一種二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張紹良，秦霖天，李會(huì)軍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)低碳能源研究院，江蘇 徐州 221008)

全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)，二氧化碳大量排放被認(rèn)為是主要致因，目前國(guó)際上很多機(jī)構(gòu)正致力于研制碳排放的物理監(jiān)測(cè)技術(shù)。介紹了一種利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)測(cè)信息的二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)通信，對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)保存和管理［1］。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在諸如CO2大量泄漏的危險(xiǎn)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取途徑無(wú)人化和數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程化，以保證監(jiān)測(cè)人員的人身安全，并通過(guò)專門的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)，來(lái)處理產(chǎn)生的海量檢測(cè)數(shù)據(jù)。二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

1.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)二氧化碳濃度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速5個(gè)量。5種傳感器模組輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡加以匯總，然后將數(shù)據(jù)打包經(jīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)上傳到數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上。

1.2 無(wú)線通信系統(tǒng)

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)CO2時(shí)，在某一較小區(qū)域內(nèi)，需要多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖2)。

圖2 二氧化碳無(wú)線通信系統(tǒng)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)

在這種情況下，不必為每一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置都連接GPRS DTU，可以首先用ZigBee網(wǎng)絡(luò)將附近同一區(qū)域的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行匯總，然后再通過(guò)中心監(jiān)測(cè)裝置連接的GPRS DTU，將同一區(qū)域的所有監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)中心。這樣，不僅能夠便于工程實(shí)施，而且能夠節(jié)省大筆的無(wú)線通信費(fèi)用。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是一套基于.net Framework 4.0以上的計(jì)算機(jī)桌面系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單易用的SDK開(kāi)發(fā)包，并附有詳細(xì)的說(shuō)明文檔和Demo程序，使第三方用戶可以通過(guò)SDK開(kāi)發(fā)包方便地開(kāi)發(fā)自己的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 傳感器模組

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器有二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器。這些傳感器均為工業(yè)級(jí)的，精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。

2.1.2 串行通訊電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)中的串口輸出信號(hào)是TTL電平，但在串行通信中，一般使用的是RS－232通信協(xié)議，二者的電平并不相同，所以需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

在串行通信中，單片機(jī)通過(guò)串行通訊電路向DTU發(fā)送設(shè)備ID號(hào)與DTU進(jìn)行握手。當(dāng)DTU收到握手信號(hào)后，會(huì)向單片機(jī)發(fā)送回應(yīng)握手信號(hào)。單片機(jī)收到回應(yīng)握手信號(hào)后，把采集的每個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)打包發(fā)送給 DTU，完成單片機(jī)與DTU 的通信［2］(圖 4)。

圖4 串行通信電路設(shè)計(jì)

圖4中U3為單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，專為RS－232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)。該芯片功耗低，集成度高，片載電荷泵具有升壓和電壓極性反轉(zhuǎn)能力。電容C11，C17，C18，C21 為儲(chǔ)能電容，與 U3 片內(nèi)電路構(gòu)成電荷泵，產(chǎn)生RS－232接口所需要的電壓。電容C13為去耦電容，用于去除電路工作時(shí)的噪聲，可提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.1.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

三端穩(wěn)壓器分類：三端穩(wěn)壓器主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器;另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有3個(gè)引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。固定輸出直流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 固定輸出直流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

圖5中LM 7815是常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路，只有3條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。C10為整流濾波電容，它把整流后的脈動(dòng)波形濾波為脈動(dòng)紋波很小的直流電壓，它的容量與負(fù)載有關(guān)，一般負(fù)載越重，C10的值要求越大。C11用于穩(wěn)定LM 7815內(nèi)部放大器的工作狀態(tài)，同時(shí)改善電壓調(diào)整的過(guò)渡響應(yīng)。在電路連接時(shí)，它必須盡可能地與LM 7815的3條引腳緊密連接。C4為負(fù)載電路退耦電容，它對(duì)負(fù)載提供一個(gè)端距離的本地回路，其數(shù)值與負(fù)載工作方式有關(guān)。D4是用來(lái)保護(hù)LM 7815的，吸收LM 7815的輸出尖峰電壓。

