基于EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊柳，母佳鑫，趙晨峰，尚潔

（成都理工大學(xué)，四川成都，610059）

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)以及通信技術(shù)的發(fā)展[1]，萬(wàn)物互聯(lián)的需求日趨強(qiáng)烈。EM50/R/G是美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的三款五通道數(shù)據(jù)采集器，可與其生產(chǎn)的土壤濕度傳感器，環(huán)境傳感器等配合使用。EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器憑借其優(yōu)越的穩(wěn)定性、可靠性以及高精度，在國(guó)內(nèi)搶占了大量的市場(chǎng)份額，特別是野外數(shù)據(jù)采集器市場(chǎng)。

雖然目前Em50G已經(jīng)支持遠(yuǎn)程遙測(cè)，但是該數(shù)據(jù)采集器的服務(wù)器部署在國(guó)外，這給國(guó)內(nèi)的使用者帶來(lái)了諸多不便。這樣的遠(yuǎn)程測(cè)控方案不僅數(shù)據(jù)容易被劫持，特別是一些比較關(guān)鍵、敏感的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而且其傳輸速度極慢，穩(wěn)定性不高。因此，本文針對(duì)EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器在國(guó)內(nèi)的不足，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在國(guó)內(nèi)的實(shí)際應(yīng)用表明，相比于現(xiàn)有的EM50/R/G數(shù)據(jù)采集方案具有更高的安全性、穩(wěn)定性、可靠性以及靈活性。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)串口通信方式與EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行交互，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上傳至搭建的云服務(wù)器，云服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并入庫(kù)。用戶(hù)可通過(guò)WEB站點(diǎn)查看采集到的數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)采集器。

如圖2所示，遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)由十個(gè)部分組成：ECH2O土壤水分傳感器、Em50/R/G數(shù)據(jù)采集器、STM32F103CBT6最小系統(tǒng)、SIM800C模組、云服務(wù)器、UI交互、電源供電端口、電源穩(wěn)壓電路、鋰電充放電管理電路、鋰電池組。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

用戶(hù)通過(guò)WEB端的UI界面對(duì)數(shù)據(jù)采集器的采集頻度、采集通道、波特率等進(jìn)行設(shè)定，并設(shè)定最小系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的上傳頻度、上傳格式。上電后，最小系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行工作。數(shù)據(jù)采集器會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的容錯(cuò)、打包處理，SIM800C模組將按照指定的數(shù)據(jù)格式以TCP/IP的通信方式上傳數(shù)據(jù)。此時(shí)云服務(wù)器采用多并發(fā)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，收到后進(jìn)行數(shù)據(jù)的拆包、入庫(kù)操作。然后WEB站點(diǎn)對(duì)入庫(kù)的信息進(jìn)行展示。

2　系統(tǒng)硬件部分

硬件部分的主要任務(wù)是完成供電、數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送[2]。該電路由三個(gè)模塊組成：STM32F103CBT6最小系統(tǒng)電路、GPRS通信電路、電源穩(wěn)壓及電源管理電路。

2.1　最小系統(tǒng)電路

STM32F103CBT6微控制器不僅處理能力強(qiáng)，還有優(yōu)越的穩(wěn)定性和超低功耗等優(yōu)點(diǎn)，非常適合做野外設(shè)備的主控IC。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，最小系統(tǒng)電路除了包含晶振、復(fù)位、燒錄口、BOOT選擇電路外，還包含RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、W25Q128存儲(chǔ)器電路、串口通信電路。

圖2　遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路主要用于系統(tǒng)的時(shí)間管理，可根據(jù)用戶(hù)需求靈活的設(shè)定數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔，同時(shí)也可記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。存儲(chǔ)器電路主要用于GPRS通信不成功時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上的完整性。

2.2　通信電路

GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國(guó)各地，通過(guò)認(rèn)證接入可實(shí)現(xiàn)通訊[3]，本電路采用芯訊通無(wú)線(xiàn)科技（上海）有限公司提供的SIM800C通信模組。采用串口方式與微控制器進(jìn)行通信和命令交互，能實(shí)現(xiàn)微控制器到云服務(wù)器的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。同時(shí)結(jié)合電源管理電路，實(shí)現(xiàn)了最大電壓輸入范圍的兼容。

