張海濤，聶詩(shī)良

(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也影響著環(huán)境，環(huán)境保護(hù)已成為維持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為此，環(huán)保部門需要對(duì)各生產(chǎn)企業(yè)眾多污染排放點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心，經(jīng)分析、處理后形成各種報(bào)表，作為衡量污染物排放是否達(dá)標(biāo)的重要依據(jù)。

由于環(huán)境監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分散、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式不能適應(yīng)大范圍監(jiān)測(cè)的需要，特別是在不便布線的特殊場(chǎng)合。通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS[2-3](General Packet Radio Service)技術(shù)作為一種成熟的商用無線通信技術(shù)以其覆蓋區(qū)域廣、通信快捷、準(zhǔn)確、費(fèi)用低廉、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)非常適合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的連接，采用透明的TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

以煙氣監(jiān)測(cè)為例，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸過程由1個(gè)采集傳輸儀和1個(gè)GPRS通信模塊完成，GPRS通信模塊通過RS-232接口與采集傳輸儀相連。每個(gè)傳輸儀有8個(gè)模擬量輸入通道與現(xiàn)場(chǎng)煙氣檢測(cè)傳感變送器(檢測(cè) SO2、NOx、CO、HCL、NH3和 CO2等煙氣成分)[7]相連。采集傳輸儀以固定時(shí)間間隔輪詢采集各數(shù)據(jù)輸入通道并將采集數(shù)據(jù)暫存入存儲(chǔ)器中。傳輸儀在接收到監(jiān)測(cè)站命令后，將所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。

2 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件設(shè)計(jì)

2.1 污染源數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

傳輸儀工作在污染物排放現(xiàn)場(chǎng)，在不同的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其監(jiān)測(cè)物理量及監(jiān)測(cè)規(guī)模是不同的，所以傳輸儀具有監(jiān)測(cè)物理量及監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)不確定、距離環(huán)保監(jiān)測(cè)站遠(yuǎn)、工作過程無人值守、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間不確定的特點(diǎn)。因此，傳輸儀在硬件設(shè)計(jì)上應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：

(1)數(shù)據(jù)采集傳輸儀采用模塊化設(shè)計(jì)，單個(gè)采集模塊具有多通道輸入，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)規(guī)模增減模塊、組合模塊；

(2)考慮現(xiàn)場(chǎng)接線及系統(tǒng)維護(hù)的方便性，采集模塊采用開放的傳感器硬件接口，即各傳感器接口不指定連接傳感器的類型，4 mA～20 mA信號(hào)輸出的傳感器都可以按照固定接線方式連接到任意傳感器接口上。監(jiān)測(cè)站根據(jù)傳感器接口編號(hào)與傳感器類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)標(biāo)度變換過程；

(3)選用精度較高的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，以滿足不同監(jiān)測(cè)物理量的數(shù)據(jù)要求；

(4)具有看門狗復(fù)位，以避免在無人值守工作狀態(tài)下因系統(tǒng)死機(jī)帶來的監(jiān)測(cè)點(diǎn)遺漏問題；

(5)傳輸儀具有開關(guān)量輸入、輸出功能，以方便設(shè)置傳輸儀的工作方式，滿足傳輸儀擴(kuò)展需求。

印度的醫(yī)療旅游最早開始于20世紀(jì)90年代中期[7]，經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為全球最受歡迎的醫(yī)療旅游目的地之一。2016年醫(yī)療旅游指數(shù)(Medical Tourism Index)評(píng)分中，該國(guó)的醫(yī)療旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平得分75.94分，居世界第一位，其他的兩項(xiàng)為目的地環(huán)境和旅游設(shè)施與服務(wù)質(zhì)量分別居世界第12位和第3位，綜合得分為世界第六位[8]。印度醫(yī)療旅游人數(shù)由2009年的113689人，增加到2013年的236898人[9]。2012年，印度醫(yī)療旅游業(yè)總收入為25億美元，創(chuàng)造了4900萬個(gè)就業(yè)崗位，據(jù)預(yù)計(jì)，印度醫(yī)療旅游業(yè)每年將以30%的速度增長(zhǎng)[10，11]。

傳輸儀硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，傳輸儀由信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換、電源、顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐卧M成。

