基于GPRS无线传感网的大气CO2浓度采集系统研究与设计

2011-06-29卢建申胡军国

成都信息工程大学学报 2011年3期

卢建申, 胡军国

(浙江农林大学信息工程学院,浙江临安311300)

1 引言

随着社会的发展,温室效应日益严重,低碳生活的概念越来越深入人心,人们对二氧化碳浓度及其变化趋势越来越关注。二氧化碳浓度的检测在工业、农业、医药、环境保护等方面也显的越来越有意义。传统的二氧化碳浓度采集系统一般采用有线传输技术,采集到的二氧化碳浓度有一定的地理局限性,不能准确适时的反应出二氧化碳浓度的分布情况和变化情况。所以及时快速准确的采集到二氧化碳浓度是环境监测部门、工业应用上都亟待解决的问题。为此设计出基于GPRS无线传输的大气CO2浓度采集系统。GPRS是通用分组无线业务的简称,它是一种基于分组交换传输数据的高效率无线传输平台,数据率理论上最高可达170kbps。基于GPRS的无线传感网的大气CO2浓度采集系统,受地理条件影响较小,可以实现随时随地无线上网,将远程的信息通过GPRS网络传输到数据中心,从而使监测工作变得更加方便,监测结果更加准确。而且GPRS网路与Internet网路的连接,采用透明的TCP/IP协议进行数据传输,可以利用现有网络资源,节约系统建设成本。系统使用高精度的二氧化碳传感器,并配合GPS定位模块一起使用,使每一点的二氧化碳浓度信息都有一个地理定位信息和时间信息与之对应。这样得到的二氧化碳浓度数据准确,非常容易进行空间和时间上的分析,分析结果也能够比较准确地反映出二氧化碳浓度的分布和变化情况。

2 CO2浓度采集系统总体设计

大气CO2浓度采集系统主要由数据采集终端、GPRS无线传输网络和数据中心3部分组成[1-4],系统结构框图如图1所示。

采集终端利用AT89C51微控制器作为控制单元,与GPRS模块通过串口相连进行通信,主要完成对采集点二氧化碳浓度和地理定位信息的采集工作并将数据打包,然后通过GPRS网络发送给数据中心;数据中心接收到GPRS网络传送过来的数据包后,将数据包进行解包、处理、显示和录入数据库等处理[1]。

图1 系统总体框图

3 数据采集终端

3.1 硬件设计

采集终端硬件电路主要由二氧化碳传感器、GPS模块、控制单元AT89C51单片机、GPRS模块和液晶显示模块5部分组成。

3.1.1 处理器

为了最大限度地利用单片机的端口和片内外设并降低设备成本,系统处理核心使用美国ATMEL公司生产的性价比高的AT89C51单片机。AT89C51单片机是一个高性能、低功耗的带有4K字节FLASH存储器的8位CMOS单片机,含有128*8位的内部RAM,32个可编程I/O口线,两个16位定时/计数器,一个串行接口,时钟频率高达20MHz,系统使用11.0592MHz外部晶振。单片机支持由软件选择的2种掉电工作方式,适用于低功耗要求的场合,正好满足系统的低功耗要求。AT89C51将多功能的8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中,是一种可在线编程或使用编程器编程、灵活性高的高效微控制器[2]。

3.1.2 传感器[3]

传感器与处理器的连接图如图2所示。二氧化碳传感器采用的是世界上最小、最轻的NDIR技术二氧化碳传感器模块S-100。传感器利用非分光红外(NDIR)原理检测二氧化碳浓度,由一个镀金封装的光学系统和其他严格筛选的信号放大和处理元器件组成。可广泛安装到家庭网路、通风系统控制器、挂壁使用、机器人、汽车等,也可以应用于其他许多装置来监测控制空气质量。其测量范围为：0～2000ppm、0～5000ppm、0～10000ppm;测量精度：±30ppm±5%(0℃～50℃);响应时间：小于30s即可达到典型阶跃变化的 90%;电源输入：DC 5.0～5.5V,允许纹波±0.5mv;平均消耗电流25mA、峰值为350mA(10ms);工作温度范围：0℃～50℃;工作湿度范围：0%～95%RH;采样时间：3s。S-100传感器模块有两种数字通讯接口方式：UART(9600bps)数字通讯接口和IIC数字通讯接口。考虑到整个系统电路的设计,选用模块的IIC数字通讯接口方式与单片机模拟的IIC接口连接。用单片机的P1ˆ0口和P1ˆ1口模拟IIC的时钟线SCL和数据线SDA。

