机场航站楼环境数据集中监测平台设计

董健康 朱恺杰 陈静杰

摘 要： 为了响应民航局“十三五”节能减排专项项目的号召，设计一种具有较高可靠性，界面友好的航站楼环境数据集中监测平台，来实时监测和存储航站楼的环境数据。该系统的软件以Visual Studio.NET为平台，运用C#编程语言通过TCP/IP远程网络通信协议结合GPRS移动网络，实现上位机对多台在不同采样现场采集设备的远程数据交流，远程指令控制，数据图表绘制和历史等功能。硬件部分以STM32微控制器为核心，集高温度和高精度CO2浓度采集模块，数据存储模块，GPRS远程通信模块为一体构成智能化环境数据采集节点。将采集节点布置于天津滨海国际机场T2航站楼值机大厅进行采集实验，证明了该监测系统具有较高的精确性和可靠性。

关键词： 航站楼； 环境参数； 远程采集； 指令控制； 数据查询； STM32微控制器

中图分类号： TN931+.3?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）08?0139?05

Abstract： To respond to Civil Aviation Administration′s call of special project for energy saving and emission reduction in "13th Five?year Plan"， an airport terminal environmental data centralized monitoring platform with high reliability and friendly interface is designed to monitor and store airport terminal environmental data in real time. Taking Visual Studio.NET as the platform， the system software realizes the functions such as remote data exchange， remote command control， data graph drawing and historical data searching between the host computer and multiple acquisition devices in different sampling sites by using the C# programming language. and TCP/IP remote network communication protocol， and combining with the GPRS mobile network.Taking STM32 microcontroller as the core， the hardware part integrates high?temperature and high?precision CO2 concentration acquisition module， data storage module， and GPRS telecommunication module to constitute intelligent environmental data acquisition nodes. The acquisition nodes were placed in the check?in hall of T2 terminal in Tianjin Binhai International Airport to carry out the acquisition experiment. The result shows that this monitoring system has high precision and reliability.

Keywords： airport terminal； environmental parameter； remote acquisition； command control； data query； STM32 microcontroller

国家“十三五”对于机场建设规划指出，我国在“十三五”末，将建成干线机场260个，通用机场500个以上[1]。随着我国机场数量及旅客流量增多，机场的能源负荷将会日益增大。其中，航站楼的空调和通风设施将会在机场能源消耗中占有很重要的比例[2]，而通风负荷将占到整个空调负荷的20%以上。且目前航站楼普遍存在新风调节力度过大或者不足的情况。航站楼的通风系统节能潜力巨大。所以，需要建立一个具备集远程数据采集网络、远程通信、上位机客户端和数据库为一体的航站楼环境数据集中监测平台，对航站楼不同位置的CO2浓度、温度进行测定，从而为评估航站楼不同区域的候机环境通风情况打下基础。

1 系统设计

整套系统平台由PC端数据监测软件、环境数据库和放置于航站楼不同位置的可移动智能环境数据采集节点构成。上下位机主要依靠基于GPRS模块的TCP/IP网络通信协议结合VPN路由通过外网映射端口来进行数据信息和指令交流。来自不同采集设备的大气数据信息能实时地反映在PC端监控软件的动态曲线趋势图上。与此同时，PC端软件能对这些所采集到的数据在后台SQL Server数据库中进行区分存储，在上位机软件中可对每个现场采集设备指定日期内的数据进行查询和趋势图的绘制，便于日后对航站楼内多区域环境数据的变化及调控措施进行深入研究。系统平台结构如图1所示。

2 智能環境数据监测节点设计

环境数据采集节点主要布设于航站楼人流聚集区域，如值机大厅各值机环岛，候机楼等区域，用于采集这些区域的CO2浓度和温度变化情况。将数据传输至上位机，与此同时也将时间和该时间的环境数据存储至E2PROM存储芯片中。采集节点配备有3 000 mA·h， 9 V锂电池，也可外接9 V/12 V电源供电，工作电流为104 mA，硬件结构如图2所示。