信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換單元將從檢測(cè)傳感器輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，具有多通道輸入且有較高的A/D轉(zhuǎn)換精度；顯示單元可以顯示傳輸儀的工作狀態(tài)，便于系統(tǒng)的安裝調(diào)試及維護(hù)；看門狗復(fù)位單元可以避免系統(tǒng)在無人值守工作過程中出現(xiàn)死機(jī)而發(fā)生監(jiān)測(cè)遺漏；由于傳輸儀根據(jù)監(jiān)測(cè)站命令上傳數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)傳輸具有不確定性，為了讓監(jiān)測(cè)站更好地了解監(jiān)測(cè)點(diǎn)物理量的變化情況，傳輸儀上具有存儲(chǔ)單元和時(shí)鐘單元，時(shí)鐘單元產(chǎn)生傳輸儀定時(shí)采樣的基準(zhǔn)時(shí)鐘以指導(dǎo)數(shù)據(jù)采集過程，傳輸儀將采集結(jié)果及相對(duì)應(yīng)的采集時(shí)間一并存入存儲(chǔ)器中，這樣方便監(jiān)測(cè)站查找歷史數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀硬件電路

數(shù)據(jù)采集傳輸儀的控制器選用32位ARM微控制器LPC2200[8]，該處理器自帶看門狗寄存器，在運(yùn)行中如果沒有周期性的重裝，寄存器溢出時(shí)將產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位，這樣可以有效地避免系統(tǒng)在無人值守狀態(tài)下死機(jī)或程序跑飛。A/D轉(zhuǎn)換芯片為8通道輸入12位精度MAX1270，該芯片具有110 kS/s采樣率，采用ISP串行接口，操作簡(jiǎn)單方便，能滿足多通道輸入及采集精度要求。時(shí)鐘產(chǎn)生單元采用時(shí)鐘芯片SD2405AP，該芯片內(nèi)置晶振、充電電池、具有標(biāo)準(zhǔn)I2C接口，可方便地掛接在LPC2200的I2C接口上。SST39VF1601為Flash存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間為1 MB×16，系統(tǒng)通過輪詢存儲(chǔ)可以保存近兩個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)。LPC2200自帶的UART接口可以與GPRS模塊連接，實(shí)現(xiàn)GPRS模塊的配置及數(shù)據(jù)的傳輸。顯示單元采用FM1206C，可以顯示傳輸儀的工作狀態(tài)及各采集通道當(dāng)前的采集值。

3 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議及軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳輸儀與環(huán)保監(jiān)測(cè)站之間的通信協(xié)議

傳輸儀與監(jiān)測(cè)站之間通信采用TCP/IP協(xié)議，傳輸儀與監(jiān)測(cè)站之間建立通信連接后，通信過程由監(jiān)測(cè)站發(fā)起，傳輸儀響應(yīng)監(jiān)測(cè)站命令，具體步驟如下：

(1)監(jiān)測(cè)站發(fā)送請(qǐng)求命令給傳輸儀；

(2)傳輸儀接收到請(qǐng)求命令后應(yīng)答，監(jiān)測(cè)站接收到應(yīng)答后認(rèn)為連接已經(jīng)建立；

(3)傳輸儀執(zhí)行請(qǐng)求操作；

(4)傳輸儀應(yīng)答監(jiān)測(cè)站請(qǐng)求執(zhí)行完畢，監(jiān)測(cè)站若沒有接收到“執(zhí)行完畢”應(yīng)答，則按超時(shí)處理；

(5)單次通信過程結(jié)束。

監(jiān)測(cè)站“請(qǐng)求命令”發(fā)出后在10 s內(nèi)沒有收到傳輸儀的應(yīng)答，監(jiān)測(cè)站認(rèn)為請(qǐng)求回應(yīng)超時(shí)，監(jiān)測(cè)站重發(fā)請(qǐng)求命令，如重發(fā)3次后傳輸儀仍然沒有收到請(qǐng)求回應(yīng)則認(rèn)為鏈路不可用，通信結(jié)束。監(jiān)測(cè)站收到請(qǐng)求回應(yīng)后，在10 s內(nèi)沒有收到返回?cái)?shù)據(jù)或命令執(zhí)行結(jié)果，則認(rèn)為執(zhí)行超時(shí)，命令執(zhí)行失敗并結(jié)束本次通信過程。

通信中所有的通信包[9]都由ACSII碼字符組成(CRC校驗(yàn)碼除外)，通信協(xié)議數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。通信包的數(shù)據(jù)段中包含了用戶數(shù)據(jù)，其中的請(qǐng)求編號(hào)占20 B，用來標(biāo)識(shí)命令請(qǐng)求；總包號(hào)占4 B，用于指示本次通信總共包含的包數(shù)；包號(hào)占4 B，用于指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包的包號(hào)；命令編號(hào)代表了包的類型，如請(qǐng)求命令類型或應(yīng)答類型；指令為通信過程中傳輸?shù)母鞣N命令。

