環境數據採集系統

環境數據採集系統

環境數據採集系統的任務是對環境各種參數進行採集,送入計算機,由計算機根據需要進行相應計算和處理,得到所需要的數據,同時將數據按要求進行顯示或列印。該系統分為兩部分:客戶端(終端),伺服器。客戶端實現環境數據的採集並無線傳輸,伺服器則對客戶端上傳的數據進行保存並實現對多客戶的並發服務。

簡介

數據採集就是將被測對象的各種參量通過感測元件轉換為電信號,再經過信號的調理、採樣、量化、編碼、傳輸等步驟,送至控制器進行數據處理、分析或存儲記錄的過程。環境數據採集系統的任務是對環境各種參數進行採集,送入計算機,由計算機根據需要進行相應計算和處理,得到所需要的數據,同時將數據按要求進行顯示或列印。隨著計算機技術的快速發展,數據採集與監控系統在工業生產、生活中迅速地得到套用。

套用背景

霧霾是在一定的溫度,濕度及氣壓等氣象條件下與排放的顆粒物相互作用的結果,現實生活中,人類的活動必然會向空氣中排放大量細顆粒物,當排放的這些顆粒物的濃度超出了大氣的承載度和循環淨化能力,其濃度將逐漸升高,此時如果出現靜穩天氣,很容易爆發大範圍的霧霾;因此掌握當前氣象的狀況與當前顆粒物的狀況對治霾防霾、空氣品質信息發布和預測具有重要的指導意義。由於氣象環境的複雜性、多變性、局部性,就需要對相關的氣象數據進行長時間的、動態的、區域化的多點檢測。對於氣象數據的檢測,既可以在現場直接測定,也可以遠程測定;現場直接測定浪費人力物力,效率較低;遠程測定需使用無線通信技術,省時省力,便捷高效。

基本理論

採樣過程

為了對模擬信號用數字方法處理,應先將模擬信號數位化,即進行模/數(A/D)轉換。模/數轉換過程,包括三個內容:一是採樣,二是量化,三是編碼。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器,對信號進行調理,然後由採樣器在每個採樣時刻讀出一個數據;再由模數轉換器(ADC)量化為二進制數碼,數據最後保存到存儲器用於數位訊號處理。

模/數轉換器

模/數轉換器是整個數據採集系統的核心,它的性能直接限制系統的性能。要使設計的系統能滿足工作條件,首先要選對模/數轉換器。因此,有必要去了解模/數轉換器的發展狀況。

採樣方式

常見的採樣方式可分為“實時採樣”和“等效時間採樣”兩大類。

“實時採樣”是在信號存在期間對其採樣。按照採樣定理,採樣速率必須高於信號中最高頻率分量的 2 倍;對於周期性正弦信號,一個周期內應該至少有兩個採樣點。“實時採樣”除了通常使用的定時採樣外,還常常使用“等點採樣”,即“變步長採樣”。這種採樣方法不論被測信號頻率為多少,一個信號周期內均勻採樣的點數總共為 N 個。

系統總體功能

該系統分為兩部分:客戶端(終端),伺服器。客戶端實現環境數據的採集並無線傳輸,伺服器則對客戶端上傳的數據進行保存並實現對多客戶的並發服務。具體功能如下:

(1) 客戶端具備環境的溫度、濕度、大氣壓力採集功能。

(2) 客戶端具有顆粒物檢測功能。

(3) 客戶端具有地理信息標識功能(GPS 定位功能)。

(4) 客戶端具有本地顯示及圖像信息捕獲功能。

(5) 客戶端具有無線網路傳輸功能。

(6) 伺服器是基於 TCP 協定的並發伺服器,套用多執行緒編程技術以實現多客戶並發訪問功能。

在客戶機/伺服器模式的系統中,存在大量的客戶機,而伺服器的數量視根據實際需要而定(一個或多個),在該設計中一個伺服器並發服務多個客戶機,在實際套用時多個客戶機分布在一個大區域的不同角落,各個客戶機應使用 GPS 模組標識自己的地理位置信息,同時,客戶機將所採集的環境數據通過移動公網接入 Internet 上傳到數據伺服器,系統的工作示意圖如圖所示。

系統設計

套用嵌入式技術與無線網路通信技術相結合,設計了客戶機(client)/伺服器(server)架構下的嵌入式環境數據採集系統。該系統分為兩部分:客戶端與伺服器;客戶端,即終端通過氣壓計、溫度感測器、濕度感測器、顆粒物感測器對環境數據進行定時採集,並使用移動無線通信技術將數據上傳到伺服器,同時為了便於直觀的感受區域點的實時環境狀態圖像信息,套用 USB Camera 對環境圖像進行捕獲並上傳至伺服器,伺服器接收相關數據並存儲。 該系統可以在大區域內實現長時間的、動態的、區域化的多點檢測;同時該系統也可以作為大數據時代下的重要數據來源,通過對相關氣象數據進行建模統計,以掌握相關指標的發展趨勢,對環境信息發布及預測具有重要的指導意義。

