王立飛，宋志程（等）

摘要：設計一種基于GPRS的洪澤湖環(huán)境數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)，以檢測洪澤湖水質溫度、pH和溶氧量為基礎，使用SOPC技術在FPGA芯片上構建一個Nios II微處理器及其外圍電路的接口電路，從而形成一個與系統(tǒng)任務需求相一致的自定義微處理器系統(tǒng)。由Nios II微處理器將使用Modbus協(xié)議讀取的水質溫度、pH和溶氧量參數(shù)經(jīng)過協(xié)議轉換后送GPRS移動數(shù)據(jù)傳輸模塊進行數(shù)據(jù)遠傳，同時遠程數(shù)據(jù)采集服務器將其以數(shù)值和波形方式進行顯示。這種無線數(shù)據(jù)采集方式的建設、運營成本低，監(jiān)控范圍寬，實時性高，而NiosII微處理器的構建使得整個系統(tǒng)易于升級換代，能更好地滿足水環(huán)境監(jiān)測的需求。

關鍵詞：水質監(jiān)測；GPRS；Nios II系統(tǒng)；無紙記錄儀；遠程數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）07-1663-04

GPRS Based Designs of Environment Online Data Acquisition System of Hongze Lake

WANG Li-fei，SONG Zhi-cheng，XU Bin，F(xiàn)U Li-hui

（Faculty of Electronic and Electrical Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian 223003， Jiangsu， China）

Abstract： The environment online data acquisition system of Hongze Lake based on GPRS was designed based on detecting the temperature， pH and dissolved oxygen of water， and using SOPC technology in a FPGA chip to construct a NiosII microprocessor and its peripheral interface circuit. A custom microprocessor system consistent with the task demand of system was formed. After the NiosII microprocessor converted temperature， pH and dissolved oxygen parameters read by the Modbus protocol， the data were sent to GPRS mobile data transmission module for data transmission， and displayed in numerical and waveform by remote data acquisition server. The wireless data acquisition mode construction and operation cost was low， with advantages of wide monitoring range， high real-time performance. The construction of NiosII microprocessor made the system easy to upgrade， which could better meet the requirements of water environment monitoring.

Key words： water quality monitoring； GPRS； Nios II system； the paperless recorder； remote data transmission

洪澤湖位于江蘇省洪澤縣西部，是當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的水源，其水質一旦惡化，城鄉(xiāng)居民生活用水將受到嚴重影響，因此對洪澤湖水質的實時監(jiān)測非常重要[1]。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的水質環(huán)境監(jiān)測手段主要以人工現(xiàn)場采樣、實驗室儀器分析為主，這種方法工作繁瑣、采樣誤差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散，且無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，管理人員也常常會得到已滯后的監(jiān)測數(shù)據(jù)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)采集方式有待提高，由于洪澤湖地區(qū)復雜的地理環(huán)境導致有線網(wǎng)落無法完全覆蓋該區(qū)域，其監(jiān)測數(shù)據(jù)也無法被實時傳輸，因此，提出一種利用GPRS無線遠程數(shù)據(jù)傳輸方案實現(xiàn)的在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時或定時采集遠距離數(shù)據(jù)信息，相對有線傳輸方式，無線數(shù)據(jù)傳輸方法的傳輸速率快，建設、運營成本低，監(jiān)控范圍寬，實時性高[2]。

采集系統(tǒng)所用的GPRS模塊是現(xiàn)場采集和監(jiān)控主機信息交互的橋梁。GPRS是一種在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的承載業(yè)務，用以為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)。GPRS網(wǎng)絡支持TCP/IP協(xié)議，其覆蓋面廣，相對其他類型的無線數(shù)據(jù)傳輸（諸如短消息和超短波無線數(shù)據(jù)傳輸電臺等），GPRS無論在費用、可靠性和可實施性等方面都具有很大的優(yōu)勢。在設計過程中，為使系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)更加靈活，利用Nios II作為GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂破鳎_發(fā)了一種高效、易于升級換代的系統(tǒng)，同時，在FPGA上使用SOPC技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與處理電路。Nios II是Altera公司推出的第二代IP軟核處理器，把Nios II嵌入到Altera的所有FPGA中，用戶可以獲得超過200 DMIPS的性能[3，4]，這種通過將處理器、外設、存儲器和I/O接口集成到一個單一FPGA的設計方式，可以降低系統(tǒng)成本、復雜性和功耗，具有設計靈活和軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

