舒泰歌 游乾乾 李慕凡 王瀚澤 張藝鼎

摘 要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息化管理和培育手段逐漸向各種應(yīng)用場景深入，其中實(shí)時(shí)現(xiàn)場信息的獲取是信息化管理的基礎(chǔ)。文章分析信息采集和遠(yuǎn)程技術(shù)，設(shè)計(jì)STM32+GPRS的傳輸模塊，以功能需求和組網(wǎng)成本為約束目標(biāo)，研究信息采集終端的設(shè)計(jì)方法及各模塊的功能定位與技術(shù)要求形成針對不同應(yīng)用場景可靈活配置的信息采集網(wǎng)絡(luò)解決方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;環(huán)境監(jiān)測;STM32;GPRS

1 緒論

隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度多通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)在測量測控領(lǐng)域占據(jù)了主要地位，而且被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民生和軍事等各個(gè)領(lǐng)域。測量項(xiàng)目主要為電壓和電流、溫濕度與功率功耗等，以便后期用于數(shù)據(jù)的分析、系統(tǒng)的改善等[1]?，F(xiàn)階段無線信息采集系統(tǒng)很多，但可操作性強(qiáng)和布置靈活的模塊很少。針對傳統(tǒng)采集系統(tǒng)存在的成本高和采集效率低等問題，提出了一種基于STM32模塊化信息采集終端。[2-3]

2 系統(tǒng)功能需求

該系統(tǒng)可兼容市面上大多數(shù)的傳感器，且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的無線遠(yuǎn)距離雙向通信、模擬信號和數(shù)字信號的采集、數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測控制的功能，在比較惡劣的環(huán)境下具備信息的采集、處理、發(fā)送的能力。綜上所述，本系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：（1）終端信息采集和數(shù)據(jù)處理功能;（2）終端與上位機(jī)的遠(yuǎn)距離無線雙向通信功能;（3）終端有豐富的傳感器接口;（4）終端具有一定的實(shí)時(shí)性、高可靠性、易維護(hù)性;（5）上位機(jī)具有數(shù)據(jù)接收、處理、存儲(chǔ)、顯示和發(fā)送等功能。

3 無線信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由于目前可支持的遠(yuǎn)程無線傳輸方案有GPRS、3G、4G等，而采集現(xiàn)場往往建立在偏遠(yuǎn)地區(qū)，GPRS相比與3G、4G有更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率[4]，其85.6kbps最大傳輸速率能完全滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，因此本系統(tǒng)采用GPRS作為遠(yuǎn)程無線通信方案，由無線信息采集終端、服務(wù)器和用戶端組成，可根據(jù)工作現(xiàn)場設(shè)定不同工作方式，對現(xiàn)場的傳感器收集的信號參數(shù)進(jìn)行采樣，將處理的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)終端，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并對其進(jìn)行分析歸類。

3.2 無線信息采集終端設(shè)計(jì)

無線信息采集終端采用分布式全局精確時(shí)鐘同步狀態(tài)追蹤技術(shù)，分為采集模塊、電源管理系統(tǒng)、通信模塊三個(gè)獨(dú)立模塊，電路主要包括傳感器組、嵌入式微控制器，A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源控制電路、GPRS模塊和信號增益器。

（1）采集模塊。為兼容市面上大多數(shù)的傳感器，采集模塊采用IIC和雙線串行通信協(xié)議，支持多通道高精度A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)采集環(huán)境需求和采集信息種類，分為下列支持熱插拔的傳感器模塊。溫度采集模塊：內(nèi)置DS18B20，防護(hù)等級為IP65，適合于特殊環(huán)境下液體、固體的溫度測量。濃度檢測模塊使用具有良好的動(dòng)態(tài)性能MQ-3探頭。位移測量模塊使用拉繩式位移，重復(fù)誤差小，雙線路輸出至MCU。PH測量模塊，測量精度為0.01PH，支持溫度補(bǔ)償，可直接輸出0～5V或0～3V的模擬電壓信號，高精度A/D轉(zhuǎn)換后讀取。壓力測量模塊，內(nèi)置高精度的24-bits A/D芯片，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;液位感應(yīng)模塊采用反射式光感，其頭部的光源精度優(yōu)于浮子式表位開關(guān)，抗干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間<500ms。

（2）電源管理系統(tǒng)。為保證MCU、傳感器組以及GPRS模塊在遠(yuǎn)距離環(huán)境下的穩(wěn)定工作，采用能量容比高的Li-SOCL2電池，配合有低功耗控制電路和電源保護(hù)電路，將+12V通過電源電路二次穩(wěn)壓輸出+3.3V和+5V，給各個(gè)模塊供電，保證無線信息采集終端的長時(shí)間運(yùn)行。

（3）通信模塊。為保證信息傳輸實(shí)時(shí)性，內(nèi)置高速RTC時(shí)鐘，且定時(shí)通過高精度NTP校準(zhǔn)采集時(shí)間。通信模塊建立通信流程如圖3.所示。設(shè)定GPRS連接方式并啟動(dòng)GPRS連接，查詢當(dāng)前連接狀態(tài)，若GPRS連接狀態(tài)異常，啟動(dòng)異常報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行修復(fù);若GPRS連接狀態(tài)正常，通過RS232接收到MCU的指令后，獲取目標(biāo)IP地址，建立TCP通信線程，并將采集的數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。

GPRS通信方式為單鏈路方式;字符格式：協(xié)議頭1位、地址位1位、數(shù)據(jù)位8位、時(shí)鐘位4位、校驗(yàn)位1位、消息尾1位，消息格式如下表所示。

3.3 服務(wù)器模塊和用戶端設(shè)計(jì)

為保證數(shù)據(jù)安全和服務(wù)器運(yùn)行穩(wěn)定，服務(wù)器采用非阻塞式設(shè)計(jì)思想，基于NodeJS的koa2框架設(shè)計(jì)，分離信息采集終端的操作模塊和用戶數(shù)據(jù)操作模塊。服務(wù)器模塊工作流程如圖4所示，服務(wù)初始化后，服務(wù)器向采集終端發(fā)送TCP報(bào)文，等待采集終端握手。若握手成功，開啟接收端口，指示終端開啟數(shù)據(jù)傳輸。接收完畢后，繼續(xù)監(jiān)聽端口，等待下一塊數(shù)據(jù)發(fā)送，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行校驗(yàn)分析，后儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中，最后提取數(shù)據(jù)生成分析報(bào)告并展示給用戶。

用戶端采用Html+CSS+jQuery動(dòng)態(tài)頁面設(shè)計(jì)，通過TLS/SSL協(xié)議加密請求，能夠?qū)崿F(xiàn)與服務(wù)器的快速交互，用戶可通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程連接信息采集終端對環(huán)境實(shí)施在線監(jiān)測。

4 結(jié)論

針對不同場景的可靈活配置和組網(wǎng)成本的要求，設(shè)計(jì)了包括了無線信息采集終端，服務(wù)器模塊和用戶端的無線信息采集系統(tǒng)。經(jīng)過一系列的調(diào)整測試，各個(gè)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期，系統(tǒng)可靠便攜，操作簡便，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離無線信息采集的功能。

參考文獻(xiàn)：

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[3]韓賓，易志強(qiáng)，江虹，等.一種高精度多通道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2019（9）：43-45.HAN Bin，YI Zhiqiang，JIANG Hong， etc.Design of High Precision Multi-channel Real-time Data Acquisition System[J].Mianyang 621010，Instrument Technique and Sensor.

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項(xiàng)目：天津市級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃（ 201910059134）