（机械电子工程专业论文）数据采集传输终端的研究及在环境监测中的应用.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监铡中的应用研究 摘要 环境监测作为环保各项工作的数据来源、污染度量，环境决策与管理的依据以及环境 执法体系的组成部分，在我国环保工作中具有重要作用。随着全球环境问题的日益突出和 环保事业的兴起，各种监测手段、监测方法、管理水平随着科学技术的进步不断地得到改 善和提高。目前最行之有效的途径和发展趋势就是应用信息技术对监测目标的各项业务进 行在线管理和处理。 环境监测信息系统的建设是一项庞大而复杂的系统工程，对环境监测科学、各类管理 技术、信息系统建设工程和人员培训等方面的要求都很高。目前，国内绝大部分坏境监测 站缺少在这一领域的全面探索和研究。另外国家在“十五”期间提出也提出了加快解决环 境监测信息系统建设中环境监测信息的传输和共享等重要问题，紧紧围绕如何利用嵌入式 技术，把嵌入式以太网通信应用于环境监测领域。本文通过对某环保集团污水采集站的污 水在线监测系统开发方案的设计与研究，探讨在环境监测中结合信息技术特别是嵌入式以 太网技术、客户且务器方式通信技术、数据采集与转换技术等，设计了一套技术先进又切 实可行的环境在线监测信息系统。本文详细论述了应用于环境监测的嵌入式终端对被监测 特征数据的采集、处理及传输所应具备的功能，其设计内容可按章节总结以如下几个方厩： 第一章分析了目前应用于环境监测领域的监测系统的方案设计、监测方法、手段等， 并总结了其特点。接下来介绍了以太网技术及其在嵌入式数据终端当中的应用。最后总结 了本论文课题的研究背景、研究内容及研究意义等等。 第二章论述了本论文的设计出发点，即原有环境监测系统的组成，以及所提出的嵌入 式环境监测系统的方案设计。 第三章介绍了本课题所设计系统的数据终端硬件构成及设计实现，包括三星a r m 7 内 核微处理器$ 3 c 4 4 8 0 的最小系统设计以及其与瑞晟公司网络控制器r t l 8 0 1 9 a s 的接口设 计等等。 第四章介绍了嵌入式以太网数据终端的软件设计，包括嵌入式操作系统u c i o si i 在 $ 3 c 4 4 8 0 上的移植与t c p i p 协议族中应用于嵌入式设计的小型协议栈l w i p 协议栈在u c o s 以及r t l s 0 1 9 上的移植。最后介绍了基于客户f l a 务器方式的数据终端应用程序设计。 第五章介绍了远程数据中心的应用软件设计。首先介绍了该系统白定义的通信协议， 然后分析了其在原有协议栈中数据报当中的嵌入方式，最后给出了数据中心应用软件用户 界面的设计和前后台程序设计。 关键词：环境监测，数据终端，远程数据中心，数据采集，嵌入式，以太网， 嵌入式操作系统，t c p i p 协议栈 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 a b s t r a c t t h ed a t af r o me n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi si m p o r t a n tt oo u rw o r k i n gf o u n d a t i o n ， d e c i s i o n - m a k i n g , m a n a g e m e n ta n dt h ep o l l u t i o nm e a s u r ei nt h ep r o j e c to f e n v i r o n m e n ti nc h i n & a l o n gw i t ht h eg r o w t ho f t h ew o r l de n v i r o n m e n tp r o b l e ma n dt h et e c h n o l o g yo f e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，t h ew a t c h i n gm e a n s , m e t h o d ，t h em a n a g e m e n t l e v e la r ed e v e l o p i n gg r a d u a l l y a t p r e s e n t , t h em o s ta v a i l a b l em c a l ba n dt r e n da r et ou s ea p p l i e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt o m a n a g et h ee n v i r o n m e n to nl i n e b u i l d i n gt h ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mo i ll i n ei sh u g ea n dc o m p l e x i tn e e d sh i g hl e v e l f o ro u rm o n i t o r i n gk n o w l e d g e ，m a n a g e m e n tt e c h n o l o g y , d e s i g np e r s o n n e la n do a ru s i n gp e r s o n n