1 硬件系統(tǒng)總體構成

系統(tǒng)利用Nios II控制系統(tǒng)，通過GPRS將洪澤湖現(xiàn)場傳感器檢測的溫度、pH和溶氧等水質參數(shù)無線傳輸至遠程監(jiān)測中心，由水質監(jiān)測中心顯示及存儲溫度、pH和溶氧3個參數(shù)，并在超出指標時報警。整個遠程數(shù)據(jù)傳輸通信系統(tǒng)的設計是重點，利用FPGA作為主控芯片，并將使用SOPC技術[5]構建的Nios II微處理器作為控制器，用以完成數(shù)據(jù)傳輸控制。系統(tǒng)的總體結構框圖見圖1。

由圖1可見，整個水質監(jiān)測系統(tǒng)由水質傳感器（pH傳感器、溫度傳感器和溶氧傳感器）、電源管理電路、GPRS模塊（SIM300）、通信接口（調試端口、USB端口和以太網(wǎng)接口）、存儲器模塊（FLASH程序存儲器和SDRAM數(shù)據(jù)存儲器）、Nios II處理器、輸入輸出等部分組成。

當系統(tǒng)上電后，pH傳感器、溫度傳感器和溶氧傳感器即開始采集信息。其中，pH傳感器采集到的電信號經(jīng)pH/ORP檢測儀處理后傳至無紙記錄儀，溫度傳感器和溶氧傳感器采集到的溫度值和溶氧量也傳送至無紙記錄儀，最后由無紙記錄儀通過串口將數(shù)據(jù)通過Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳至主控CPU，CPU再通過串口控制SIM300模塊將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至控制中心。系統(tǒng)中所采用的無紙記錄儀可用于對水質的pH、溫度、溶氧參數(shù)進行本地檢測，并對其進行上限、上上限、下限、下下限報警設置，利用這種本地的檢測數(shù)據(jù)與上位機接收數(shù)據(jù)進行比對，從而可以驗證傳輸過程數(shù)據(jù)的有效性。無紙記錄儀本身帶有RS-485串口，因此，可以與其他設備進行通信，將RS-485經(jīng)轉換器轉換成RS-232后與Nios II微處理器串口0連接，按照Modbus協(xié)議將數(shù)據(jù)傳給Nios II微處理器，利用SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成無線數(shù)據(jù)傳輸，由于模塊的接口為RS232協(xié)議接口[6]，所以在Nios II微處理和SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸模塊之間還需要利用FPGA芯片設計滿足SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸模塊協(xié)議要求的UART接口電路，再結合RS232協(xié)議電平轉換電路即可實現(xiàn)兩者之間的電氣連接。最后，Nios II微處理器通過另一個RS-232串口與GPRS模塊進行通信，通過AT指令控制SIM300模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中國移動公網(wǎng)。

2 硬件設計實現(xiàn)

2.1 Nios II系統(tǒng)構建

系統(tǒng)IP核的構建通過SOPC Builder工具來完成，在系統(tǒng)構建的IP核中，添加了NiosII Processor、SDRAM模塊、Avalon三態(tài)橋、Flash Memory Interface（CFI）模塊、SYSTEM ID、JTAG UART、UART（RS-232），通過連接cfi_flash與三態(tài)橋，并點擊SYSTEM->Auto-assign Basic Addresses和SYSTEM->Auto-assign IRQs即可以實現(xiàn)對地址和中斷的自動分配。具體Nios II系統(tǒng)的構建如圖2。

2.2 SIM300模塊接口電路構建

系統(tǒng)設計中，利用軟核方式在同一片F(xiàn)PGA中構建了SIM300模塊接口電路（圖3）。利用UART軟核構造了一個包括RTS和CTS信號的異步串行口UART1。UART1的rxd、txd分別為與SIM300模塊進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，rts引腳用于發(fā)送對SIM300模塊的數(shù)據(jù)傳輸請求信號，在發(fā)送數(shù)據(jù)前輸出低電平有效信號，SIM300模塊則需要通過cts引腳進行應答，從而允許其發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，以此來完成數(shù)據(jù)發(fā)送的握手過程。

2.3 無紙記錄儀模塊接口電路的構建

無紙記錄儀模塊接口電路的構建如圖4所示。該部分電路同樣使用軟核的方式在同一片F(xiàn)PGA中實現(xiàn)。實現(xiàn)方法與SIM300模塊接口電路的構建方法類似，不再重述。

