鄭鄂湘蔡運文（.廈門東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門 36000；.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司， 福建 廈門 36000）

基于GMS/GPRS的遠程室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭鄂湘1蔡運文2（1.廈門東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 廈門 361000；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司， 福建 廈門 361000）

以家庭室內(nèi)空氣質(zhì)量的遠程無線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸方式為研究對象，采用基于2.4G無線技術(shù)及GSM/GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)建立的新裝室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計上以低成本、便攜式、展示方式新穎為核心，結(jié)合家庭的實際需要，用戶不到現(xiàn)場就能隨時了解新裝修房屋有害氣體等信息，減少了用戶到現(xiàn)場檢測的頻率，節(jié)省用戶的時間；進而普及室內(nèi)環(huán)保監(jiān)測設(shè)備的使用意識。

監(jiān)控系統(tǒng)；GPRS；2.4G；傳感器

隨著人們生活水平的不斷提高，室內(nèi)環(huán)境問題成為社會關(guān)注的焦點，環(huán)境與人類健康和兒童生長發(fā)育的關(guān)系極為密切。近年來家裝業(yè)發(fā)展迅速，不規(guī)范的家裝帶來的負面影響十分嚴(yán)重，而目前建材市場的混亂，造成非環(huán)保、低劣質(zhì)的家裝材料進入家居，有害氣體特別是甲醛的污染十分突出。

目前室內(nèi)環(huán)境的檢測手段很多，大都采用短距離無線傳輸技術(shù)，必須要人員到現(xiàn)場參與監(jiān)測，無法實現(xiàn)長時間、隨時監(jiān)控。近年來國內(nèi)外研究出以無線傳輸技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的便攜式環(huán)境檢測儀。鮮曉東［1］等人提出了以CC2430為無線傳感器節(jié)點核心，對室內(nèi)的CO體積分數(shù)、煙霧體積分數(shù)和溫度進行實時采集和監(jiān)測；以ARM微處理器S3CA4BOX為控制核心，對采集的環(huán)境信息進行存儲、分析和處理；利用SIM300模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。林振衡［2］等提出一種基于無線傳輸?shù)姆植际娇諝赓|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，以實現(xiàn)對大空間室內(nèi)空氣質(zhì)量多點、實時監(jiān)控。王長濤［3］等設(shè)計了主控制模塊、檢測模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊和控于RFD5800無線傳輸模塊的家居環(huán)境檢測系統(tǒng)。戴龍彬［4］等采用的是ATmega16低功耗單片機，實現(xiàn)對室內(nèi)空氣中有毒有害氣體濃度參數(shù)的采集處理、存儲、顯示、通信、報警等功能。這些技術(shù)都能很好的解決室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)控的特點，但是他們大都采用短距離無線傳輸技術(shù)，必須要人員到現(xiàn)場參與監(jiān)測，無法實現(xiàn)長時間、隨時監(jiān)控。

GPRS這項全新技術(shù)可以令您在任何時間、任何地點都能快速方便地實現(xiàn)連接，同時費用又很合理。目前在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域已經(jīng)運用廣泛：李玲［5］等人設(shè)計了一種基于GPRS無線遠程傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、光照度、紫外輻射、CO2濃度等環(huán)境信息；馮巖［6］等人設(shè)計的系統(tǒng)能實時將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)和預(yù)警信息通過GPRS或GMS的方式傳輸?shù)奖O(jiān)測部門，實現(xiàn)了對環(huán)境污染的實時監(jiān)控、處理。