1） 采集设备由STM32F103ZET6微处理器，低功耗型红外二氧化碳传感器COZIR? ambient，DS18B20温度传感器，SIM900A型GPRS通信模块，E2PROM存储芯片等部分组成。

2） CO2传感器采用英国COZIR? ambient低功耗高精度CO2传感器，功耗仅为3.5 mW，3.3 V供电，测量范围0～5 000 ppm，精度为±50 ppm +/-3%FS。温度传感器使用DS18B20温度传感器，在 -10～85 ℃范围内精度为±0.5 ℃。

3） 采集节点主控板采用TP4055芯片充电电路，可在外接电源时为整个采集设备供电，与此同时为采集节点的锂电池充电。外接电源和电池切换电路可以确保在断开外接电源时自动切换到锂电池供电。

4） 采集节点与上位机的信息交互主要依靠SIM900A GPRS模块进行通信。该模块内部采用PPP网络协议，提供应用层AT指令对GPRS模块进行配置，通过拨号上网的方式远程PC服务器端进行TCP连接[3?4]。 在采集节点未和上位机建立连接时，可用移动电话向采集器以短信的形式向特定编号的采集器发送请求连接信号，采集节点收到短信后将会向上位机连续进行3次握手连接，若连接上，则数据通道建立。上位机即可与采集节点进行数据或命令的交互，若3次连接失败，那么采集器将暂时终端握手连接请求，保持原来的数据采集工作。在建立连接后，若长时间无信息交互TCP通信将会断开，故下位機设置了每30 s发送一次心跳包给上位机端，以确保连接稳定。若在数据传输过程中由于其他外在原因导致网络连接中断，采集节点也能在心跳包发送失败后向上位机进行3次恢复连接请求。也可通过移动电话以短信的形式向指定的采集设备发送“RELINK”将设备远程复位。

5） 在采集节点设计中选用AT24C1024 E2PROM存储芯片，用于存储采集到的环境数据，当与上位机建立连接后，上位机软件可通过发送指令，将E2PROM中的数据全部读取，或者将上位机发送过来的日期范围指令进行转码，见表1，利用时间段信息，在E2PROM中进行寻址，开始发送指定时间段内所存储的数据。

3 上位机软件系统设计

上位机软件以Visual Studio.NET为平台利用winForm窗体环境来进行对各项功能及软件界面的开发，主体功能主要分为实时数据接收图和历史数据查询两大部分，如图3所示。

3.1 建立通信

采集节点的GPRS模块是利用移动通信运营商分配的公网IP地址，而PC端使用的是内网IP，所以设置一台VPN服务器[5]，将上位机端的IP地址穿透至公网IP，使采集节点能与上位机建立通信。主要运用基于TCP/IP协议的Socket套接字通信方式，将上位机设置为Socket服务器，采集节点设置为Socket客户端，上位机点击“开始接收”按钮后，即打开了Socket服务器，并监听所有采集节点的连接请求。在接收到某个下位机的握手连接信号后，上位机将通过.Net平台下的IPEndPoint类中绑定客户端IP的方法来获取该采集设备的IP地址和端口号，并将其存入IP队列中。然后利用.Net的多线程（Thread）[6?7]方法为该通信通道分配一个新线程，该方法可实现上位机与各台设备的信息交互完全由相互独立的线程通道进行，保证了连接的可靠性和稳定性，且在采集节点连接断开以后Thread将会自动被释放，大大节省了上位机的资源。

在建立通信后，上下位机通过数据流（stream）的方式进行通信。在有数据交互时，上位机和下位机将索要发送的信息发入数据流中，即可进行数据传输和下位机的相关应答通信；在没有数据交流时stream将会释放，节省上位机资源。上位机软件在每接收一条数据时会遍历检测一次存放IP号的队列，用Socket类中poll方法来监测与该设备的通断，若已断开，那么IP队列将断开的设备删除，同时在线设备列表中该设备号也将删除。