2.1.4 輸入防反接電路設(shè)計(jì)

輸入防反接電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 輸入防反接電路設(shè)計(jì)

如圖6所示，當(dāng)輸入電壓正常接入時(shí)，N溝道MOS管IRF 540 N的體二極管首先正向?qū)?，是A點(diǎn)電壓大于B點(diǎn)(即MOS管柵極電壓大于源極電壓)，之后MOS管VM1導(dǎo)通，負(fù)載正常工作。

當(dāng)輸入電壓反接時(shí)，N溝道MOS管IRF 540 N的體二極管反向截止，A點(diǎn)電壓等于B點(diǎn)電壓(均為地電位)，MOS管VM1截止，電路中沒(méi)有電流流過(guò)，防止了后級(jí)負(fù)載因輸入電壓反接而損壞。

圖6中D1為穩(wěn)壓管，防止柵源電壓過(guò)大造成MOS管損壞。

2.1.4 輸出短路和過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

輸出短路和過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

圖7 輸出短路和過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在正常情況下，負(fù)載通過(guò)繼電器常閉接點(diǎn)供電，采樣電阻上的壓降不足以使Q3導(dǎo)通。短路(或過(guò)載)時(shí)采樣電阻上的壓降經(jīng)R9電阻使Q3導(dǎo)通，繼電器吸合，常閉接點(diǎn)斷開(kāi)負(fù)載，但是三極管Q3的基極經(jīng)R8電阻和負(fù)載到地，使Q3維持導(dǎo)通，繼電器維持吸合，直到短路消除，三極管Q3的基極電流不能維持Q3繼續(xù)導(dǎo)通，繼電器釋放，自動(dòng)恢復(fù)正常供電。

圖7中D2用來(lái)抑制繼電器因?yàn)樽愿挟a(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)它把電流泄放掉，以保護(hù)電路正常運(yùn)行，不致?lián)p壞。

2.2 無(wú)線通訊系統(tǒng)

采用GPRS DTU無(wú)線模塊作為終端的無(wú)線收發(fā)模塊，把從數(shù)據(jù)采集電路板發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)方的數(shù)據(jù)中心。GPRS DTU內(nèi)部封裝了PPP撥號(hào)協(xié)議以及TCP/IP協(xié)議棧并且具有嵌入式操作系統(tǒng)，具備GPRS撥號(hào)上網(wǎng)以及TCP/IP數(shù)據(jù)通信功能。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，是實(shí)現(xiàn)GPRS信息的接收和保存。

2.3.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)見(jiàn)圖8所示。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

圖9(a)中MonitorServer類為監(jiān)控服務(wù)器類，用于創(chuàng)建服務(wù)器對(duì)象，并實(shí)時(shí)接收監(jiān)控設(shè)備的連接請(qǐng)求。圖9(b)中MonitorDevice類為監(jiān)控設(shè)備類，一個(gè)MonitorDevice對(duì)象代表一個(gè)監(jiān)控設(shè)備，通過(guò)MonitorDevice對(duì)象，系統(tǒng)可以獲取當(dāng)前監(jiān)控設(shè)備的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖9(c)中MonitorDeviceCollection類為監(jiān)控設(shè)備集合類，用于存儲(chǔ)和管理監(jiān)控設(shè)備。

2.3.2 Socket會(huì)話

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用Socket(“套接字”)類建立網(wǎng)絡(luò)連接，在連接成功時(shí)，應(yīng)用程序兩端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Socket實(shí)例，操作這個(gè)實(shí)例完成會(huì)話。根據(jù)連接啟動(dòng)的方式以及本地套接字要連接的目標(biāo)，套接字之間的連接過(guò)程可以分為3個(gè)步驟：服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)、客戶端請(qǐng)求、連接確認(rèn)［3－4］。