e l a tp r e s e n t , t h ed e p a r t m e n to f e n v i r o n m e n ti sd e v o i do f r e s e a r c hi nt h i sf i e l di nc h i n a b yt h ew a y ， o a rn a t i o nh a sp u tf o r w a r dt os o l v et h ec o m m u n i c a t i o nt r a n s f e rm e a n $ f a s ti nt h ef i e l d ，e s p e e i a l l y d e v e l o pt h et e c h n o l o g yb yu s i n gt h ee m b e ds y s t e mw i t he l h e r n e t t h i st e x th a sd i s c u s s e dh o w t o i n t e g r a t et h ee m b e ds y s t e mw i t he t h e r n e ta n dt h ee n v i r o n m e n tw a t c h i n gt e c h n o l o g yb yd e s i g n i n g a l le m b e do nl i n ee n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m t h i st e x td i s c u s s e dt h ea p p l yo f e n v i r o n m e n t e m b e ds y s t e mw i t hd a t ac o l l e c t i o n ，m a n a g e m e n ta n dt h ed a t at r a n s f e r t h ec o n t e n to f t h i st e x t i n c l u d ef i v es e c t i o n s ： t h ef i r s ts e c t i o ni st h ea n a l y s i so f t h ed e s i g nm e t h o d ，m o n i t o r i n gm e t h o d ，a n dm e a n si nt h e f i e l do f e n v i r o n m e n ta tp r e s e n t i ts u m m a r i z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h e s es y s t e m a tl a s ti nt h i s s e c t i o n , i td i s c u s s e dt h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n d ，c o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo f t h i st e x t t h es e c o n ds e c t i o nd i s c u s s e d t h ej u m p i n g - o f f p l a c eo f t h i sd e s i g n i ti n t r o d u c e dt h ed e s i g no f o nl i n ee n v i r o n m e n te m b e ds y s t e mb a s e do np r i m a r ys y s t e m t h et h i r ds e c t i o nr e s e a r c h e dt h eh a r d w a r ed e s i g no f t h i ss y s t e m ，i n c l u d i n gd e s i g n i n g m i n i s y s t e mo f s 3 c 4 4 8 0 a n dt h ei n t e r f a c ew i t hr t l 8 0 1 9a n ds oo n t h ef o u r t hs e c t i o nr e s e a r c h e dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h i ss y s t e m ，i n c l u d i n gt h en a t u r a l i z a t i o n o f u c o s i i o n s 3 c 4 4 8 0 a n d 仙e n a t u r a l i z a t i o n o f l w l p b o t h o n u c o s l l a n d r t l 8 0 1 9 a t l a s t , d i s c u s s e dt h ed e s i g no f a p p l i c a t i o na n di t si n t e r f a c ew i t hc l i e n t - s e r v e rm o d e t h el a s ts e c t i o nd i s c u s s e dt