3.2 信息处理

上位机通过实时数据接收界面或者历史数据接收界面上的下拉框（combo box控件）来选择所需查看或者操作的设备，在实时数据接收界面下，当选中下拉框的设备编号后，上位机锁定该设备所对应的IP地址进行信息交互。具体的交互指令格式和作用如表1所示。

1） 上位机能通过指令接收或者删除下位机E2PROM存储芯片中所有存储的时间，温度和CO2浓度数据，也可通过日历表（Canlendar）控件输入日期区间，程序将时间段区间组成时间段指令来发送给对应的采集设备，采集设备将在E2PROM中以日期索引的方式来寻找符合条件的数据，并开始向上位机发送该段时间的环境数据。下位机对于上位机的指令可进行应答。如表2所示。

2） PC端使用Visual Studio.NET平台对于SQL Server的字符串指令编程控制模式[8]。上位机软件通过数据头区分数据来源设备号，然后在SQL Server库的表名中寻找对应的设备存储列表将数据存入，具体过程如图4所示。

3） 利用Visual Studio.NET平台下开源的ZedGraph控件组进行CO2浓度和温度变化曲线的绘制。该控件以读取数组的形式进行绘图，上位机将接收到的数据字符串进行处理后存入ZedGraph的画图数组中，程序再将数组中的数值更新到图表中。ZedGraph控件具有灵活的数据量自适应功能，能够随着数据量逐渐变多从而将时间轴压缩，便于观察整体趋势[9?10]，用户也可以通过鼠标自由地选取将深入分析的曲线趋势段进行放大。

4） 历史数据的查询主要是基于SQL数据库的查询，对已接收到的上位机服务器端的数据进行读取，数据库中数据表的格式如图5所示，其中时间设为数据表的主键，这样可以防止时间不按照先后顺序排列，也可避免重复录入。

由于考虑到设备的可移动性，在更换设备采集方位后，在历史数据查询状态下，可将设备所对应的数据库中的数据进行导出和删除操作。其中，导出操作利用dataGridView控件以表格形式将对应设备数据库中的数据间接按用户所选路径导出存放，然后利用Visual Studio.NET平台下的Excel操作类将数据以Excel表格的形式输出。

4 实验测试结果

4.1 实时接收模式实验结果

选取两台采集节点设备分别放置于天津滨海国际机场T2航站楼E和F环岛的值机区域中，PC端服务器设置于校内实验室中，进行数据接收测试。首先用移动电话向这两台采集设备发送“LINKME”指令，待在线设备列表框中出现这两台采集节点的设备号后，分别设定两台采集节点数据接收周期为每次30 s（短周期采样）。接收情况如图6所示。上位机数据接收稳定，无卡顿或死机现象，实时性较好。趋势图可实时反映航站楼两个值机环岛的CO2浓度和温度。从曲线图可看出航站楼E，F两个环岛的温度较为平稳，CO2浓度却有明显的变化。

4.2 歷史数据查询实验结果

在历史数据模式下查阅这两台设备所对应的数据库中所存储的24 h下的历史数据，按每次30 s的采集频率，应测2 880个数据，求得丢包率如表3所示。2台采集设备丢包率分别为6.1%和6.5%，可见丢包率较小，对于研究环境数据的变化曲线的影响较小，故设备的数据采集和传输较为可靠。

5 结 语

本系统实现了航站楼内多点CO2浓度、温度的采集，更可以对多个航站楼进行环境数据采集。结合丰富的上下位机操作指令，有效地保证了数据稳定可靠的接收与存储。相比于传统的采集平台，其有更高的数据采集完整性。上位机友好的人机界面达到了较好的多现场采集设备远程可控性。后台数据库对所采集到的数据进行了高效的管理。测试结果表明，整套平台操作简便，运行稳定可靠，适用于对诸如航站楼等，人流量大，客流具有时间性聚集的场所进行环境评估，从而在现有的空调通风设备的基础上制定更加合理的环境参数调节策略，达到节省能源的目的，具有较高的社会推广价值。

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