本文提出一種基于GMS/GPRS的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，采用2.4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其協(xié)議采用自定義本地組網(wǎng)傳輸協(xié)議，實現(xiàn)本地環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過GSM/GPRS技術(shù)，將環(huán)境數(shù)據(jù)（甲醛、煤氣、溫度）實時傳輸?shù)竭h程客戶端，最終客戶可實時關(guān)注室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于GSM/GPRS的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整個系統(tǒng)由室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊、遠程無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、監(jiān)控數(shù)據(jù)中心以及用戶監(jiān)控軟件等四部分組成，其中室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊采用2.4G無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，對各類室內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點進行組網(wǎng)，實時采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，通過GSM/GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，監(jiān)控數(shù)據(jù)中心主要負責(zé)將數(shù)據(jù)進行分類、統(tǒng)計以及匯總，用戶監(jiān)控軟件主要以圖形、報表等多種方式展現(xiàn)給客戶，既可通過PC機客戶端軟件展現(xiàn)，也可通過手機微信公眾號展現(xiàn)；用戶既可以采用主動查詢的方式獲取監(jiān)測結(jié)果，對于室內(nèi)監(jiān)測超標(biāo)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)會以短信的方式將報警數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶綁定手機上。

2 系統(tǒng)各個模塊設(shè)計

（1）室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊 室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集模塊采用2.4G無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)將室內(nèi)各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點進行分布式組網(wǎng)。各個數(shù)據(jù)采集模塊主要由電源處理、數(shù)據(jù)采集處理器、AD轉(zhuǎn)換、環(huán)境感知傳感器、2.4G無線網(wǎng)絡(luò)以及天線等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的采集、預(yù)處理以及上傳工作，該模塊產(chǎn)品封裝成便攜式結(jié)構(gòu)，提高客戶安裝的便利性，設(shè)計上電源處理主要負責(zé)整個便攜式采集模塊的電池充電，電壓轉(zhuǎn)換等作用，AD采集負責(zé)將前端環(huán)境感知傳感器處理器的模擬信號轉(zhuǎn)換為處理器能適配的模擬信號，AD信號處理由處理器負責(zé)，主處理器負責(zé)數(shù)據(jù)預(yù)處理，以及上傳工作，主處理器選擇ST公司的超低功耗系列微控制器STM32L051K8，其設(shè)計資源豐富，開發(fā)配套的生態(tài)系統(tǒng)齊全，從基本外設(shè)庫到操作系統(tǒng)均源碼開放；同時也考慮其低功次設(shè)計對分布式系統(tǒng)增加或者減少采集節(jié)點采用自適應(yīng)設(shè)計，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點ID采用自分配原則。

（1）遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊 遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊采用GSM/ GPRS無線傳輸技術(shù)，主要負責(zé)將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心。傳輸模塊主要由電源處理、遠程數(shù)據(jù)傳輸功能處理器、GSM/GPRS通信模塊、2.4G無線網(wǎng)絡(luò)、天線等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，電源處理主要為本模塊提供電池充電，電壓轉(zhuǎn)換等，處理器接收到的各個節(jié)點的數(shù)據(jù)并通過GSM/ GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，本設(shè)計處理器采用ST公司的STM32F103RCT6，其主頻達到72MHZ；GSM/GPRS通信模塊負責(zé)將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控數(shù)據(jù)中心，同時也可以通過GSM通道直接上傳報警信息，鑒于系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量較小，因此設(shè)計上采用GSM/GPRS通信模塊，采用上海移遠公司的M12模塊，模塊以串口的通信方式與處理器進行交互，通過AT指令接入移動網(wǎng)絡(luò)，最終于監(jiān)控數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互。

（3）監(jiān)控數(shù)據(jù)中心 監(jiān)控數(shù)據(jù)中心采用云計算，數(shù)據(jù)挖掘、信息安全等技術(shù)，主要負責(zé)各個數(shù)據(jù)采集模塊上傳數(shù)據(jù)的管理，分類、統(tǒng)計等工作，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，監(jiān)控數(shù)據(jù)中心主要由GPRS前置機、數(shù)據(jù)服務(wù)器，業(yè)務(wù)服務(wù)器等組成；其中GPRS前置機主要管理和每個用戶的數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通信鏈路的管理、數(shù)據(jù)的收發(fā)，單個前置機設(shè)備能對應(yīng)業(yè)務(wù)處理層的多個設(shè)備，數(shù)據(jù)服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫層面解決問題，需要使用到分庫、分表的技術(shù)，引入了帶有DAL的數(shù)據(jù)存儲層概念，負責(zé)將獲取的數(shù)據(jù)進行分類，統(tǒng)計等工作，業(yè)務(wù)服務(wù)器實現(xiàn)對具體協(xié)議的處理，該層也可以獨立于通信接入層進行自由的性能伸縮擴展部署；在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，由于未來系統(tǒng)平臺的終端接入數(shù)量比較巨大，而且隨著業(yè)務(wù)的開展而逐漸增長。監(jiān)控平臺中引入了分布式、負載均衡機制，整個子系統(tǒng)的核心節(jié)點都可做成集群，各個相同功能節(jié)點之間都是獨立的，以消除大數(shù)量連接和大數(shù)據(jù)量處理的性能瓶頸，滿足大量數(shù)據(jù)節(jié)點的接入與可擴展性。

3 用戶監(jiān)控管理軟件

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖4 監(jiān)控數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)框圖

圖5 用戶監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)框圖

用戶監(jiān)控軟件主要分為PC機監(jiān)控軟件以及手機微信公眾號，由于整個監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S的軟件架構(gòu)，因此設(shè)計上匹配了PC端監(jiān)控軟件，這類軟件可以開放給設(shè)備運營商，也可以開放給最終客戶，采用權(quán)限管理的方式實現(xiàn)不同角色訪問者限制；另外，設(shè)計上還采用微信關(guān)注公眾號展現(xiàn)方式，可以避開因各個手機平臺而需要開放各種不同手機APP應(yīng)用的復(fù)雜度，提高用戶應(yīng)用體驗感。

4 結(jié)語

本文基于GSM/GPRS的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了2.4無線組網(wǎng)技術(shù)、GSM/GPRS技術(shù)、傳感器技術(shù)、JAVA技術(shù)；提出了一套完整的室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)遠程監(jiān)控解決方案。系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控中存在的布線復(fù)雜，遠程監(jiān)控智能化、普及化不夠，數(shù)據(jù)采集的實時展示等問題，系統(tǒng)具備低成本、低功耗、高智能化、高穩(wěn)定性等優(yōu)點；應(yīng)用前景廣泛，進一步研究該系統(tǒng)可以采用租賃運營服務(wù)的方式，降低用戶單次使用成本，提高產(chǎn)品的普及性。

［1］鮮曉東，常超，等.基于WSNs和GSM的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（6）:141-144.

［2］林振衡，林鋒，等.基于無線傳輸?shù)姆植际绞覂?nèi)空氣質(zhì)量檢測系統(tǒng)［J］.莆田學(xué)院學(xué)報，2012，19（2）:42-46.

［3］王長濤，黃寬，等.基于RFD5800的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技廣場，2012，8:81-85.

［4］戴龍彬，劉連穎.智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計與研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012，9:27.

［5］李玲，李鵬.基于無線傳輸?shù)沫h(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用：學(xué)術(shù)論壇.

［6］馮巖，韓太林.基于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報， 2012，35（4）:113-116.

Design of Remote Monitoring System for Indoor Environment

Author：Zheng E-xiang（Xiamen Donghai Institute xiamen 361000） ，Cai Yun-wen（Xiamen Yaxon net work，xiamen 361000）

The research object is based on the data transmission method of the indoor air quality， using the new indoor environment monitoring system based on 2.4G wireless technology and GSM/GPRS wireless data transmission technology. It is designed with low cost， portability，novel display mode as the core， combined with the actual needs of the family. So users will be able to learn about the new decoration of the harmful gas， etc. anytime anywhere， which can reduce the frequency of the users to detect at the scene， save time and then popularize the using consciousness of indoor environmental monitoring equipment.

Monitoring system； GPRS； 2.4G； Sensor

鄭鄂湘（1980- ），女，湖南省澧縣，廈門東海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，碩士，現(xiàn)主要從事環(huán)境監(jiān)測與評價方面的教學(xué)與研究工作?；痦椖浚焊＝ㄊ〗逃龔d科技項目（JA13461） 。