基于无线传输网络的环境监测系统的设计

JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）

Vol.35No.4Dec.2012基于无线传输网络的环境监测系统的设计

冯岩，韩太林

（长春理工大学电子信息工程学院，长春

摘

130022）

要：高速发展的工业技术在带来便利生活的同时，也使得许多环境污染源不断出现，目前环境污染已成为一个严峻的

社会问题，而传统的基于有线网络的环境监测技术已经不能满足日益复杂的环境监测需求。因此本文提出了基于无线网络的环境监测系统，本系统由现场监测设备、监测服务器两部分组成，这两部分通过无线网络连接，能实时将采集到的环境数据和预警信息通过GPRS或SMS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。关键词：环境监测；无线传输网络；GPRS；SMS中图分类号：TN98

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2012）04-0113-04

EnvironmentalMonitoringSystembasedonWirelessTransmissionNetworkDesign

FENGYan，HANTailin

（SchoolofChangchunUniversityofScienceandTechnologyElectronicsandInformationEngineering，Changchun130022）Abstract：Therapiddevelopmentoftheindustrialtechnologybringsconvenienceoflife.Atthesametime，manyenvi-ronmentalpollutionsourceappearsceaselessly.Theenvironmentalpollutionhasbecomeaserioussocialproblem，Tradi-tionalenvironmentmonitoringtechonlogyrelayingoncablenetworkcannotmeettheincreasinglycomplexdemandsofenvironmentalmonitoring.Therefore，thisthesisdescribesanewenvironmentmonitoringsystembasedontheGSMnet-work，thissystemconsistsoftwoparts，thatistheonefieldmonitoringequipmentandandthemonitoringserver.Twopartsareconnectedviaawirelessnetwork，andcanreal-timelycollectstheenvironmentaldataandalarminformationthroughGPRSorSMSmodefortransmissiontothemonitoringdepartments，andtoachievereal-timemonitoringandprocessingofenvironmentalpollution.

Keywords：environmentmonitoring；wirelessnetwork；GPRS；SMS

环境监测的主要目的是及时、准确、全面地反映当前的环境污染的现状及其发展趋势，从而为环境管理、污染防治和环境规划提供有力依据［1-3］。其主要能起到如下作用：为各项环境管理活动提供科学依据；掌握环境质量现状及其变化趋势；开展环境科学研究。因此环境监测可以及时发现新的环境污染问题，并通过控制污染途径来确定新的污染因素，从而指明污染的原因、污染物的迁移、变化规律，最终为环保科学研究提供可靠、完善的数据。并在监测数据的基础上，研究污染源扩散模式，为预防新污染源对环境影响提供了宝贵的基础资料。

我国在环境监测领域与国外相比有着明显的差距。无论是在软硬件技术水平上，还是在法律法规的制定上，都有很长的路要走。从我国环境监测的现实情况出发，设计出更加符合我国实际国情，准确、灵活、选择性多、分辨率高的环境监测系统是很有必要的。

1系统总体设计

整个监测系统在结构上主要分为两部分，即监测服务器系统和现场监测设备系统。监测服务器系统用于进行数据传输、系统控制、数据分析处理，现

收稿日期：2012-08-12

作者简介：冯岩（1987-），男，硕士研究生，主要从事信号检测与信号处理理论与技术的研究。

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场监测设备系统包括环境检测仪器和数据采集仪器。

监测服务器有权限向现场监测设备发送各种控制命令，控制命令通过无线网络发送给现场监测设备，现场监测设备系统响应监测服务器对各种监测仪器所发出的控制要求。监测服务器系统包含有一个完整的数据库管理系统，负责对整个系统进行集中管理。通过这个数据库，监测服务器能够对监测的环境数据做出完备的统计分析，并根据分析结果制定相应的控制方案。

在现场监测设备系统中，通常有多台监测仪器同时工作。传统的工作模式是将每台环境监测仪以星形结构形成结网结构。在此种工作模式下每一台监测仪器与监测服务器保持独立的通信链路，并且需要针对每台仪器编写独立的数据传输及接口协议。因此监测服务器必须配置多数据接收端口，其控制软件也必须兼顾到不同设备的传输协议。因此这种工作模式有工作不稳定、兼容性差等缺点。

针对传统工作模式的弊端，现设计的环境监测系统中引入了数据采集仪，如图1所示。

图1数据采集设备组成的现场监测系统网络结构Fig.1Monitorsystemwithfielddataacquirement

equipmentsnetworktopology

数据采集传输仪的引入，使各个仪器通过数据采集仪连接起来，形成一个仪器监测局域网络。这样数据采集仪作为一个独立节点联入传输网络，分布在现场的设备将采集到的数据通过网络传送至数据采集仪，再通过传输网络传送到监测服务器。不同于传统的星形结构，这是一种总线结构的数据传输网络。

