 倍，可达1 1 4 k b p s 。它的数据在传输过程中被分割成很多数据包，数据包 的大小不固定，每一个包的包头部分被加注了该数据包的目的地址、大小、分割后 的序号等数据属性。在信道资源上，g p r s 的数据包是即到即发的。它不需要事先 分配资源，有数据包要发送会即时寻找空闲信道将其发送。因此，数据传输不连续 也不独占信道资源，信道成为用户之间的一种共享资源。网络上对数据的需求普遍 有突发性的特点，用户占用网络信道后并不是持续的传输数据，而是在某个时间段 使用，这就导致了资源的利用率不高。g p r s 的这种分组交换方式恰好弥补了这一 缺陷，提高了信道的利用率。空气质量监测得到的数据量很大，它对数据的实时性 要求却不是很高，采用g p r s 数据传输技术是一种可行的解决方案。 监测数据源主要是由传感器进行采集的，它是数据准确性的第一层屏障。近十 年来，传感器制造业得到长足发展。传感器的采样精度提高了，价格却下降了很多。 科学研究的新发现，人类对自然界物理反应、化学反应、生物反应等的新认识促进 了传感器的发展。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 传感器由模拟走向数字化是传感器发展的一大特点，传统的传感器结构简单而 且输出的都是模拟信号，信号传输比较困难且失真非常严重。相比而言，数字化传 感器的输出都是二进制码，按照统一的标准分段输出，数据的精度大、速度快，信 号不易失真。传感器有单一向集成化、智能化方向发展是传感器发展的另一大特点。 传统的传感器仅仅是一个简单的采集装置，而集成传感器功能丰富了很多。它的优 势是传统传感器无法比拟的，在设置采集电路的同时，实现了辅助电路元件与传感 元件同时集成在一块芯片上，使传感元件有校准、补偿、自诊断和网络通信的附加 功能。由于体积变小了，相应材料耗费降低了，从而带动了成本的压缩，而产量却 反增了很多。另一方面，集成化的传感器内部加置了微处理器，可以实现对传感装 置的内部控制。它是计算机控制技术和传感器技术的组合体，不仅有采集数据的功 能、还具备了控制和信息处理功能。多个传感器之间协同测量，对误差数据有自诊 断和自校准功能。 从制作工艺上，新的技术引领了传感器新的功能；在加工生产上，新材料的使 用同样刷新了传感器的性能。纳米粒子聚合物是一种新合成的材料，它能随周围环 境的成分参数大小成比例地吸附和释放空气分子，如水分子、s 0 2 分子等。将高分 子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对测量物的浓度。利用这 个原理制成的等离子聚合法聚苯乙烯薄膜气体传感器，具有测量范围宽、响应速度 快、尺寸小、可用于小空间空气测量。传感器技术在测量精度和速度上的迅猛发展， 一方面来自于科学技术的进步，材料创新和物理控制技术的发展，另外一方面则源 于传感器在社会各领域的广泛应用。现在，在人们的工作场所、家庭及娱乐场所中 都遍布着这样或那样的传感器，这些传感器丰富了人们的工作和生活。而人们对传 感器数量及质量功能的需求同样也驱动了传感器的不断更新与交替。 1 2 2 环境监测的发展 1 8 5 6 年，法国成立了世界上第一个天气预报系统，其后天气预报广泛的传播开 来。新中国成立后，我国也逐步建立了自己的完善的天气预报系统，并在2 0 0 1 年6 月5 日加入了空气质量预报。现在，空气质量成为环境监测中的重点，人们对于空 气质量的意识也越来越强。随着计算机的出现以及网络的普及，各地方的环境数据 可以轻松共享。目前，很多i n t e m e t 网站都会挂载当地当天的环境数据。空气监测 系统是一种对空气中的污染物进行定点、分布或随机监测的仪器，它也逐渐被人们 接受并使用。 4 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 上世纪9 0 年代，我国的无线数据传输与数据采集监控技术还不是很成熟，9 0 的监控设备都需要进口。进入2 l 世纪，随着我国对远程数据采集技术的吸收和消 化，国产的传感监控设备开始迈向市场，截止2 0 0 5 年6 月，国产监控及数据采集 设备已占国内市场份额的6 8 。相比国外的设备，我国自产的系统还有很多不足。 比如在设备的高可靠性、灵活性、智能化、决策应急等方面与国外产品还有差距。 但是国内系统的性能已经达到基本的使用要求，而且价格比进口的设备要低很多。 外来设备一整套就需要花费几万乃至几十万美元，只一个终端就要几千美元不等； 而国内的产品单终端价格却大多在一千元人民币左右，性价比较高。 