2.4 傳感器的選擇及電路連接

系統(tǒng)中溶氧傳感器選擇YDC-100型溶解氧傳感器，其輸出信號為模擬電壓信號，在常溫25 ℃下溶氧量為零的水溶液中輸出≤0.3 mV，溶氧量為20.0 mg/L的飽和溶氧水溶液中的輸出為（25±5） mV；溫度傳感器采用PT100熱電阻；pH傳感器選擇GP 100-PH，傳感器的輸出量為模擬電流量，系統(tǒng)所采用的3種傳感器輸出均與無紙記錄儀相連。記錄儀具有3路萬能輸入通道及1個RS-232C通訊接口，V+、I+和GND為其中一組輸入端子，其中，V+為電壓信號輸入端子，I+為電流信號輸入端子，GND為接地端子。系統(tǒng)設計通道1作為溶氧輸入通道，通道2作為溫度輸入通道，通道3作為pH輸入通道。在工作過程中，記錄儀與NiosⅡ微處理器之間通過串口0采用Modbus協(xié)議進行通信。3個傳感器與記錄儀的連接形式相似，以溶氧傳感器為例，其與無紙記錄儀連接圖見圖5。

3 軟件設計

軟件部分主要包括主程序、SIM300模塊通信程序及傳感器讀寫程序的設計。

3.1 主程序設計

主程序包括中斷使能程序、CRC校驗程序、定時器1中斷程序和主函數(shù)。其中，作為整個程序核心的主函數(shù)流程如圖6所示。首先，調用兩個串口初始化程序，初始化定時器。當檢測出ReceiveGprsFlag為0xff時表明數(shù)據(jù)接收完畢，再通過改變Command數(shù)組前8位來設置Modbus協(xié)議幀，從而讀取溶氧、溫度和pH數(shù)據(jù)。再根據(jù)讀取傳感器子程序返回的Command[1]的值來判斷是否產(chǎn)生錯誤及錯誤類型。在設計中，通過中斷來實現(xiàn)對傳感器信息的讀取，串行口接受中斷請求標志及串行口發(fā)送中斷標志具有重要的作用。當Nios II接收或發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后，由硬件置1，向CPU請求中斷，當CPU轉向中斷服務程序后，該位必須用軟件清零。CRC校驗設計中，針對基于串口的Modbus，采用附加地址域1字節(jié)的從站地址，數(shù)據(jù)校驗域采用2字節(jié)的CRC校驗。錯誤檢測域的內(nèi)容是通過對消息內(nèi)容進行循環(huán)冗長檢測方法得出的。

3.2 GPRS模塊SIM300初始化程序設計

在系統(tǒng)上電并完成串口初始化后，即自動開始SIM300模塊的初始化，其初始化流程見圖7。GPRS模塊SIM300通過串口1與Nios II實現(xiàn)通信。貫穿整個GPRS初始化過程的是CurrentFlag值，它表示當前狀態(tài)信息。程序首先判斷CTS是否有效，如無效則CurrentFlag等于0x00，Nios II即可以向GPRS發(fā)送初始化指令，發(fā)送指令借助strcpy函數(shù)和Command數(shù)組加上調用串口1發(fā)送子程序來完成，而判斷回應是否正確則采用strcmp函數(shù)和Command數(shù)組實現(xiàn)。接下來，設置短消息成text發(fā)送模式；GPRS數(shù)據(jù)前加頭標識；連接服務器，若首次連接成功，則CurrentFlag返回0x09，若未成功，則關閉TCP連接且CurrentFlag返回0x05。

3.3 讀傳感器程序設計

通過反復調用串口0接收子程序實現(xiàn)讀傳感器操作，讀傳感器程序曾在主函數(shù)中被調用，根據(jù)其返回cmd輸出值確定相應操作過程，cmd為Modbus協(xié)議中的功能碼Command[1]，cmd返回0表示接收數(shù)據(jù)完成，返回1則表示接收數(shù)據(jù)錯誤，其具體流程如圖8所示。

4 小結

環(huán)境數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)使用SOPC技術在FPGA上建立一Nios II處理器，并根據(jù)SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸應用需要設計了Nios II控制程序，針對SIM300模塊特點設計相應數(shù)據(jù)收發(fā)、模塊初始化程序以及數(shù)據(jù)應用層通信協(xié)議，從而實現(xiàn)SIM300模塊的遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。該系統(tǒng)為其他遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了一種相對通用的方法，設計中采用Nios II處理器作為系統(tǒng)主控芯片的方法，即簡化了程序設計，提高了系統(tǒng)性能和開發(fā)效率，又易于升級換代。

參考文獻：

[1] 劉 震.水環(huán)境自動監(jiān)測與預警預報技術研究[D].南京：河海大學，2008.