h ed e s i g ni n t e r a c ta p p l i c a t i o n si nl o n g - d i s t a n c ed a t ac e n t e r a t f i r s t ，i ti n t r o d u c e dt h es y s t e mp r o t o c o lw h i c hi su s e r - d e f i n e d a n dt h e n , i ta n a l y z e dt h ep r o t o c o l h o wt oe m b e di nt h et c p i p a tl a s t , i td i s c u s s e dt h ep r o g r a md e s i g na n dt h eu id e s i g n k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，d a t at e r m i n a l ，l o n g - d i s t a n c ed a t ac e n t e r , d a t ac o l l e c t i o n ，e m b e d ，e t h e r n e t , e m b e do p e r a t i n gs y s t e m ， t c p i pp r o t o c o l n 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彳寻的 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，也不包含为获得堑鎏盘生或其他教育机 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：偬j ；碳签字日期：卅年“占月。7 臼 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、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。本人授权逝姿盘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) 1 学位论文作者签名： 馘碣、 签字日期：如刃年g 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：钐砧 签字吼旧年6 月1 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 第1 章绪论 1 1 我国环境监测领域常见监测系统的发展和种类 我国的环境监测事业起步于上个世纪7 0 年代，8 0 年代形成相对独立的监测机构体系。 从那时起到现在，环境监测信息系统伴随着环境监测事业的逐步壮大。 晟初，传统的环境监测主要基于单台仪器的间断方法，甚至是人工取样实验室分析的 非在线式监测，无法实现数据共享、在线测量和远程控制，对环境质量的突然恶化以及污 染源污染物的突发超标排放无法掌握，常常引起重大污染事故和经济纠纷，具有明显的缺 点1 1 ”。 从最初的手工报表汇总到8 9 年完成的“国家环境监测数据软盘传输统一软件”，国家 监测总站建立了d b a s e 环境常规监测结果数据库，尝试利用计算机辅助编写环境质量报告 书。9 3 年开始起国内主要3 4 级监测站中采用微机内置调制解调卡向上级部门传报常规 定期监测数据，具备了原始的实用型监测信息网络，算是基本有了现代信息管理系统的雏 形i ”。 近1 0 年来，随着信息技术、网络技术的飞速发展，环境监测仪器的计算机化、网络化 也成为不可逆转的潮流，包括空气质量、水质以及污染源监测在内的各种广域、城域环境 在线监测系统也因此迅速得到发展，网络技术、工业测控总线技术、面向对象的软件开发 技术等均在环境在线监测方面得到了良好的应用1 1 1 j 。 目前，各个环保部门所采用的监测系统主要有以下几个种类： 基于现场总线的方法。如图1 l 所示。这种方法对现场监测仪器仪表及传感器等 的接口要求较高，一般是将监测设备仪表等_ j 总线连接起来接到数据中心计算机， 这样就使得可采集仪表的分布范围非常有限，不符合环境监测领域的发展趋势： 分布式的环境监测模式。但是，随着网络技术的飞速发展，如果将现场总线同网 络通信相结合，就能发挥现场总线的优势州。 图1 i 现场总线式环境监测系统 p l c 与计算机结合的方法。如图1 2 所示。p l c 即可编程逻辑控制器以其高度的 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 可靠性和模块化的设计特点广泛应用于工业监控领域，对于环境监测领域，也常 常采用p l c 与p c 机相结合作为终端的方式实施监测。p l c 作为数据采集及处理 单元与各种现场设备、传感器连接，将处理好的监测数据通过串口发送给p c 机， 再由p c 机通过i n t e r n e t 发送至远程数据中心。其优点是终端可靠性高，适应性强、 驱动及监测能力强，可同时监测较多个对象、实时性好，但缺点是体积庞大，需 要单独的p l c 监控柜及可安防p c 的较好环境，因此对现场要求较高、单个组成 终端虽然能监测多个对象，但是环境监测系统往往单个地点的被测对象并不太多， 浪费了p l c 及p c 机的原有资源，而地点相对分散，若每个地点均安放一套，无 疑成本将巨幅上升，单位或部门将无法承受，所以该方式更加适合地点集中而被 监控对象繁多的情况。 