服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)是指服務(wù)器端套接字并不定位具體的客戶端套接字，而是處于等待連接的狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。服務(wù)器端通過(guò)Socket()函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)套接字;再通過(guò)Bind()函數(shù)把本地端口和IP地址賦給套接字;然后套接字調(diào)用Listen()函數(shù)，開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的連接請(qǐng)求。

客戶端請(qǐng)求是指由客戶端的套接字提出連接請(qǐng)求，要連接的目標(biāo)是服務(wù)器端的套接字。為此，首先通過(guò)Socket()函數(shù)創(chuàng)建客戶端套接字，再給套接字綁定目標(biāo)服務(wù)器端口的IP地址和端口號(hào)，然后調(diào)用套接字的Connect()函數(shù)，向服務(wù)器端套接字提出連接請(qǐng)求。

圖9 MonitorServer類、MonitorDevice類和MonitorDeviceCollection類

連接確認(rèn)是指當(dāng)服務(wù)器端套接字監(jiān)聽(tīng)到或者接收到客戶端套接字的連接請(qǐng)求，它就通過(guò)Accept()函數(shù)響應(yīng)客戶端套接字的請(qǐng)求，建立一個(gè)新的線程，把服務(wù)器端套接字的描述發(fā)給客戶端，一旦客戶端確認(rèn)了此描述，連接就建立好了。而服務(wù)器端套接字繼續(xù)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，繼續(xù)接收其他客戶端套接字的連接請(qǐng)求［5］。Socket通信流程見(jiàn)圖10。

在連接建立好后，服務(wù)端與客戶端就可以通過(guò)套接字的Receive()方法和Send()方法進(jìn)行信息的發(fā)送與接收。當(dāng)信息處理完畢后，可以調(diào)用套接字的Close()方法來(lái)關(guān)閉連接。

3 系統(tǒng)特性與性能指標(biāo)

圖10 Socket通信流程

二氧化碳無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由一套監(jiān)控中心軟件與若干套監(jiān)控設(shè)備組成，通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將遠(yuǎn)距離的傳感器所檢測(cè)到的二氧化碳濃度，以及二氧化碳所在環(huán)境下的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等信息通過(guò)無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉趸急O(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的二氧化碳檢測(cè)范圍為0～2×10－3，檢測(cè)精度高達(dá)1×10－5;溫度檢測(cè)范圍為－40～120℃，檢測(cè)精度為±1℃;濕度檢測(cè)范圍為0～100%RH，檢測(cè)精度達(dá)到±2%RH;風(fēng)向檢測(cè)范圍為0～360°，16方位;風(fēng)速檢測(cè)范圍為0～40 m/s，檢測(cè)精度為±1 m/s。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用的是廣泛分布的中國(guó)移動(dòng)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)語(yǔ)

一般的環(huán)境二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在解決遠(yuǎn)程多點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)存在通信距離遠(yuǎn)、布線和組網(wǎng)困難、數(shù)據(jù)傳輸可靠性較低等缺點(diǎn)。近年來(lái)，快速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為分布式多點(diǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)提供了一種新途徑。該系統(tǒng)是一個(gè)利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)的成功案例。通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，以較低的成本解決了系統(tǒng)組網(wǎng)問(wèn)題，同時(shí)由于系統(tǒng)內(nèi)嵌了TCP/IP通信協(xié)議棧，從而解決了數(shù)據(jù)傳輸可靠性低的問(wèn)題，目前已經(jīng)在多個(gè)地區(qū)成功實(shí)施應(yīng)用。

［1］曾水平，曾靜，秦建民.高濃度二氧化碳?xì)怏w成分檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(8)：328 －329.

［2］彭軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

［3］馮時(shí)雨，王鐵辰.實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008(17)：4441－4577.

［4］葛福鴻，劉曉瑩，張麗萍.基于Socket技術(shù)的即時(shí)通信軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電腦開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2011，24(5)：63 －65.

［5］王志偉，沈杰峰，郭啟峰，等.基于Socket的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方法［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，25(1)：37－39.