1 2 3 软硬件协同设计 随着电子技术和计算机软件技术的发展，系统的研发设计流程也在不断的改 进。传统的系统设计是先硬件设计再软件设计的模式，这种设计模式需要等待软件 设计完毕后再进行软硬调试，或硬件设计完毕后软件边设计边调试。当软件设计出 现不可跨越的障碍时，就需要再重新修改硬件，这样的反复修改、反复调试直到系 统设计完成。在整个传统模式的系统设计过程中，设计的成败很大程度依赖设计者 的经验，设计的成本很高，周期也比较长，而且很大几率的出现最终的设计性能与 原始计划有偏差。软硬件协同设计是一种新的设计思想，它把软件设计与硬件的设 计并行起来，在系统设计上统筹软硬件，达到同步开发的目的。现在，软硬件协同 设计已经在慢慢的接替传统的设计模式，它最初应用在嵌入式系统设计上，它的设 计思想也在逐步渗入其它系统的设计过程中。 软件硬件协同设计的基本流程： ( 1 )确定系统的整体性能，明确系统的使用环境，并用硬件和软件语言进行 系统描述及功能验证； ( 2 )对硬件和软件功能实现进行划分，划定功能模块，进行模拟仿真； ( 3 )对系统进行详细的软件硬件设计( 软硬件协同，并行进行) ； ( 4 )查看系统功能，对系统作测试，完善系统设计。 1 3 本论文的主要内容和技术 本论文从空气质量监测为出发点，结合g p r s 无线通信技术与s t c 8 9 c 5 4 r d + 高性能单片机控制技术设计了一种对空气中s 0 2 浓度进行监测的系统解决方案。系 统一方面设计监测仪在环境监测点采集数据，并将数据模数转换后发送到i n t e m e t 。 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 另一方面设计软件监控端从i n t e r n e t 上接收数据并存储分析。 本论文研究的技术路线： ( 1 )实现了对空气中s 0 2 数据的采集，模数转换后对数据进行了十分组校 准，去除了误差数据，并用单片机控制将数据暂存： ( 2 )通过g p r s 通信完成了远程数据的传输，传输使用了u d p 网络协议， 用嵌入a t 命令方式实现，将数据发送到i n t e r n e t ； ( 3 ) 设计短信报警功能，a d 转换得到数据与基准值比较，超标时控制无线 通信模块发送短消息到固定手机报警，其中数据传输用g p r s 通信与a t 命令控制 实现。 ( 4 )开发上位机软件接收i n t e m e t 的数据，使用s o c k e t 通信方式，通过i p 地址与计算机端口号确定数据包目的地址，数据接收存入数据库，使用时调出数据 进行分析研究。 1 4 本章小结 本章中简要介绍了系统设计的背景，空气质量监测国内外发展的状况，结合无 线通信技术的发展，对系统设计的意义进行分析，得到本文所要做的工作。 6 第二章系统设计概述 空气的污染给人类的生存与发展带来了巨大的危害，论文设计了一套监测系 统，对空气中s 0 2 进行监铡。本章的内容从整体上对监测系统进行阐述，主要讲述 系统的功能原则、设计框架、g p r s 数据传输流程和数据接收的控制与分析。 2 1 系统设计的功能与原列 2 1 1 系统设计的功能 系统可以实现采集某区域中多个分布点的环境数据，并将数据以无线通信方式 发送，与i n t e r n e t 连接的计算机接收这些数据并进行存储分析。具体来讲，设计s 0 2 监测仪分布在环境中的监测点，它采集空气中s 嘎的浓度，将数据通转化为数字信 号发送出去。远程接收端为系统设计的监控软件，它安装在一台与h a t e r n e t 连接的 计算机上，可以接收监测仪发送来的数据。接收的数据被存储在专用数据库中，监 控软件调用数据绘制列表、动态曲线图对监测点的情况进行分析。如图2 一l 所示： l ；| l 函 名 i 。1 一( ”气 硬件采藏终端 圈2 - 3 系统功能流圈 2 1 2 系统设计的最爿 系统的设计原则有三个：健壮性、准确性，实用性、可靠性，高效率、低成本 ( 1 ) 健壮性、准确性 系统在恶劣环境下能正常运行，监测仪设计应该防水、防晒 崾一 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 信号灵敏，系统能覆盖弱信号地区 采集数据精度高，时间信息误差低 ( 2 )实用性、可靠性 负载平衡，能长期工作 数据传输安全，信息不外漏 数据存储安全，定时备份 数据传输容量大，实时性强 ( 3 )高效率、低成本 采集间隔可调，数据传输速度快 系统总成本低，数据传输费用低 2 2 系统总体设计结构 2 2 1 系统结构的组成 本系统总体主要由传感器模块，无线通信模块，处理器控制模块，g p r s 传输信 道，上位机数据接收模块组成。 ( 1 ) 传感器模块 传感器模块的功能是采集环境中的数据信息。本系统的数据主要是空气中的 s 0 2 浓度，此外还有空气的温度和湿度值。系统中使用的传感器是富安达智能科技 公司生产的，型号为s o ；c f 一2 0 ，其工作寿命在一般空气中为2 年，测量范围卜 1 0 0 p p m ，响应时间小于2 5 秒。 ( 2 ) 无线通信模块 此模块包括信息收发模块和s i m 卡，主模块采用s i m c o m 公司的s i m 3 0 0 c z 产品。它是一款按键控制的g s m g p r s 三频模块，可以发送和接收数据信息和音 频信息。s i m 卡为普通的手机卡，并为其开通了g p r s 流量业务。 ( 3 ) 处理器控制模块 控制处理器为单片机，s t c 系列，由宏晶科技公司制造。以它为控制核心， 协调各模块正常运作。选用此系列的单片机，可实现低功耗、抗干扰，低造价。它 支配控制传感器模块，液晶显示模块，模数转换等模块的工作。 ( 4 ) g p r s 传输信道 g p r s 全称g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，中文名称为通用分组无线服务。它是 一种g s m 数据业务，给用户提供分组数据服务。系统使用g p r s 信道实现远端数 8 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 据网络连接，进行数据传输。它的传输速率很高，理论上永远在线，按流量计费。 g p r s 通信技术使用数据包分段发送传输的机制，它类似于广播式的服务，可 以实现多个用户同时使用信道资源。在无线传输接口的t d m a 帧中有8 个数据通 道段，如果在某一时刻，数据的传输占满信道，则数据的传输速率可以接近2 0 0 k b p s 。 g s m 无线传输空间是语音和数据传输共用的，在语音数据空当时，用户可以定义 整个信道资源作为数据传输使用。 ( 5 ) 上位机数据接收模块 数据监控软件，也称上位机终端。使用v c ( m i c r o s o rv i s u a lc + + ) 编写的应用 软件，它接收i n t e m e t 传输的数据，将其存入数据库中。上位机的另一功能是绘制 曲线图，定制列表分析数据。接收数据它使用了s o c k e t 接口技术，从计算机的固定 端口接收数据包。数据库使用的是微软公司o f f i c e 组件a c c e s s 数据库。 2 2 2 系统的工作流程 本系统设计的目的是采集空气中的s 0 2 浓度数据并进行分析，从功能流程上可 将系统划分为三部分：监测仪、g p r s 通道、软件监控端。下面结合图2 - 2 ，对系统 设计的工作流程做详细的分析。 ( 1 )a ：监测仪采集环境中的数据。环境中的数据由传感器采集得到，其 采集的数据为模拟信号。经到 a m 转换器进行信号的模拟量到数字量的转换。 为无线通信模块，它由处理器控制，接受命令将处理器存储的数据，以无线通信 方式发送出去。 ( 2 )b ：g p r s 信道。监测仪的无线通信模块发送的数据，由基站信号塔首 先接收。( 1 ) 为基站接收模块，它有信号铁塔、g s m 基站信号系统、基站控制器组 成，负责接收g s m 信号。( 2 ) 为g p r s 服务支持节点( s g s n ) ，它包括一个多动能 服务器( m f c ) ，s g s n 的英文全称是s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e 。它是g p r s 核心网分组域设备的主要组成部分，实现分组数据包的路由转发、移动性管理、会 话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。( 3 ) 是g p r s 主干网， 负责传输数据，它可以与边界网关( b g ) 、域名服务器动态主机协议装置 ( d h c p d n s ) 、收费网关( c g ) 、g i n 连接。( 4 ) 为g p r s 支持节点网关( g g s n ) ， 它能实现网络接入控制、维护路由表，实现路由选择和分组的转发、用户数据管理， 实现对分组数据的过滤、移动性管理等功能。( 5 ) 为因特网( i n t e r n e t ) ，在由g g s n 到i n t e m e t 的连接中要设置防火墙，过滤干扰数据。 