3.2 數(shù)據(jù)采集傳輸儀程序流程

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集一般有兩種工作過程。第一種是傳輸儀模塊初始化完成后，等待監(jiān)測(cè)站采集命令，在接收到命令后對(duì)所需的傳感器通道進(jìn)行采集，并將采集結(jié)果傳給監(jiān)測(cè)站，該方式占用內(nèi)存少，但傳輸實(shí)時(shí)性較低，會(huì)遺漏監(jiān)測(cè)點(diǎn)，適用不需要連續(xù)監(jiān)測(cè)、沒有存儲(chǔ)單元的采集系統(tǒng)；第二種方式中，傳輸儀模塊初始化完成后，輪詢采集各通道數(shù)據(jù)，并將結(jié)果保存到存儲(chǔ)器中，在接收到監(jiān)測(cè)站請(qǐng)求命令后，將存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)讀出傳給監(jiān)測(cè)站，該方式能夠保存歷史數(shù)據(jù)，具有較高的實(shí)時(shí)性，適用于具有存儲(chǔ)單元的采集系統(tǒng)。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有存儲(chǔ)單元，采用第二種監(jiān)測(cè)方式。

數(shù)據(jù)采集傳輸儀程序流程如圖4所示，主程序首先完成A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘芯片、LCD顯示、GPRS模塊等初始化工作，其中GPRS模塊初始化是保證網(wǎng)絡(luò)連通的關(guān)鍵，需要配置的參數(shù)有GPRS通信模塊ID號(hào)、監(jiān)測(cè)站主機(jī)IP地址、掉線重?fù)艽螖?shù)、重?fù)軙r(shí)間間隔、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站主機(jī)端口地址、GPRS通信模塊通信端口。初始化后，傳輸儀每隔1 min采集各通道數(shù)據(jù)，每一通道采集5次，取平均值后與采集時(shí)間一起寫入存儲(chǔ)器中。時(shí)間及采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為“日期，時(shí)間，CH0數(shù)據(jù)，CH1數(shù)據(jù)，CH2數(shù)據(jù)，CH3數(shù)據(jù)，CH4數(shù)據(jù)，CH5數(shù)據(jù)，CH6數(shù)據(jù)，CH7數(shù)據(jù)”，各部分共占2 B，因此1 min采集需10 B存儲(chǔ)空間。在系統(tǒng)連續(xù)采集情況下，存儲(chǔ)器能夠保存2個(gè)月數(shù)據(jù)，2個(gè)月后數(shù)據(jù)輪詢覆蓋。

GPRS接收數(shù)據(jù)中斷處理程序接收到監(jiān)控站的請(qǐng)求命令后，傳輸儀應(yīng)答請(qǐng)求命令，并執(zhí)行命令。傳輸儀可以根據(jù)命令要求，調(diào)整系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)鐘，上傳系統(tǒng)時(shí)鐘、分鐘數(shù)據(jù)、小時(shí)數(shù)據(jù)、日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)等操作。

3.3 監(jiān)測(cè)站程序流程

監(jiān)測(cè)站集通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)于一身，通過Internet網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)傳輸儀建立網(wǎng)絡(luò)連接。監(jiān)測(cè)站程序流程如圖5所示，程序在用戶完成傳輸儀模塊信息(各模塊地址)錄入、采集時(shí)間點(diǎn)、污染物報(bào)警閾值等參數(shù)后，首先監(jiān)聽傳輸儀連接請(qǐng)求，在連接建立后，發(fā)送命令獲取各傳輸儀系統(tǒng)時(shí)間，看是否與監(jiān)測(cè)站時(shí)間一致，如不一致則發(fā)送調(diào)整時(shí)間請(qǐng)求命令，調(diào)整傳輸儀系統(tǒng)時(shí)間。然后，根據(jù)采集時(shí)間要求輪詢向各采集儀傳輸儀發(fā)送“請(qǐng)求命令”獲取各采集模塊數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站根據(jù)采集數(shù)據(jù)描繪監(jiān)測(cè)曲線，并將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于超出閾值范圍的污染物作出報(bào)警。

與傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式相比，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有覆蓋區(qū)域廣、通信快捷、準(zhǔn)確、費(fèi)用低廉的特點(diǎn)。本文提出的基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以32位ARM7微處理器LPC2200為核心，采用模塊化及開放連接的傳感器接口設(shè)計(jì)思路，使該系統(tǒng)可以應(yīng)用于多種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，表明傳輸儀能夠在無人值守環(huán)境下穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠地將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)站，且加設(shè)的時(shí)鐘單元及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，可以保存歷史采集數(shù)據(jù)及采集時(shí)間，有效地解決了監(jiān)測(cè)點(diǎn)遺漏問題。

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[12]HJ/T 211-2005，污染源在線自動(dòng)監(jiān)控(監(jiān)測(cè))系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)[S].