危险气体远程监测系统
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摘 要:介绍了基于MSP430F149单片机,GPS,GPRS,气体传感器,温度传感器DS18B20,KML,高斯烟羽模型的一种简单稳定的危险气体远程监测系统,并具有一定实用性。系统分为终端采集设备和服务器监测端两部分。终端采集设备集成度高,功耗低,采集实时性好,携带方便;服务器监测端程序采用Visual C#编写,并调用Google Earth显示。系统界面简洁,操作简便,响应快速,以图形化显示危险区域,直观明了,人机交互性强。
关键词:远程监测 MSP430 GPS GPRS DS18B20KML
中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:1007-3973 (2010) 07-086-02
危险气体的泄露已成为现代社会环境污染与人身危害的重要因素。因此能够开发便携式远程监测系统具有很大的现实意义。本文就将这一方面进行阐述和实现。
1系统总体结构
本系统将计算机控制技术,数据采集技术,数据库技术,GPRS无线通信技术融于一体,构建了一种危险气体远程监测系统平台。本系统分为终端采集设备和服务器检测端两部分:终端采集设备主要由MSP430F149单片机及电路(键盘功能、A/D转换),GPS模块,GPRS模块,气体传感器和温度传感器DS18B20组成。服务器监控端由监控服务器,数据库服务器等设备组成。系统结构如图1所示:
图1 系统总体架构图
2终端采集设备方案与原理
终端采集设备以美国TI公司的MSP430F149型单片机为中央处理器,并包括GPRS模块、GPS模块、气体传感器模块和温度传感器模块。由GPS模块、温度传感器模块、气体传感器模块采集的数据先传送给MSP430F149,再发送至GPRS模块,最后通过Internet网络传送到服务器端。数据流向图如图2所示。
图2终端采集设备数据流向图
2.1MSP430F149
MSP430F149是16位RISC(reduced instruction set computer,精简指令集计算机)系列高性能单片机,具有60K的Flash、2K的RAM、8通道采样率为200K的12位A/D转换器、硬件乘法器、2个带有大量捕获/比较寄存器的16位定时器和看门狗等模块。本系统中,MSP430F149(以下简称MCU,Micro Control Unit)是整个数据采集系统核心,主要完成信号的多路采集、软件滤波、数据运算及各种控制功能。MCU共有64个I/O引脚,可引出丰富的外设。此MCU本身可直接引出两个RS232电平接口,分别将其与GPRS模块和GPS模块相连接。
此MCU的程序用C语言编写,开发相对汇编语言更方便,生成目标代码又不失高质量,开发环境为IAR Embedded Workbench IDE for MSP430 v4.20。
2.2GPRS模块
GPRS模块使用的是北京振鸿伟业的ZHD121A型DTU。它支持GSM900,DCS1800和PCS1900三频段,提供SIM应用工具箱,采用GPRS分时复用的Class 10的标准,最大传输速率可达85.6Kbps,完全可以满足本系统的要求。此DTU内嵌TCP/IP协议栈,并简化了接口设计,屏蔽了SIM300的复杂接口方式和接口协议栈,取而代之的是通用的RS232电平接口,使用简单的AT+I命令交互界面。即使在工作的中途由于某种原因突然掉电或重启,ZHD121A也会自动上线。此外ZHD121A还可以根据外界设置定时检测是否处于通讯状态,如果长时间停止通讯,设备将重新复位连接。
2.3GPS模块
GPS模块使用的是HOLUX公司的GR-87智慧型卫星接收模组(或称做卫星接收引擎,以下简称GR-87),采用美国瑟孚(SiRF)公司所设计的第三代低号电量卫星定位接收晶片,是一个完整的卫星定位接收器,具备全方位功能。其耗电量低,且能同时追踪20颗定位卫星的讯号,每0.1秒接收一次,每秒更新一次定位信息。
2.4温度传感器模块
DS18B20 数字式温度传感器,使用集成芯片,采用单总线技术,与MCU连接时仅需要一条线即可实现MCU与DS18B20的双向通讯。其能够有效的减小外界的干扰,提高测量的精度,同时,它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供MCU处理,接口简单,使数据传输和处理简单化。
2.5气体传感器模块
因本系统对气体传感器的要求较高,特别对气体浓度测量的范围、精度以及反应时间都有较高要求,且项目经费有限,所以尚未接入气体传感器模块。
3服务器监测端方案与原理
服务器监测系统接收GPRS发送的数据,将其存入数据库中,系统再将这些数据文本化,然后调用数据处理模块得到KML文件。转化的过程中,GPS信息直接提取并显示,即显示实际监测的地点;其它信息,如气体类型,浓度,温度,压强等,经过数学模型的函数处理,得到污染半径,并同步显示。示意图如图3所示。
图3服务器端数据流向示意图
以下为最终效果模拟图对比:
图4 高浓度,北风向,低风速
图5 低浓度,东风向,高风速
3.1KML
KML 是一种文件格式,用于在地球浏览器(例如 Google 地球、Google 地图和谷歌手机地图)中显示地理数据。KML 使用含有嵌套的元素和属性的基于标记的结构,并符合 XML 标准。
3.2C#与Access
C#是目前最为流行的几种编程语言之一,丰富的库函数造就了它上手快,功能强大,通用性强的特点。C#对数据库的操作是本系统的重要部分,将数据存放为Access文件,即保证了数据的独立性和可操作性,也使得系统与数据有效分离,方便管理,将来系统扩充也易于实现。数据库文件包括两张表,表名分别为msp430get,haveread,即终端机采集数据表和已读表,两张表结构完全相同,如下表所示:
msp430get表各字段用于存储终端机采集的信息,当监测系统读取过msp430get表中数据后,即将数据存放到haveread表中,并从msp430get表中删除该记录。
3.3Google Earth
Google Earth是目前比较流行的GIS软件,并且提供了丰富的功能,鉴于此,我们特别针对其进行二次开发。KML文件即为一个文本文件,Google Earth就像浏览器一样对KML文件进行解释并显示。
3.4数学模型
由于高斯烟羽模型被广泛用于泄露引起的中毒或爆炸后果分析,且较为成熟,适用于中性气体的点源扩散,在国内外得到广泛的应用,美国环境保护协会所采用的许多标准都是用高斯模型为基础指定的。因此本系统采用了高斯烟羽模型。其中高斯模型较为成熟, 适用于中性气体的点源扩散, 在国内外得到广泛的应用。
3.5系统使用
系统界面设计简单,操作便捷。点击“监测”,再点击“监测设置”,对各参数进行设置后,即可选择“开始监测”,系统将自动开始监测,不断地将终端机采集的数据通过建模函数处理后进行实时显示。另外特别设置了“手动模拟”模块,即当网络条件不良时可通过手动输入模拟终端机采集数据并在系统中得到显示。
4结束语
随着公共安全重要性的日益凸显,相关技术越来越为人所重视。本文所介绍的危险气体的监测在其中占有十分重要的地位,而将其与无线远程采集技术相结合,不仅仅增强了采集终端的可移动性与便携性,更扩大了采集终端的使用范围,基本不受天气与地形因素的影响。所以本系统在实际应用中有很大的使用前景。
参考文献:
[1]Texas Instruments Incorporated MSP430F149 Datasheet.
[2]胡大可. MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京:航空航天大学出版社, 2000.
[3]胡大可. MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:航空航天大学出版社,2003.
[4]James Foxall. Visual C# 2008 入门经典[M]. 北京:人民邮电出版社,2009.6.
[5]James Huddleston. C#数据库入门经典[M].北京:清华大学出版社,2006.4.