数据中心 图i2 p l c 与p c 相结合的环境监测系统 g s m 的短消息( s m s ) 方式。如图1 3 所示。g s m 是目前我国主要使用的蜂窝 数字移动通信系统，目前g s m 通信网己遍布全国各地。在诸多增值业务中短消 息( s m s ) 以其价格低廉、使用方便倍受用户欢迎。现在，该业务也被，一泛应用 于环境监测领域这种方法一般通过短游息数据终端将各个现场监测设备和传感 器连接起来，而数据中心也连接相应g s m 模块，采集数据后由数据终端的手机 s 1 m 卡以发短信方式通知远程数据中心或者负责人移动电话等等。其特点是功能 相对全面、使用多元化，但缺点是实时性相对较差、数据丢失或延迟情况会出现 较多、成本较高、信息传递量相对较少。 2 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 图1 3g s m 短消息( s m s ) 环境监测系统 g p r s 无线采集方式。如图l 4 所示。g p r s 是通用分组无线业务，是在原有g s m 网络上建立起来的。该方法的实现方式一般为现场监测设各和传感器等通过 g p r s 数据终端登陆g p r s 网络，通过g p r s 网络与i n t e m o 网络的无缝连接将数 据发送给连接到了i n t e m e t 的远程主机，同时数据中心连接m o d e m ，因此，数 据中心可通过m o d e m 内的s i m 卡呼叫某s i m 卡对应的数据终端内进行登陆网 络等。该方式的优势是按照流量计费，即使终端一直在线，只要它不传输数据， 就不用付费，另外终端可以永远在线，即一旦g p r s 终端拨号上线，只要不主动 下线，基站系统是不会把终端踢f 线的。但该方式的缺点是由于网络状况不稳定， 终端会经常发生掉线现象，这会使被监测数据不能连续的发送到数据中心，经常 滞后，另外由 f 数据中心要呼叫终端上线到终端发送数据回来的时间较长，同 g s m 方式，其实时性、信息传递量、系统可靠性等均存在一定缺陷p j 。 数据中心 图1 4 基于g p r s 的环境监测系统 嵌入式以太网方式。如图1 4 所示。该方式无疑是当今信息技术进步的最重要的 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 产物。从最初的单片机到目前的a r m 系列、d s p 系列等等，嵌入式微处理器的 集成化越来越强，成本却越来越低。目前，随着嵌入式操作系统、嵌入式网络技 术的飞速发展，由嵌入式芯片开发的各种终端广泛应用于各个领域，包括环境监 测领域也渐渐成为了嵌入式与网络技术结合开发系统大显身手的领地。其体积小 巧、实时性好、现有以太网技术成熟并覆盖面广、传输方式安全可靠、成本低廉、 功能完善、系统组成灵活、开发周期较短，非常适合环境监测领域的分散设点， 集中监测的特点，是目前用于环境监测相关领域的非常好的选择。 图1 4 嵌入式以太网环境监测系统 1 2 以太网数据终端的设计技术及应用特点 1 2 1以太网工作原理及特点 ( 1 ) 概述 随着网络技术的发展，现在的以太网数据率已演进到每秒百兆比特、吉比特甚至1 0 吉比特，通常我们所说的以太网主要是指以下三种不同的局域网技术： 以太网e e e8 0 2 3 ：采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到l o m b p s , 1 0 0 m b p s 以太网：又称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速率可达 1 0 0 m b p s 1 0 0 0 m b p s 以太网：又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率 达到1 0 0 0 m b p s ( 1 g b p s ) 以太网以其高度灵活，相对简单，易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建 网技术。为了使以太网更加完善，解决所面临的各种问题和局限，一些业界主导厂商和标 准制定组织不断的对以太网规范做出修订和改进。也许，有的人会认为以太网的扩展性能 相对较差，但是以太网所采用的传输机制仍然是目前网络数据传输的重要基础。 ( 2 ) 以太网工作原理 以太网是由美国x e r o s 公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴屯缆作为网络媒体， 采用载波多路访问和碰撞检测( c s m a c d ) 机制，数据传输速率达到1 0 m b p s 。虽然以太 4 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监铡中的应用研究 网是由x e r o s 公司早在7 0 年代最先研制成功，但是如今以太网一词更多的被用来指各种采 用c s m a c d 技术的局域网。 以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而i e e e8 0 2 3 规范则是基于最 初的以太网技术于1 9 8 0 年制定。