图2 传感器与处理器连接电路

3.1.3 GPRS模块

GPRS模块无线通信模块是无线传输网络的核心组成部分,系统采用SIM300模块作为无线传感网络的传送单元。SIM300无线传输模块采用单电压供电,供电电压为3.4～4.5V,休眠模式下工作电流典型值仅为2.5mA,正常工作温度为±22℃～±55℃,能满足系统多环境、低功耗的需要,适合在多数场合下使用。SIM300无线通信模块内置完整的TCP/IP协议栈,不仅支持SOCKET连接下的TCP/IP数据传输,还支持HTTP、FTP、SMTP和P0P3等上层应用协议。采集系统中模块通过串行接口与控制单元的串行接口相连,在通信过程中主要是通过接受来自控制单元发出的AT指令来完成模块初始化、网络配置和数据传输等任务的[5-6]。

3.1.4 GPS模块

系统使用的GPS定位模块是HOLUX GPS模块M-89。M-89是一款采用联发科技公司(MTK)所设计的低耗电量芯片MT3318模块,M-89支持NMEA-0183V 2.2版本规格输出及SIRF二位编码通讯协议,更新速率为1Hz,灵敏度高于-159dBM,3.0～5.0V直流电压供电,工作温度-40℃～+85℃,工作湿度5%～95%,具有32个通道,灵敏度高、功耗低、漂移小定位快。M-89是串口输出,由于系统使用的AT89C51单片机的串口与GPRS无线通信模块通信,用单片机的普通I/O口P1ˆ2和P1ˆ3来模拟串口的RXD和TXD连接GPS模块,接受GPS模块发送过来的定位信息。

3.2 软件设计

系统采集终端程序用C语言编写,图3是主程序流程图。主程序首先完成传感器模块、GPS模块、液晶显示模块、GPRS模块的初始化,然后进行信号采集运算、LCD显示、GPRS无线传输数据等操作。终端主程序主要包括程序初始化模块、循环模块、串行通信程序模块、IIC通信程序模块、延时程序模块等。其中GPRS模块的初始化是保证整个无线传感网络连通的关键,需要配置的参数有GPRS通信模块ID号、监测主机IP地址、掉线重播次数、重播时间间隔、数据监测站主机端口地址、GPRS通信模块通信端口等。初始化后,数据采集终端每隔2min采集一次GPS定位信息和二氧化碳浓度信息,并把采集的信息进行简单的处理后在LCD液晶显示模块上显示出来,最后通过GPRS无线传输模块把数据信息发送到远端的服务器上。

图3 主程序流程图

4 GPRS无线传输网路

无线通信对于分布范围广,布局分散的采集终端节点是一种较好的通信方式。GPRS网络具有分组交换功能,支持TCP/IP协议,可以与分组数据网(Internet等)直接互通,大大提高了数据传输速率和传输量,而且采用比较合理的按流量计费方式,节约了系统的成本。采集终端节点的CPU通过使用AT指令控制GPRS模块,把采集终端采集到的数据通过GPRS无线网路传输到数据中心。首先,GPRS模块进行初始化,获得自己的IP地址、数据中心PC机的静态IP地址及端口号[7]。然后,GPRS模块通过内嵌的TCP/IP协议栈处理CPU传输过来的数据并发送数据。

5 数据中心

基于GPRS无线传感网的大气CO2浓度采集系统的数据中心部分即为一台具有公网IP地址的计算机,其核心就是软件的设计。数据中心的PC软件是基于VC6.0的开发平台,集网络技术和数据库技术于一身,通过Internet网络与GPRS网路建立网络连接。程序首先监听传输仪的连接请求,在连接建立后,接受传输仪传输过来的二氧化碳浓度信息、地理位置信息和时间信息数据并将接受到的数据进行即时显示[8]。然后,将接受到的数据进行处理,使二氧化碳浓度数据和与之对应的地理定位信息数据和时间信息数据构成一个完整的字符串,以便于数据的分析和再处理。最后,将处理好的数据录入到数据库。接受数据的实时界面如图4所示。实时数据中,2011-07-28 09：09表示采集时间,30.229/119.736是纬度和经度,401是二氧化碳浓度。

6 结束语

介绍了基于GPRS无线传感网的大气CO2浓度采集系统的研究与设计,通过现有的GPRS网络综合应用单片机、传感器、GPS和GPRS等模块进行的远程数据无线采集系统。分析了二氧化碳浓度采集系统的硬件电路设计方法、数据采集系统的软件设计。实现了远距离数据采集、GPS定位和GPRS无线数据传输相结合。摆脱了有线采集时遇到的地理因素和天气因素的困扰,使数据工作采集高效准确。GPS模块的应用更使得对二氧化碳浓度和浓度变化情况的统计分析较以往采集系统得到的数据更为方便准确。