基于GMS/GPRS的远程室内环境监控系统设计

郑鄂湘蔡运文（.厦门东海职业技术学院， 福建 厦门 36000；.厦门雅迅网络股份有限公司， 福建 厦门 36000）

基于GMS/GPRS的远程室内环境监控系统设计

郑鄂湘1蔡运文2（1.厦门东海职业技术学院， 福建 厦门 361000；2.厦门雅迅网络股份有限公司， 福建 厦门 361000）

以家庭室内空气质量的远程无线监测数据传输方式为研究对象，采用基于2.4G无线技术及GSM/GPRS无线数据传输技术建立的新装室内环境监测系统。设计上以低成本、便携式、展示方式新颖为核心，结合家庭的实际需要，用户不到现场就能随时了解新装修房屋有害气体等信息，减少了用户到现场检测的频率，节省用户的时间；进而普及室内环保监测设备的使用意识。

监控系统；GPRS；2.4G；传感器

随着人们生活水平的不断提高，室内环境问题成为社会关注的焦点，环境与人类健康和儿童生长发育的关系极为密切。近年来家装业发展迅速，不规范的家装带来的负面影响十分严重，而目前建材市场的混乱，造成非环保、低劣质的家装材料进入家居，有害气体特别是甲醛的污染十分突出。

目前室内环境的检测手段很多，大都采用短距离无线传输技术，必须要人员到现场参与监测，无法实现长时间、随时监控。近年来国内外研究出以无线传输技术对室内环境进行监测来代替传统的便携式环境检测仪。鲜晓东［1］等人提出了以CC2430为无线传感器节点核心，对室内的CO体积分数、烟雾体积分数和温度进行实时采集和监测；以ARM微处理器S3CA4BOX为控制核心，对采集的环境信息进行存储、分析和处理；利用SIM300模块实现数据的远程传输。林振衡［2］等提出一种基于无线传输的分布式空气质量监测系统的设计，以实现对大空间室内空气质量多点、实时监控。王长涛［3］等设计了主控制模块、检测模块、显示模块、无线传输模块和控于RFD5800无线传输模块的家居环境检测系统。戴龙彬［4］等采用的是ATmega16低功耗单片机，实现对室内空气中有毒有害气体浓度参数的采集处理、存储、显示、通信、报警等功能。这些技术都能很好的解决室内环境实时监控的特点，但是他们大都采用短距离无线传输技术，必须要人员到现场参与监测，无法实现长时间、随时监控。

GPRS这项全新技术可以令您在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接，同时费用又很合理。目前在环境监测领域已经运用广泛：李玲［5］等人设计了一种基于GPRS无线远程传输的环境监测系统，可以监测环境温度、环境湿度、光照度、紫外辐射、CO2浓度等环境信息；冯岩［6］等人设计的系统能实时将采集到的环境数据和预警信息通过GPRS或GMS的方式传输到监测部门，实现了对环境污染的实时监控、处理。

本文提出一种基于GMS/GPRS的室内环境监控系统，采用2.4G无线网络技术，其协议采用自定义本地组网传输协议，实现本地环境数据采集，通过GSM/GPRS技术，将环境数据（甲醛、煤气、温度）实时传输到远程客户端，最终客户可实时关注室内环境状态。

1 系统总体设计

基于GSM/GPRS的室内环境监测系统结构框图如图1所示，整个系统由室内环境数据采集模块、远程无线数据传输模块、监控数据中心以及用户监控软件等四部分组成，其中室内环境数据采集模块采用2.4G无线网络组网技术，对各类室内环境参数采集节点进行组网，实时采集室内环境参数数据，通过GSM/GPRS远程数据传输模块将监测数据发送到监控数据中心，监控数据中心主要负责将数据进行分类、统计以及汇总，用户监控软件主要以图形、报表等多种方式展现给客户，既可通过PC机客户端软件展现，也可通过手机微信公众号展现；用户既可以采用主动查询的方式获取监测结果，对于室内监测超标数据监控系统会以短信的方式将报警数据发送给用户绑定手机上。

2 系统各个模块设计

（1）室内环境数据采集模块 室内环境数据采集模块采用2.4G无线网络组网技术将室内各个数据采集节点进行分布式组网。各个数据采集模块主要由电源处理、数据采集处理器、AD转换、环境感知传感器、2.4G无线网络以及天线等组成。其系统结构图如图2所示，各个数据采集节点主要实现环境参数的采集、预处理以及上传工作，该模块产品封装成便携式结构，提高客户安装的便利性，设计上电源处理主要负责整个便携式采集模块的电池充电，电压转换等作用，AD采集负责将前端环境感知传感器处理器的模拟信号转换为处理器能适配的模拟信号，AD信号处理由处理器负责，主处理器负责数据预处理，以及上传工作，主处理器选择ST公司的超低功耗系列微控制器STM32L051K8，其设计资源丰富，开发配套的生态系统齐全，从基本外设库到操作系统均源码开放；同时也考虑其低功次设计对分布式系统增加或者减少采集节点采用自适应设计，其网络节点ID采用自分配原则。

（1）远程数据传输模块 远程数据传输模块采用GSM/ GPRS无线传输技术，主要负责将环境监测数据上传到监控数据中心。传输模块主要由电源处理、远程数据传输功能处理器、GSM/GPRS通信模块、2.4G无线网络、天线等组成，其系统结构图如图3所示，电源处理主要为本模块提供电池充电，电压转换等，处理器接收到的各个节点的数据并通过GSM/ GPRS网络传到监控数据中心，本设计处理器采用ST公司的STM32F103RCT6，其主频达到72MHZ；GSM/GPRS通信模块负责将各个节点的数据上传到监控数据中心，同时也可以通过GSM通道直接上传报警信息，鉴于系统传输数据量较小，因此设计上采用GSM/GPRS通信模块，采用上海移远公司的M12模块，模块以串口的通信方式与处理器进行交互，通过AT指令接入移动网络，最终于监控数据中心进行数据交互。

（3）监控数据中心 监控数据中心采用云计算，数据挖掘、信息安全等技术，主要负责各个数据采集模块上传数据的管理，分类、统计等工作，其系统结构框图如图4所示，监控数据中心主要由GPRS前置机、数据服务器，业务服务器等组成；其中GPRS前置机主要管理和每个用户的数据传输模块之间通信链路的管理、数据的收发，单个前置机设备能对应业务处理层的多个设备，数据服务器在数据库层面解决问题，需要使用到分库、分表的技术，引入了带有DAL的数据存储层概念，负责将获取的数据进行分类，统计等工作，业务服务器实现对具体协议的处理，该层也可以独立于通信接入层进行自由的性能伸缩扩展部署；在系统结构设计上，由于未来系统平台的终端接入数量比较巨大，而且随着业务的开展而逐渐增长。监控平台中引入了分布式、负载均衡机制，整个子系统的核心节点都可做成集群，各个相同功能节点之间都是独立的，以消除大数量连接和大数据量处理的性能瓶颈，满足大量数据节点的接入与可扩展性。

3 用户监控管理软件

图1 监控系统结构框图

图3 远程数据传输模块结构框图

图2 数据采集模块结构框图

图4 监控数据中心结构框图

图5 用户监控软件结构框图

用户监控软件主要分为PC机监控软件以及手机微信公众号，由于整个监控系统采用C/S的软件架构，因此设计上匹配了PC端监控软件，这类软件可以开放给设备运营商，也可以开放给最终客户，采用权限管理的方式实现不同角色访问者限制；另外，设计上还采用微信关注公众号展现方式，可以避开因各个手机平台而需要开放各种不同手机APP应用的复杂度，提高用户应用体验感。

4 结语

本文基于GSM/GPRS的室内环境监控系统结合了2.4无线组网技术、GSM/GPRS技术、传感器技术、JAVA技术；提出了一套完整的室内环境系统远程监控解决方案。系统解决了传统环境监控中存在的布线复杂，远程监控智能化、普及化不够，数据采集的实时展示等问题，系统具备低成本、低功耗、高智能化、高稳定性等优点；应用前景广泛，进一步研究该系统可以采用租赁运营服务的方式，降低用户单次使用成本，提高产品的普及性。

［1］鲜晓东，常超，等.基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计［J］.传感器与微系统，2011，30（6）:141-144.

［2］林振衡，林锋，等.基于无线传输的分布式室内空气质量检测系统［J］.莆田学院学报，2012，19（2）:42-46.

［3］王长涛，黄宽，等.基于RFD5800的室内环境监控系统设计与实现［J］.科技广场，2012，8:81-85.

［4］戴龙彬，刘连颖.智能室内环境监测仪的设计与研究［J］.科技创新导报，2012，9:27.

［5］李玲，李鹏.基于无线传输的环境监测系统［J］.数字技术与应用：学术论坛.

［6］冯岩，韩太林.基于无线传输网络的环境监测系统的设计［J］.长春理工大学学报， 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

郑鄂湘（1980- ），女，湖南省澧县，厦门东海职业技术学院，讲师，硕士，现主要从事环境监测与评价方面的教学与研究工作。基金项目：福建省教育厅科技项目（JA13461） 。