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[6] 歐陽丹娜，李穎宏.RS-232串口與PROFIBUS-DP通信實現(xiàn)的研究[J].儀器儀表學報，2005，26（8）：82-89.

3.2 GPRS模塊SIM300初始化程序設計

在系統(tǒng)上電并完成串口初始化后，即自動開始SIM300模塊的初始化，其初始化流程見圖7。GPRS模塊SIM300通過串口1與Nios II實現(xiàn)通信。貫穿整個GPRS初始化過程的是CurrentFlag值，它表示當前狀態(tài)信息。程序首先判斷CTS是否有效，如無效則CurrentFlag等于0x00，Nios II即可以向GPRS發(fā)送初始化指令，發(fā)送指令借助strcpy函數(shù)和Command數(shù)組加上調用串口1發(fā)送子程序來完成，而判斷回應是否正確則采用strcmp函數(shù)和Command數(shù)組實現(xiàn)。接下來，設置短消息成text發(fā)送模式；GPRS數(shù)據(jù)前加頭標識；連接服務器，若首次連接成功，則CurrentFlag返回0x09，若未成功，則關閉TCP連接且CurrentFlag返回0x05。

3.3 讀傳感器程序設計

通過反復調用串口0接收子程序實現(xiàn)讀傳感器操作，讀傳感器程序曾在主函數(shù)中被調用，根據(jù)其返回cmd輸出值確定相應操作過程，cmd為Modbus協(xié)議中的功能碼Command[1]，cmd返回0表示接收數(shù)據(jù)完成，返回1則表示接收數(shù)據(jù)錯誤，其具體流程如圖8所示。

4 小結

環(huán)境數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)使用SOPC技術在FPGA上建立一Nios II處理器，并根據(jù)SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸應用需要設計了Nios II控制程序，針對SIM300模塊特點設計相應數(shù)據(jù)收發(fā)、模塊初始化程序以及數(shù)據(jù)應用層通信協(xié)議，從而實現(xiàn)SIM300模塊的遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。該系統(tǒng)為其他遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了一種相對通用的方法，設計中采用Nios II處理器作為系統(tǒng)主控芯片的方法，即簡化了程序設計，提高了系統(tǒng)性能和開發(fā)效率，又易于升級換代。

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[6] 歐陽丹娜，李穎宏.RS-232串口與PROFIBUS-DP通信實現(xiàn)的研究[J].儀器儀表學報，2005，26（8）：82-89.

3.2 GPRS模塊SIM300初始化程序設計

在系統(tǒng)上電并完成串口初始化后，即自動開始SIM300模塊的初始化，其初始化流程見圖7。GPRS模塊SIM300通過串口1與Nios II實現(xiàn)通信。貫穿整個GPRS初始化過程的是CurrentFlag值，它表示當前狀態(tài)信息。程序首先判斷CTS是否有效，如無效則CurrentFlag等于0x00，Nios II即可以向GPRS發(fā)送初始化指令，發(fā)送指令借助strcpy函數(shù)和Command數(shù)組加上調用串口1發(fā)送子程序來完成，而判斷回應是否正確則采用strcmp函數(shù)和Command數(shù)組實現(xiàn)。接下來，設置短消息成text發(fā)送模式；GPRS數(shù)據(jù)前加頭標識；連接服務器，若首次連接成功，則CurrentFlag返回0x09，若未成功，則關閉TCP連接且CurrentFlag返回0x05。

3.3 讀傳感器程序設計

通過反復調用串口0接收子程序實現(xiàn)讀傳感器操作，讀傳感器程序曾在主函數(shù)中被調用，根據(jù)其返回cmd輸出值確定相應操作過程，cmd為Modbus協(xié)議中的功能碼Command[1]，cmd返回0表示接收數(shù)據(jù)完成，返回1則表示接收數(shù)據(jù)錯誤，其具體流程如圖8所示。

4 小結

環(huán)境數(shù)據(jù)在線采集系統(tǒng)使用SOPC技術在FPGA上建立一Nios II處理器，并根據(jù)SIM300無線數(shù)據(jù)傳輸應用需要設計了Nios II控制程序，針對SIM300模塊特點設計相應數(shù)據(jù)收發(fā)、模塊初始化程序以及數(shù)據(jù)應用層通信協(xié)議，從而實現(xiàn)SIM300模塊的遠程數(shù)據(jù)傳輸功能。該系統(tǒng)為其他遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了一種相對通用的方法，設計中采用Nios II處理器作為系統(tǒng)主控芯片的方法，即簡化了程序設計，提高了系統(tǒng)性能和開發(fā)效率，又易于升級換代。

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