基于ARM9和3G網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)研究

摘要：為了提高人民居住環(huán)境，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢和超標(biāo)報(bào)警。介紹了系統(tǒng)的硬件原理與組成和軟件設(shè)計(jì)方案，結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和圖表對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行了說明。

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求越來越高，家居環(huán)境中尤為受到人們關(guān)注的是有害氣體的污染、溫濕度控制等。研究結(jié)果表明：人體最適宜的健康溫度為18～24℃，健康濕度為45%～65%RH，在這種環(huán)境下人體感覺最舒適。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大部分采用的是人工采集或是采用有線監(jiān)測的方法，人工采集數(shù)據(jù)，既消耗大量的人力和物力又不能夠?qū)崟r(shí)的采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，有時(shí)還會(huì)給數(shù)據(jù)采集帶來誤差。有線監(jiān)測雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于監(jiān)測點(diǎn)分布廣而散，有些監(jiān)測點(diǎn)既偏遠(yuǎn)又危險(xiǎn)，給有線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)帶來非常巨大的困難，同時(shí)有線監(jiān)測需要大量的電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸增加了巨大的成本。隨著第三代移動(dòng)通訊在我國大量普及，以3G網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)取得了快速發(fā)展。監(jiān)測點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過第三代移動(dòng)通信傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和處理。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)測端、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)測中心組成。其中遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)將傳感器采集的信息進(jìn)行處理編碼打包并通過3G模塊發(fā)送到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)組成，將遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采集發(fā)送的信息發(fā)送到監(jiān)測中心。監(jiān)測中心將接收到的信息進(jìn)行分析、處理、顯示并且存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢統(tǒng)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測端

遠(yuǎn)程監(jiān)測端主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊組成，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集模塊采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器。SHT75屬于Sensirion溫濕度傳感器家族中的插針型封裝系列。傳感器將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。傳感器采用專利的CMOSens(R)技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接，具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)處理模塊考慮到系統(tǒng)既需要連續(xù)長時(shí)間地工作，又需要有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和支持網(wǎng)絡(luò)功能的接口，所以選用了低功耗、低成本、接口豐富的ARM9處理器S3C2410，其CPU內(nèi)核采用的是ARM公司的16/32位ARM920T RISC處理器。S3C2410處理器集成的功能主要有：1.8 V內(nèi)核供電，3.3 V存儲(chǔ)器供電，3.3 V外部I/O供電;外部存儲(chǔ)器控制器;LCD控制器提供1通道LCD專用的DMA;8通道10位ADC接口，轉(zhuǎn)換速率最大為500KSPS(Kilo Sample Per Second，千采樣點(diǎn)每秒);117位通用的I/O口和24通道的外部中斷源;支持NAND Flash的啟動(dòng)裝載;帶MMU的先進(jìn)體系結(jié)構(gòu)支持WinCE、EPOC32、Linux。

無線傳輸模塊采用廈門才茂公司生產(chǎn)的CM8350PCDMA20001X EV-DO 3G DTU。該DTU內(nèi)嵌工業(yè)級(jí)通訊模塊，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)規(guī)格設(shè)計(jì)，支持TCP/ UDP/HTTP協(xié)議，數(shù)據(jù)接口為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。

2.2 監(jiān)測中心

監(jiān)測中心為一臺(tái)使用代理或擁有公網(wǎng)固定IP地址的PC機(jī)，是數(shù)據(jù)的接收顯示端，運(yùn)行數(shù)據(jù)接收顯示軟件，并向采集端發(fā)送控制信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

依據(jù)“遠(yuǎn)程監(jiān)測端”和“監(jiān)控中心”體系，系統(tǒng)軟件也分為兩部分：遠(yuǎn)程監(jiān)測端嵌入式Linux操作系統(tǒng)軟件和監(jiān)測中心軟件。遠(yuǎn)程監(jiān)測端嵌入式Linux操作系統(tǒng)軟件主要完成傳感器采集信息的處理、編碼和打包，并將系統(tǒng)通過3G DTU接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，將打包的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測中心。監(jiān)測中心軟件采用Visual C++6.0編程，Visual C++是微軟公司開發(fā)的局域C/C++的集成開發(fā)工具。監(jiān)測中心軟件主要實(shí)現(xiàn)接收各遠(yuǎn)程監(jiān)測端發(fā)送的數(shù)據(jù)，將解算出的溫濕度實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)有超出設(shè)定范圍的溫濕度信號(hào)時(shí)報(bào)警，并將每次接收到的溫濕度信息存入數(shù)據(jù)庫，以備查詢使用。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

監(jiān)控中心顯示界面如圖4所示，設(shè)置端口號(hào)，點(diǎn)擊連接使系統(tǒng)進(jìn)入等待遠(yuǎn)程監(jiān)測端連接狀態(tài)，如有監(jiān)測端請求連接則接收請求并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。點(diǎn)擊列表可以選擇要顯示的監(jiān)測單元，通過溫濕度上下限設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)?shù)陀谙孪藁蚋哂谏舷迺r(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。歷史查詢界面如圖5所示。選擇要顯示的時(shí)間跟單元，點(diǎn)擊確定在列表框顯示查詢結(jié)果，點(diǎn)擊返回則返回監(jiān)測界面。

5 結(jié)束語

隨著生活水平提高，家居環(huán)境的安全性和舒適度，越來越得到人們的重視，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫濕度實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)、超標(biāo)報(bào)警、提供歷史記錄查詢功能。論文從元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面詳細(xì)介紹了整體設(shè)計(jì)的原理及過程。本設(shè)計(jì)綜合利用ARM9、傳感器、3G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫婕夹g(shù)，系統(tǒng)地介紹了軟硬件的組成和設(shè)計(jì)方法。