与传统工作模式相比，监控仪器不再需要具备远距离传输功能，并且系统中可以更加便捷的将不同型号的各种仪器进行组网，监测服务器不再需要

针对每一台监测仪配备专门的网络信号接口，并且要兼顾不同的传输协议。使得整个系统的成本得以降低，并且系统的管理和维护也会更加简单。

在数据传输方面，针对环境监测的实际情况，不采用有线数据通信方式，而是采用无线数据传输通信，以目前已经成熟的通用分组无线业务技术（GPRS：GeneralPacketRadioService）和短消息业务技术（SMS：ShortMessageService）这两种手段为主。

2系统各部分的具体设计

2.1监测服务器的具体设计

监测服务器的硬件结构部分普通的服务器或者PC机就能够胜任。监测软件由数据通信驱动、数据库管理两部分组成。

数据通信协议，遵循《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输和接口标准技术规范（征求意见稿）》的要求。

数据库管理部分采用微软公司的VisualStu-dio.NET2003作为开发平台，结合SQLServer2000数据库系统，搭建了一套专门用于环境监测的数据库管理系统。

该数据库采用SQL语言作为数据存取接口，SQL（StructuredQueryLanguage）结构化查询语言是国际通用的数据库标准语言，目前各个数据库开发厂家纷纷推出了各自的SQL管理软件或支持SQL接口的开发平台，通过SQL语言，使得在不同数据库系统之间的互操作成为可能。也为用户程序在不同数据库系统之间无缝移植成为可能。借助SQL语言的帮助，再加上ADO.NET提供的功能强大的数据库访问功能，使得程序员既可以直接在编程模式下通过代码设计数据库访问程序，也可以利用开发平台提供的数据访问向导进行可视化数据库开发设计。

2.2现场监测设备的具体设计

（1）数据传输的具体设计

在现实环境中，我们要实现对不同监测目标的实时监控和数据传输，因此在现场监测设备系统中常包括了测量温度、湿度、电导率、溶解氧、pH值、含氧量和氨氮等在内的多种测量仪器。

针对不同设备厂家均有独立的通讯协议，并且同一仪器工作于不同场合，其所用通讯协议也可能不同的现实情况。在本系统的设计中所采用的是

第四期冯岩，等：基于无线传输网络的环境监测系统的设计

115Modbus协议，Modbus协议能够将不同厂商生产的仪器或者控制设备连成一个仪器网络，使得监测服务器对此能进行集中监控，因此是一种被广泛应用于自动化控制领域的通用控制协议。

Modbus协议定义了一个所有设备都能认识和使用的消息帧结构，而不用在乎这些仪器设备是经过何种网络进行通信的。即Modbus协议指定了一套完整的消息帧的构建和内容格式［4］。

当设备在Modbus网络上进行通信时，每个设备都必须要有一个独立的设备地址。网络上所有的数据通信和命令控制都是通过这个地址来区分。

标准的Modbus网络物理接口使用和RS-232兼容的串行通信接口，串行通信协议是Modbus的标准载体。仪器设备根据Modbus协议对连接器的引脚序号、电缆长度、信号起止位、传输速率、奇偶校验位等详细定义进行设计，就能通过Modem协议组网。对于不采用串行通信协议作为通信载体的网络，可以将Modbus协议的消息结构转换当前网络对应的数据帧，从而进行通信。

标准Modbus协议规定仪器设备之间采用“主—从”结构进行通信。主设备可以单独和从设备进行点对点的通信，也可以采用广播的方式和网络上所有从设备进行通信。如果采用点对点的通信方式，从设备响应主设备的命令，并返回相应的应答消息；如果主设备是以广播的方式进行通信，则所有从设备对于该命令均不作响应。如图2所示。

图2Modbus协议的数据传输结构

Fig.2Datatransportationstructureofmodbusprotocol

（2）数据传输的具体过程

对于现场监测设备系统中的仪器局域网络，现场监测设备是唯一的主设备。它通过无线网络接收并解析监测服务器下传命令后，将其封装并生成符合Modbus协议标准的消息帧，通过现场的局域网络发送给仪器设备。

在本监测系统中，现场监测设备与仪器设备之间的通讯采用10M以太网组成局域网络，并通过

TCP/IP协议作为数据传输的载体，将Modbus协议的消息帧封装为TCP/IP的数据帧进行通信、传输。

现场监测设备启动运行后，将首先读取本地数据库中的相关配置参数，如数据采集时间间隔、服务器地址、端口等基本配置信息。在完成了相关配置信息的初始化之后，现场监测设备再从本地数据库中，读取每台在线仪器的配置信息。这些配置信息包括仪器在Modbus网络中的设备地址，仪器在以太网中的IP地址，仪器各自数据段的解析等信息。其中设备地址和IP地址是最主要的参数。