以太网版本2 0 由d i g i t a l e q u i p m e n t c o r p o r a t i o n 、i n t e l 、 和x e r o s 三家公司联合开发，与i e e e8 0 2 3 规范相互兼容1 6 1 。 以太网结构示意图如图1 5 所示： 图1 5 以太同总线结构示意图 以太网i e e e8 0 2 3 通常使用专门的网络接口忙或通过系统主电路板上的电路实现。以 太网使用收发器与网络媒体进行连接。收发器可以完成多种物理层功能，其中包括对网络 碰撞进行检测。收发器可以作为独立的设备通过电缆与终端站连接，也可以直接被集成到 终端站的网卡当中。 以太网采用广播机制，所有与网络连接的工作站都可以看到网络上传递的数据。通过 查看包含在帧中的目标地址，确定是否进行接收或放弃。如果证明数据确实是发给自己的， 工作站将会接收数据并传递给高层协议进行处理。 以太网采用c s m a c d ( 载波监听多点接入，碰撞检测) 媒体访问机制，任何1 ：作站都 可以在任何时间访问网络。“多点接入”就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接 入的方式连接在一根总线上，协议的实质时“载波监听”和“碰撞检测”。“载波监听” 是指每一个站在发送数据之前要先检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有， 则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上 的信号电压。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会因叠加而 增大。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个 站同时在发送数据，表明产生了碰撞，此时就要停止发送，免得继续浪费网络资源，然后 等待一段时问后再发送1 6 1 。 作为一种基于竞争机制的网络环境，以太网允许任何一台网络设备在网络空闲时发送 信息。因为没有任何集中式的管理措施，所以非常有可能出现多台工作站同时检测到网络 处于空闲状态，进而同时向网络发送数据的情况。这时，发出的信息会相互碰撞而导致损 坏。工作站必须等待一段时间之后，重新发送数据。补偿算法用来决定发生碰撞后，工作 站应当在何时重新发送数据帧，一般为随机时间1 ”。 ( 3 ) 以太网技术应用于工业领域的特点 成本低廉 5 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 由于结构简单及便于维护和管理，工业以太网与传统的网络相比。应用成本大幅下降。 首先，从硬件方面来说，由于以太网的广泛应用。市场上有多种硬件产品供用户选择，且价 格相对低廉，如目前以太网卡的价格仅为现场总线的l 1 0 。随着集成电路技术的发展，其 价格还会进一步一f 降。其次，以太网的应用广泛使人们对其技术十分熟悉，可显著降低人员 的开发和培训费用。从而降低系统的整体成本，加快系统的开发推广速度p 柳。 开放性 t c p i p 是定义计算机问通过网络如何进行通信的协议它是目前所实现的最成功的网络 协议，几乎所有的网络底层技术都用于传输该协议的通信。t c p 1 p 协议标准具有开放性， 它独立于特定的计算机硬件与操作系统。因此，具有1 踟p 接口的现场设备无须通过现场主 控计算机，可直接与i n t e m e t 相连。从而实现远程监控和远程维护的功能。而应用t c p i p 协 议的以太网不仅是目前最流行的局域网技术，同时也是当前最具开放性的网络技术。应用工 业以太网技术，现代企业信息化网络中信息管理层、过程监控层及现场设备层即可构成统一 的网络平台。实现企业信息网络、过程监测控制网络和实时操作网络的三网合一。构成统一 的网络平台，实现真正全开放的工业网络”。 应用广泛 以太网是目前应用最为广泛的计算机网络技术。拥有广泛的技术支持，软硬件资源丰富。 软件方面几乎所有的编程语言如c 、v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等都支持以太网的应用开发。 因此采用以太网方式可保证多种开发= 具及开发环境的选择。硬件方面以太网接口芯片非常 普遍，且已从o a ( 办公自动化) 领域扩展到f a ( 工厂自动化) 领域，而且价格便宜，功能齐全。 同时以太网的广泛应用使它的发展一直受到极大的重视和大量的技术投入，从而保证了以太 网技术的可持续发展1 7 1 i 。 带宽高 随着工业网络中传输数据量的成倍增多，工业网络对带宽的要求越来越高。作为一种低 成本技术，当前以太网的标准配置为1 0 ，1 0 0 m b s ，而企业的主干网络则以千兆以太网为 主，以太网的通信速率完全可以满足工业控制网络中因数据的增加而对带宽提出的更高要求 1 7 一。 1 2 2以太网的体系结构 在计算机网络中要做到有条不紊地交换数据，就必须遵守一些事先约定好的规则这些 规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题，这些为进行网络中的数据交换 而建立的规则、标准或约定就是网络协议。 