2.3　電源穩(wěn)壓及電源管理電路

本電路采用TI公司的LM2596系列的電源IC作為電源穩(wěn)壓芯片，采用英集芯科技的IP5306電源管理芯片為電源管理電路的核心IC。

穩(wěn)壓芯片能為最小系統(tǒng)電路提供正3.3V的電源電壓，為GPRS通信電路提供正3.9V電源電壓。為了讓系統(tǒng)持續(xù)得到供電，還采用IP5306對(duì)鋰電的充放電進(jìn)行管理。既保證系統(tǒng)供電的可持續(xù)性，還提升了設(shè)備在野外的可靠性。

3　系統(tǒng)軟件部分

軟件部分包含數(shù)據(jù)采集終端軟件、服務(wù)器通信腳本軟件以及面向用戶(hù)的WEB站點(diǎn)。EM50采集器通過(guò)獲取ECH2O傳感器傳回的數(shù)據(jù)，處理后將數(shù)據(jù)推向數(shù)據(jù)采集終端，再通過(guò)與EM50的命令交互進(jìn)行數(shù)據(jù)采集間隔、波特率等的參數(shù)設(shè)定。當(dāng)采集完后，會(huì)通過(guò)GPRS通信電路將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。云服務(wù)器通過(guò)服務(wù)器通信腳本軟件接收數(shù)據(jù)，并以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)[4]。用戶(hù)通過(guò)登陸我們搭建的WEB站點(diǎn)后，可設(shè)定參數(shù)、查看數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制。

3.1　數(shù)據(jù)終端和服務(wù)器腳本軟件

上電后，數(shù)據(jù)終端軟件進(jìn)行初始化操作并工作。完成一次數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)按規(guī)定的通信格式進(jìn)行打包處理，然后通過(guò)GPRS通信電路把數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器上。

服務(wù)器腳本軟件采用套接字多進(jìn)程并發(fā)、短連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。初始化后，便創(chuàng)建套接字連接，并對(duì)連接進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)連接有請(qǐng)求時(shí)，就生成子進(jìn)程對(duì)連接請(qǐng)求進(jìn)行處理。在處理請(qǐng)求中，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，剔除不符合數(shù)據(jù)通信格式的數(shù)據(jù)，將符合數(shù)據(jù)通信格式的數(shù)據(jù)入庫(kù)。

3.2　WEB站點(diǎn)開(kāi)發(fā)

用戶(hù)通過(guò)訪問(wèn)站點(diǎn)，站點(diǎn)將指定節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)展示在網(wǎng)頁(yè)上。在站點(diǎn)，用戶(hù)不僅可查看任意節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)，還可對(duì)數(shù)據(jù)采集終端的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

4　系統(tǒng)測(cè)試

在野外，影響電子設(shè)備的主要因素是溫度、濕度、設(shè)備的耐酸堿性能。為克服這些因素，系統(tǒng)采用了南大703硅橡膠涂覆，元件選型也采用軍工級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)完成后，硬件部分直接放到捷盛DW-45W108低溫冰柜中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境溫度設(shè)定為零下40度，測(cè)試48小時(shí)后硬件部分以及系統(tǒng)功能沒(méi)有出現(xiàn)任何異常，此時(shí)元件表面已經(jīng)形成0.8mm厚的冰塊。將硬件部分取出后，冰塊開(kāi)始融化，繼續(xù)測(cè)試，待板子融化的雪水風(fēng)干后，系統(tǒng)仍然沒(méi)有出現(xiàn)任何異常。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一種針對(duì)EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程遙測(cè)系統(tǒng)，能夠通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)遠(yuǎn)程控制EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器的工作狀態(tài)，并且能將EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、靈活、穩(wěn)定以及可靠的傳輸至云服務(wù)器；通過(guò)搭建的云服務(wù)器可以對(duì)數(shù)據(jù)采集終端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和存儲(chǔ)；通過(guò)搭建的WEB站點(diǎn)可以對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)。本系統(tǒng)以野外惡劣氣候條件為背景進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)已投入使用且在實(shí)際使用中穩(wěn)定、可靠，增強(qiáng)了EM50/R/G數(shù)據(jù)采集器在中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性以及可靠性。