9 传感8a f o 转欹嚣无线肯摸块n 帑。 甲日卿日鼽ol l ! “ bzg p r s 信道 伊甸。蕊 鞭? 孽日 c ：控软件端j 自甘紊扫遘扫 阿2 - 2 统的t 作流程目 ( 3 )c ：软件监控端。数据由l n l e r n e t 传入软件监控端。首先通过t 微机设 备，它与i n t e m e t 连接，有固定的i p 地址，能通过网络接收数据。i i 为监控软件， 它安装在微机设各上，能处理接收的i u t e m e t 的监控数据，并进行分析。监控软件 与i i i 数据库是交互连接的，监控软件可阻向数据库写人数据，也可以提取。i i i 数据 库，设计中使用了a c c e s s 和o r a c l e 数据库进行测试。 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 3 系统的设计原理 本系统设计为软件硬件协同设计，应用控制遵从了单片机控制原理和g p r s 通 信原理。 2 3 1 单片机控制原理 单片机的基本组成包括c p u ( 中央处理器) 、r o m ( 只读存储器) 、r a m ( 随 机存储器) 、i o 接口( 输入输出接口) ，系统总线。与计算机结构类似单片机的处 理器是整体的控制逻辑单元，r o m 、r a m 是存储单元，i o 接口接外围电路。单片 机使用的模式是r i s c ( 精简指令集) ，设计了中断逻辑控制。单片机内部有时钟电 路，其在运行计算时，依靠内部时序能有节奏的执行。对外部设备的控制，一般是 通过p o 、p 1 、p 2 、p 3 接口实现的。单片机控制结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 单片机控制结构图 2 3 2g p r s 通信原理 己渗 嘲2 4g p r s 通信原理幽 通用分组无线传输( g p r s ) 是在全球移动通信系统发展过程中出现的数据传 输附加功能。它是叠加在现有移动通信系统网络中的个子网络。g p r s 网络的建 立，在原有的通信系统网络资源的基础上另外增加了两个子模块：g p r s 服务支持 端( s g s n ) 和网关g p r s 支持端( g g s n ) 。g p r s 通信网络与原移动通信系统共 同使用系统网络的b s s 资源，对于原网络基于语音数据的传输模式，g p r s 要对系 统的软件和硬件进行部分的更新替换。另外，g p r s 和原移动通信系统各网络实体 的接门模块还要作相应的区分界定。硬件设施来讲，移动嘲结终端应该提供肘g p r s 数据传输业务的兼容。g p r s 的数据传输实现了mg g s n 模块中转处理与p s p d n 的信息瓦连，接口的网络协议采用x7 5 和x2 5 ：另外，g p r s 还实现了通过坤 地址使移动终端与互联网直接进行数据通信。下面介绍b b s 、s g s n 、g g s n 的相 应功能。 b s s ：基站系统 基站系统包括b s c 和b t s 两部分。b s c ( 基站控制器) ：管理控制一组信号工 作基站，功能是控制分配无线网络数据中转，瞥理无线区域、无线信道、无线设各 的数据操作并进行维护，提供从基站到移动交换中心之间的交互接口。b s c 的功能 为：无线基站的监视与管理、无线资源的管理、处理与移动台的连接、定位和切换、 寻呼管理、传输网络的管理、码型变换功能、话音编码、b s s 的操作和维护。b t s 全称为b a s et r a n s c e i v e rs t m i o n ，也称为基站收发台。它在结构上分为基带单 9 呈9 畜 i 、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 元、载频单元和控制单元三个部分。b t s 有b s c 控制，实现区域数据的无线 收发。b t s 在功能上可以比作一个无线调制解调器，它负责移动数据的转换发送。 b b s ( 基站系统) 可以实现语音数据传输的功能。此外，要实现g p r s 数据传输还 要具备能与s g s n 模块连接，分时间段的对数据信道进行管理。 s g s n ：g p r s 服务支持端 g p r s 服务支持端为寻访客户提供服务，与移动交换中、寻访位置寄存器、设 备标识寄存器结合实现移动数据的管理功能，如漫游、登记、切换、鉴权等；实现 逻辑链路的信道管理，如逻辑链路的建立、维护和释放；还可以实现无线资源的数 据管理。g p r s 服务支持端为寻访客户主叫或者被叫请求提供管理分配工作服务， 完成数据分组的接收及信号加强发送，地址翻译，加解密及数据压缩。s g s n 可以 实现多接口和协议键的转换，如：g b 与s n d c p 、l l c 与g n 接口。 g g s n ：网关g p r s 支持端 网关g p r s 支持端实现的是传统的网关或路由器的功能，它以x 2 5 或者x 7 5 的协议调节连接g p r s 和公共的分组数据网络，或者将多个g p r s 终端设备进行互 联。g g s n 与s g s n 相类似，都分配了具体的m 网络地址，由此g g s n 和s g s n 合作一起实现g p r s 的网关、路由功能。网关g p r s 支持端支持x 1 2 1 标准编址方 案和t c p i p 协议，能够通过p 协议接入因特网，同时也可以接入综合业务数字网。 2 4 系统设计流程 系统设计分为硬件电路板的设计和上位机程序与接收端软件设计两部分，其流 程如下图所示。 ( 1 ) 系统硬件设计流程 图2 - 5 系统硬件设计流程图 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 2 ) 系统软件设计流程 源程序编写 j l 初始化k e i l 编辑 评测端 l 生成攀文件l似竽l 善理器l 汇编语苦编译器 宏类型库 目标文件生成 微机系统 连接目标文件 软件仿真i + 1 软件开发系统 生_ 瓯日j 帆仃义 i l l = 0 调试器 - i 评测模块 l + j 倍古拂 单片机目标系统 r i 们县祆 图2 - 6 软件设计流程图 2 5 小结 本章对系统设计的总体结构作了介绍，对系统软硬功能的划分、设计原理，硬 件设计流程、选用器件，软件设计的流程作了具体分析。 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章系统硬件设计 本章的内容是对系统的硬件监测仪部分进行设计，主要包括：硬件部分的构成， 各模块的具体电路设计，模块的功能及特点。 3 1 系统硬件电路结构 厂习 口l电源模块 一e 1 1 。”。“、 无线通信模块 产哐 u 显示模块 我叫 p 0 1 十0 7 j p i d _ p 1 7 叫 8 幽3 3 葡 一 1 复位电路卜 9 , - - 4 3 2 月 温湿度传感器 l1 0 盆 3 1羚 p 2 3 、p 2 4 亡 1 1 写 3 0 按键模块 叫 1卜 p 3 2 p 3 5 厂芒箔 舀 ：2 ，8 (： s 0 2 传感器 p 2 0 、p 2 1 、p 2 2 蚓p 2 5 - - 制p 2 7卜措盼7h 图3 - 1 系统硬件电路结构图 如图3 - 1 所示，监测仪以单片机为核心，控制硬件系统的工作。硬件电路整体 划分：l ：s i m 3 0 0 c z 无线通信模块，2 ：复位电路模块，3 ：按键控制电路4 ：蜂鸣 报警电路，5 ：处理器芯片，6 ：电源模块，7 - l c d 液晶显示模块，8 ：温湿度数据采 集模块，9 ：s 0 2 数据采集模块，1 0 ：液显控制电路。 3 2 处理器芯片及外围电路 3 2 1 单片机s t c 8 9 c 5 4 近3 0 年来，半导体处理器技术飞速发展。现今，单片机控制技术已经非常成 熟。单片机技术的发展与微处理器技术( m p u ) 和超大规模集成电路的发展息息相 关，它的广泛的应用领域也进一步拉动了其个性化的发展。随着电子技术的发展， 大规模、超大规模集成电路和制造工艺的进一步提高，使得单片机具备了高可靠性、 1 5 ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 高性能比、低电压、低功耗等一系列优点，广泛应用于工业控制、数据采集、智能 仪器仪表、智能家用电器等领域。 本系统选用宏晶科技公司的s t c 系列单片机s t c 8 9 c 5 4 做主控制芯片，下面对 其作简单介绍，如图3 2 所示 图3 - 2 处理器引脚图 s t c 8 9 c 5 4 d 单片机性能及特点： 增强型1 2 时钟周期r i s c8 位处理器，工作电压为5 5 3 4 v ，( 也可用3 8 2 0 v ) 。 工作频率范围：o - - 4 0 m h z ，可超频。 数据应用程序空间为3 2 6 4 k 字节，芯片上集成了1 2 8 0 字节的随机存储器 ( r 6 m ) 。 通用的输入腧出( i o ) 接口3 2 个，复位接口，p 1 、p 2 、p 3 是标准的双向弱 上拉口。p 0 是开漏输出的接口，总线扩展时，不用加上拉电阻，但在作输入