o s l 的七层协议体系结构概念清楚、理论完整，但是却复杂而不实用，而且目前得到 广泛应用的t c p 1 p 协议实际上是一个四层的体系结构，包括：应用层、运输层、网际层和 网络接口层，为了便于理解，其中网络接e l 层也可具体分为数据链路层和物理层，如图1 6 ： 6 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 t c p i ps t a c k a p p l i c a 啦o n t r a n s p o r t i n t e m e t d a t al i n k p h y s i c a l 图1 6 协议栈层次模型 应用层：应用层是体系结构中的最高层。应用层确定进程之间的通信性质以满足用户 的需要。应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作 用的应用进程的用户代理，来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能。应 用层直接为用户的应用进程提供服务h 。 运输层：运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信。因特网的运输层可使用 两种不同的协议，即面向连接的传输控制协议t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) ，和无 连接的用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 。运输层的数据传输的单位是报文段， 面向连接的服务能够提供可靠的交付，但无连接服务则不保证提供可靠的交付，它只是“尽 最大努力交付”p j 。 网络层：网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。在发送数据时，网络层将 运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。网络层的另个任务就是要 选择合适的路由，使源主机运输层所传下来的分组能够交付到目的主机。因特网是一个很 大的互联网，由大量异构网络通过路由器相互连接起来。因特网主要的网络层协议是无连 接的网际协议i p ( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 和许多路由选择协议，因此网络层也叫做网际层或l p 层f 6 j 。 数据链路层：在发送数据时，数据链路层的任务是将在网络层交下来的l p 数据报组装 成帧，在两个相邻节点问的链路上传送以帧为单位的数据。每一帧包括数据和必要的控制 信息( 如同步信息、地址信息、差错控制以及流量控制信息等) 1 6 1 。 物理层：物理层的任务就是透明地传送比特流。“透明地传送比特流”表示经实际电路 传送后的比特流没有发生变化，对于传送比特流来说，这个电路没有对其产生影响。这样 任意组合的比特流都可以在这个电路上传送，但哪几个比特代表的意思物理层是不用管的， 物理层要考虑的是用多大的电压代表“0 ”或“l ”，以及接收时如何判断，物理层还要确定 连接电缆的插头应当有多少根腿以及各个腿如何连接1 6 j 。 图1 7 说明的是应用进程数据在各层之间的传递过程中所经历的变化。 7 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 计算机1 计算机2 图1 7 数据在协议栈中的传递 假定计算机l 的应用进程a p i 向计算机2 的应用进程a p 2 传送数据。a p ! 先将数据 交给第五层，加上必要的控制信息h 5 后交给第四层，再加上本层控制信息h 4 后交给第三 层，依此类推一直到第一层，由于第一层是比特流传送，所以不再加控制信息。当这一串 比特流经过网络的物理媒体传送到目的站时，就从第一层依次上升到第五层，期间每一层 根据控制信息进行必要操作，将控制信息剥去剩余数据信息交给上一层。最后把a p i 发送 的数据交给目的站的麻_ j 进程a p 2 p j 。 虽然应用进程数据要经过如图1 3 的复杂过程才能送到对方的应用进程，但这些法杂 过程对用户来说是屏蔽掉的，以致应用进程a p i 觉得好像是直接把数据交给了进程a p 2 ， 其他的层也是一样，因此各层看起来总的结构就像一个栈，所以称目前应用最广的t c p i p 协议族为“t c p i p 协议栈”。 在t c p 1 p 协议族的应用层协议使用的是客户一服务器方式。客户和服务器都是指通信 中所涉及的两个应用进程。客户一服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。 当a ( 客户端) 进程需要b ( 服务器端) 进程的服务时就主动呼叫b 进程，b 进程就接受 a 进程的请求而建立通信关系，一旦建立成功，通信就可以是双向的，客户和服务器都可 以发送或接收信息，图1 8 画出了这种情况。 图1 8 客户，服务器通信方式 8 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 图1 8 强调了客户一服务器建立通信关系的两个主要步骤，即客户首先发起连接建立 请求，而服务器接受连接建立请求。以后就逐级使用下一层提供的服务，因此整个协议栈 都要用到【2 4 1 。 1 2 3以太网技术的嵌入式应用 在不久以前，以太网还被视为一种办公室的、而非工厂的一种应用技术，但是商业、经 济和技术的因素已经使工业以太网成为关键业务应用的主流。这种普遍应用的通讯技术使得 商业网络和工业网络可以互相连接，或是干脆结合成一体这使得制造商和应用者可以减小 商业事务和关键业务系统之间的隔阂。