当所有配置信息读取完成后，现场监测设备开始对数据库内记录的仪器进行扫描，以确认每台仪器是否正常连接。这个扫描主要是通过向每台仪器发出读取当前实时数据的命令来实现的。如果检测仪器正常启动并接入局域网，那么由现场监测设备发出的命令将会得到正确的响应并返回相应的实时测量值，现场监测设备根据返回的信息，即可确认该仪器设备正确连接于网络中，可进行后续的监测工作。反正，如果仪器没有接入到局域网中，那么将根据通信协议所规定的设备间数据传输延时的时限来判断仪器没有正确接入局域网。

通过以上的扫描，现场或监控中心的工作人员即可知道所有仪器的工作情况，对正确连接入网的仪器设备进行控制、采集，对于没有连接或连接错误的设备，操作人员可采取相应的措施对设备进行维护处理，并且现场监测设备对于连接错误的设备，还会定时对其进行扫描，使得仪器设备在修护后，即可迅速重新联网进行检测。对于判定不可修复的设备，则可通过在现场监测设备中进行设置，对相应的设备进行屏蔽。

现场监测设备将从监测仪器采集到的数据全部存储本地数据库中。当监测服务器想要从现场监测设备上获取监测数据时，只需通过无线网络从现场

监测设备数据库中调用即可。由于在本地数据库的操作中引入了ADO.NET技术，使得现场监测设备的数据库具有离线操作功能，这样就能够使得现场监测设备在向监测服务器上传数据的同时仍能及时更新现场采集的数据，从而在不影响上传数据的情况下，保证了现场监测数据的连贯性、完整性。

3无线传输网络

在本监测系统中，主要有两种数据传输方式，分别是基于TCP/IP的GPRS数据传输和基于SMS

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短消息的数据传输。这两种传输方式中，GPRS数据传输主要用于大批量数据的上传，如对现场监测设备的数据库读取等操作，SMS短消息的方式主要用于控制命令的发送，这两种方式均通过对现场监测设备配置的GPRSModem发送相关的AT指令来实现的。

GPRS属于在GSM的基础上推出的2.5G无线数据传输业务，是在向3G标准演进中采取的过渡性方案。

GSM（GlobalSystemForMobileCommuni-cation：全球移动通信）系统现在已实现全球100多个国家的漫游覆盖、各种操作环境下出色的话音质量及许多增值业务。目前，我国已经拥有2亿以上的GSM用户，成为世界上最大的GSM运营网络。GSM公共陆地移动网（PLMN）如图3所示。

图3GSM的网络结构图Fig.3StructureofGSMnetwork

GPRS的实现是通过对GSM体系中的BTS、BSC、HLR等节点进行技术升级，在现存的GSM网络结构中布属新的GCSN网络节点（GPRS网关支持节点）和SGSN（GPRS服务支持节点），并通过新增网络接口，从而实现了两个网络实体间相互通信，从而实现了GPRS的新功能。如图4所示。

在进行GPRS传输时，GPRS网络将每个链路层间的协议进行自动封装，对于终端用户而言，不需要对底层的通信协议进行设置，只需要在应用层进行配置即可就能够享受GPRS网络所提供的高速数据业务。而GPRS面向用户的应用层协议，其核

心就是TCP/IP协议［5，6］。

GSM网络提供了一种移动终端之间通过信息中心进行文字信息转发的业务，这种业务就是短消息（SMS）服务，它主要用于传送不超过160个字符

的少量文字信息。短消息业务主要包括两种方式：分布式小区广播短消息和点对点短消息。我们通常提到的短消息业务主要就是指点对点的短消息。在本监测系统中也是采用点对点的短消息业务。通过实际的工作环境和仪器状况可以对适配器进行新的设计，并且通过调研针对典型的外部通信接口类型进行设计，并且可以考虑将现有成熟的Internet接入方式都纳入到适配器设计当中。

图4GPRS的网络结构图Fig.4StructureofGPRSnetwork

4结论

本文提出了一套基于远程数据网络的环境自动监测系统，通过对监测体系中监测服务器、现场监测设备的合理设计，利用无线通用分组业务（GPRS）和短消息业务（SMS）作为数据传输的主要节制，架构了一套能够对环境实施远程、自动监控的环境监

测系统。采用面向对象的方法来进行系统总体设计以满足不同应用场合的分析仪器的网络工作环境要求。

参考文献

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