環境數據採集系統 環境數據採集系統

處理器

S3C2440 處理器採用基於先進的哈佛匯流排結構的 ARM920T 核心,由韓國 Samsung公司製造,其最高工作頻率可達 400MHz,該處理器片上資源十分豐富,使用它僅需要很少的外圍電路便可以完成一個系統設計。

溫濕度感測器與氣壓計

SHT20 溫濕度感測器由瑞士 Sensirion 公司製造,該感測器精度高、穩定性好。SHT20可以同時測量空氣溫度(Temperature),相對濕度(Relative Humidity )。在測量相對濕度時其測量的溫度可以對濕度進行補償,因此精確度較高,SHT20 具有如下特點:

(1) 完全標定,解析度可程式 RH(8~12bit),T(11~14bit)。

(2) 數字輸出,I2C 匯流排接口。

(3) CMOS 電平,3.3V 單電壓供電。

(4) 低功耗以及長期的穩定性。

BMP180 氣壓計也是 I2C 匯流排接口,輸出完全標定,3.3V 單電源供電,氣壓解析度可程式(16~19bit),其內部由感測單元、ADC 轉換器、控制邏輯及EEPROM組成;BMP180 輸出未經補償的壓力數據,EEPROM 中存儲著 22bit 感測器校正數據,在操作BMP180 獲取數據之前,應先讀取 EEPROM 中的數據,然後對 BMP180 輸出的數據進行校正,可以得到準確的數值。

雷射粉塵感測器

PMS3003 為第三代雷射粉塵感測器,它採用雷射散射原理,利用空氣中的懸浮顆粒物對雷射產生散射,並在某一特定角度收集散射光線,從而得到散射光強隨時間變化的曲線。該感測器的微處理器利用米氏(MIE)理論算法,計算出顆粒物的等效直徑,及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。該感測器可以有效檢測微小顆粒,檢出感度0.3μm,能有效的檢測 PM1.0,PM2.5,PM10 等顆粒物,感測器使用 5V 供電,串口輸出(3.3V TTL 電平),由於 S3C2440 為 3.3V CMOS 電平,根據 CMOS 電平可以直接驅動TTL 電平,但是 TTL 電平不能直接驅動 CMOS 電平的原則,需要對 PMS3003 感測器的串口輸出電平進行電平轉換,在此使用 SP3232 將兩接口電平均轉換為 RS232 電平。

環境數據採集系統 環境數據採集系統

定位模組

GPS 是 Global Positioning System 的簡稱,起源於美國軍方項目,現已廣泛民用、商用,用戶只需要購買相應的定位設備即可。GPS 定位模組採用 U-Blox 公司的 NEO-5晶片設計,該晶片內部集成定位算法,通過外接電源和天線,便可以輸出 NMEA(National Marine Electronics Association )-0183 格式的定位信息。該芯可以以多種接口形式輸出定位信息,如串列接口 UART,USB 接口,本設計中使用串口對定位信息進行輸出,因此需要配置 CFG_COM0,該引腳主要是設定串列通信的波特率,設計中RXD與TXD兩引腳為TTL電平,需要使用 SP3232電壓轉換晶片,將其轉換中 RS232 電平。

無線傳輸模組

GPRS 模組採用內置 TCP/IP 協定棧的 SIM900A 晶片,模組通過串口與 S3C2440 進行通信,GPRS 模組在系統中主要實現數據的無線傳輸功能。GPRS 網路是在 GSM 網路上通過引入 GPRS 服務支持節點(SGSN)和 GPRS 網關支持節點(GGSN)而來的,它採用分組交換技術,即每次傳輸的是一個數據的分組。在傳輸分組數據時,GPRS 終端通過基站(BTS)連線到 SGSN,再由 SGSN 與 GGSN 進行通信,GGSN 對分組數據進行傳送到其他 GPRS 網路或者 Internet,其通信過程如下圖。

環境數據採集系統 環境數據採集系統

圖像感測模組

圖像感測模組採用UVC(USB video class)協定接口的百腦通 BNT D881,該攝像頭最大解析度 1280x720,支持 MJPEG 視頻編碼格式,MJPEG 視頻編碼方式將每一幀圖像編碼為 JPEG 格式,該圖像格式具有圖像質量高,數據量小的優點,因此很適合數據的遠程傳輸;Linux 提供了視頻編解碼接口 Video for Linux Two,通過 V4L2 接口操作圖像感測模組可以方便的實現圖像信息的捕獲。

相關詞條

熱門詞條

聯絡我們