同时，随着微电子技术和计算机技术的发展，嵌入式 技术也得到广阔的发展空间。特别是进入2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式技术的发展和普及更为 引入注目，已经成为现代工业监控、通信类和消费类产品发展的方向。目前，环保领域、军 事领域以及老百姓生活的用水用电用气等方面也处处可见嵌入式技术的身影，可以说，嵌入 式系统已经渗透到人们日常生活以至国家安全防御体系之中。嵌入式技术发展的核心是嵌入 式微控制芯片技术的发展。当今微控制芯片功能变得越来越强，种类也更为繁多了，当今嵌 入式领域中使用最为广泛的是基于a r m 体系结构的嵌入式处理器，其占据t 8 0 以上的3 2 位嵌入式处理器市场份额。从发展之初至今，a r m 公司已经推出a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ， a r m l 0 ，s e c u r c o r e 以及i n t e l 的s t r o n g a r m 和x s c a l e 等一系列的产品。这些不同版本的处理 器内核，虽一脉相承，但应用背景不同。例如，a p j l 7 系列处理器是针对功耗和成本要求比较 苛刻的应用而设计的；而a r m 9 系列处理器主要应用于下一代的无线设备；s e c u r c o r e l | 是专 为安全设备而定制的。技术的发展要与实际应用相结合，才能体现出技术进步的价值。嵌入 式系统的发展正如日中天，同时基于a r m 核嵌入式微处理器的以太网的嵌入式控制实现也 正在国内外如火如荼的展开。以太网在实时操作、可靠传输、标准统一等方面的卓越性能以 及便于安装、维护简单，不受通信距离限制等优点，已经被国内外很多监测、控制领域的研 究人员广泛关注，并在实际应用中展露出显著的优势。同时，随着嵌入式技术和以太9 目技术 的日益成熟，尤其是一些较为复杂的应用中，嵌入式操作系统如，l i n u x 、v x w o r k s 、u c o s 等以及嵌入式t c p i p 协议栈如l w l p 、u l p 、b s dn e t 等也越来越广泛的被使用。这无疑给一些 复杂系统的设计大大降低了开发难度，提高了系统的安全性和可靠性，缩短了开发周期并降 低了开发成本旷。 1 3 本课题的背景、研究内容及研究意义 1 3 1 课题背景 环境保护是可持续发展的重要内容，也是摆在人类面前的紧迫课题。环境保护是否行 之有效，不仅关系到本代人的生存与发展，更与子孙后代的命运息息相关。在我国，随着 经济的持续高速发展，环境污染己成为不可忽视的公害。目前，人们大多以一定的时间和 9 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监铡中的应用研究 空间间隔对污染水源进行试验；而每次现场取样以后都必须进行复杂和费力的化学实验分 析。这意味这一些干扰不能在取样时及时发现；只有当水的质量极坏时，才能确定有污染。 随着信息技术特别是计算机技术、通信技术，自动化技术的发展，设备监测监控技术实现 了计算机化、智能化，计算机实时监测、分析与自动控制在实际生产环境中得到了广泛的 应用，计算机网络技术的发展和应用，为生产状态、设备运行状态的远程监测、集中管理、 集中分析等提供了条件，提高了工作效率。于是，就提出了对污染水源进行连续的或准连 续的在线监测，以便及早发现水污染的原因并及时用相应措施处理这些污染。本文设计的 基于以太网通信的嵌入式环境监测终端以及远程数据中心应用软件是基于某环保集团现有 的环境监测系统而提出的。目的在于使原有系统更高效、成本更低廉、管理更集中。 1 3 2课题的研究内容 本课题通过对某环保集团公司污承监测系统方案的设计与研究，建设形成一个可覆盖 多个监测点多个处理站的监测信息自动采集网络，对污水处理情况可实现实时监测，如p h 值等等指标。另外该系统，可在局域网覆盖面以内任何一台计算机上对污水处理情况实施 监测，该系统自行设计的数据中心软件还可对监测数据以及各个监测点进行数据库管理、 查询等1 二作，真正实现了分布式设点、实时监测的环境监测发展趋势。具体研究内容可分 为以下几个部分： ( 1 ) 研究目前环境监测系统的种类及发展趋势，明确某环保集团现有环境监测系统的状 况，提出目的系统的要达到的要求，最后给出设计方案。 ( 2 ) 研究嵌入式以太网终端技术的应用及特点，提出将其应用于该环境监测领域系统的 硬件实现。 ( 3 ) 研究嵌入式操作系统u c o s 的体系结构，并在a r m 7 微处理器上的该操作系统的移 植和使用。 ( 4 ) 研究以太网技术以及国际t c p i p 协议族，并研究协议栈在嵌入式系统当中的实现。 ( 5 ) 研究和分析以太网数据通信的特点以及被监测信号，根据用户对数据中心软件设计 的要求完成远程主机的应用软件设计。 1 3 3 课题的研究意义 本课题在总结和借鉴目前环境监测信息化的先进经验和发展趋势基础上，通过对原有 环保集团现有污水监测系统的架构特点，提出更适合其使用的开发方案的设计与研究，探 讨在环境监测中结合信息技术特别是嵌入式技术、以太网技术等等，设计一套技术先进又 切实可行的环境在线监测系统，提高单位现有监测系统的信息化水平，增强环境管理与决 策能力：同时为我国的环境在线监测信息系统理论研究和实践提供一定的借鉴。 1 0 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 第2 章基于以太网技术的环境监测系统的总体方案设计 2 1 本论文研究所依据的原有监测系统组成 课题来源于个污水处理监测系统。原有的污水处理监测系统既是前面所提到的p l c 与终端计算机相结合对监测设备及传感器等进行数据采集和处理发送给远程主机的，对于 实际需要被监测的环境，该系统成本高、体积庞大、对周边环境要求高，不利于大范围推 广，更不利于对该监测系统进行监测范围上的二次扩充。其原有系统的系统图如下图2 1 所示： 图2 1 课题来源的环境监测系统组成 实际上，现场各监测设备及传感器与现场控制柜内的p l c 控制器的i o 口相连，p l c 通过串行总线将采集到的模拟量与数字量数据个一个按照同定格式写入到终端计算机的 e x c e l 文件中去，再由终端计算机内的专_ f j 网络传输软件将数据从e x c e l 表中挨个读出， 然后按照特定协议格式打包通过i n t e m e t 发送给远程主机。 其中，系统采用客户服务器模式通信，终端计算机为客户端，而数据中心为服务器端。 原有监测系统的p l c 约每隔5 秒钟采集一次数据，由终端计算机每隔5 秒钟发送一次数据 给远程数据中心。 2 2 本论文所设计的环境监测系统总体方案 针对原有监钡4 系统的监测及传输要求，本论文提出了利用嵌入式小型终端开发以太网 功能来替代原有p l c 、终端计算机以及特定网络传输软件等来实现同等功能，其具体组成 如下图2 2 所示： 新江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 数据中心 终端 图2 2 嵌入式以太网分散布控多点监测式的环境监测系统 由图可知，本课题设计的系统可实现分布式采集、多点监测的功能。每隔采集点都有 一个嵌入式以太网数据终端模块与对应现场的传感器以及各种监测设备相连接，通过网线 与网络连接，该系统也采用了客户服务器模式的通信方式，但不同的是嵌入式终端作为服 务器端，而远程数据中心是作为客户端，与原有系统相反。这样做土要是考虑到嵌入式终 端开发好以后一般不会经常变动其内部软硬件参数的，比如i p 地址、端口号，而远程主机 一般为工作人员的p c 机，可能由于人事或者使用需要会较多的更改1 p 地址以及使用端口， 经这样设计后，远程主机哪怕更改了网络连接参数，对于终端来说也不需要做任何的改动， 监测功能不受影响。另外，这样一来远程主机即为连接主动方，可以根据需要单独或者同 时选择任意终端实施监测，而且，若根据使用需要对系统添加某些新功能或做一定修改， 则一般直接修改远程数据中心用户软件即可，非常有利于该监测系统的升级和二次开发。 系统设计目标主要如一f 表2 1 所示： 表2 i 设计目标 实现服务器功麓，侦听远程主机的连接请求 数据终端 每5 9 采集、发送数据给远程主机( 循环进行) 理解通信协议并解析远程主机指令，根据指令回应 实现客户端功能，发起对被监测终端的连接或断开 理解通信协议，发送指令。解析，显示发回的数据 远程主机 提供完善的连接状态监测机制，对网络状况敏感，做出相应处理 提供监测数据的存储、查询；终端信息的添加、修改、删除等操作 1 2 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 对于数据终端的服务器功能、数据的采集及发送、远程主机的解析显示数据、存储、 查询等功能都是比较容易实现的，在后面的章节中将陆续给出其实现。 对于由于网络情况不稳定所造成的终端与中心的偶尔断线，作为客户端的远程主机用 户软件所提供的是一套可靠的连接状态监测机制，将有专门的定时器负责时刻监测连接状 态，当发现意外断线后，将立刻发起重新连接请求，该机制是终端将未发送数据进行存储 重发的重要保证。在后面的章节中会给出该机制的具体实现。 浙江大学硕士研究生毕业论文数据采集传输终端在环境监测中的应用研究 第3 章嵌入式以太网数据终端的硬件设计 本论文所研究的环境监测系统的硬件主要为数据中心和嵌入式以太网终端，其中，数 据中心使用普通的个人电脑即可，其软件设计将在第五章讨论。数据终端的硬件设计即为 本章讨论的内容，包括三星a p j v l 7 内核微处理器芯片s a m s u n g $ 3 c 4 4 8 0 的最小系统实现以 及r e a l t e k 公司的网卡芯片r t l 8 0 1 9 与微处理器的接1 3 电路设计等。 3 1 嵌入式以太网数据终端的各功能模块的总体设计 数据终端运行时，采用传统的i o m 以太网的通信速率即可满足要求；相应的，系统实 时性的要求也不高，可定位在秒级。在这种情况下，构造了嵌入式以太网数据终端的硬件 平台总体结构示意图如图3 1 所示。 图3 i 系统终端硬件设计框图 根据各微处理器芯片设计背景可知，a r m 7 系列处理器是针对功耗和成本要求比较苛刻 的应用而设计的，内部自带的附属单元也可以是硬件平台的电路搭建简化不少，所以本设计 最终选定了a i t m 7 内核处理器，对应芯片选定三星公司的$ 3 c 4 4 8 0 ，其广泛的应用使得对应 的设计资料非常齐全，而且其自带8 路l o 位a d 转换和7 1 个同用i o 对可满足本论文的模拟量 及数字量采集和转换指标，也无需另外添加a d 转换芯片。但由于s 3 c 4 4 b o f 日部不带供程序 运行和存储的存储器，所以设计中外接了f l a s h 作为非易失型存储器和s d r a m ( 断电数据 丢失) 作为可读写存储器。这样，应用程序和操作系统、协议栈等代码烧写在f l a s h 存