基于GPRS的水质参数的无线实时嵌入式监控系统的设计外文翻译资料

Design of Wireless Real-time Embedded Monitoring System for

Parameter of Water Quality based on GPRS

Abstract.

This paper puts forward a designing scheme of remote monitoring system for parameters of water quality based on GPRS, which is mainly try to improve the existing problems in traditionalmethod such as low monitor frequency, more error in sampling, much dispersion in data. Aftercarefully study the communication principle of GPRS, the monitoring information platform isconstructed by adopting chip S3C2440A as key of hardware circuit ,making use of sensor to sampledata in real-time, and with public GPRS as data channel. The test turns out that the system works wellin function of wireless data channel and data analysis, moreover, it has good property in expansibilityfor other wireless Tamp;C system.

Introduction

The traditional methods in monitoring quality of environmental water in China are mainly dominatedby artificial field sampling and laboratory analysis, which exists shortcomings such as low inmonitoring frequency, big in sampling error, dispersive in monitoring data ,so it cannot accuratelyreflect the changes in the quantity and quality of processes as a whole, and it is difficult to meet theneeds of governments and enterprises to carry out effective management of water environment [1] The new national GB 'drinking water health standards' has formally been implemented in July 2012, the water quality index increased to 106 from 35 in 1985, during the '12th Five-Year' period, with theissue of the environmental water quality monitoring law and regulations, and enforcement of theadministration of environmental protection law, the methods to improve the water environmentmonitoring is particularly important.

This paper deals with a designing scheme combined wireless communication technology withembedded systems, which is based on the wireless data acquisition system of GPRS technology andARM core embedded processor. By making use of sensor for acquisition of various monitoringparameter of real-time data, real-time perception, and monitoring and collection pH value, dissolvedoxygen, and conductivity rate, and turbidity and temperature and other important parameterinformation of the environment water with MC35i wireless module GPRS network connectionmonitoring platform data communication, wireless transmission of data to monitor the water qualitymonitoring center for real-time analysis, storage and processing, and alarm in abnormal condition,soin this way achieved wireless real-time monitoring of the water quality and remote unattended. [2]

GPRS network structure

The GPRS(General Packet Radio Service), used by the system , is developed on the basis of GSMand a packet switching data bearer transporting networks by upgrading some additional hardware andsoftware on 2.5 generation.It combined wireless communications and Internet closely to provideend-to-end, real-time fast wide-area wireless IP connection as the transition to 3G networktechnology.Itrsquo;s heoretical bandwidth is up to 171.2Kbps, the actual bandwidth is approximately40~100Kbps,and packet-switched access time less than 1 second.Each user can occupy more thanone wireless channel, the same wireless channel can be shared by multiple users, so as to makeeffective use of resources.[3] The GPRS network architecture is shown in Figure 1.

GPRS is the GSM system introduced several new network elements, such as packet control unit(PCU), service support node (SGSN) and gateway support node (GGSN), these new components andsoftware constitute a new wireless data transmission system, which is able to provide users withend-to-end packet mode data transmission.Specific procedures are as follows: GPRS module gets themonitoring data from the data acquisition terminals by the interface, sends those information to aGSM base station (BSS)after processing in the form of GPRS packet data; transmits them to GPRSbackbone IP network after packaged by the SGSN; Finally, if a GPRS packet data is transferred toanother terminal, then sent to the destination SGSN at first and then sent to CPBS Terminal throughBSS; If packet data is sent to the external network, after converted the agreements through the GGSN,then sent to an external network. The system uses the Internet to transfer data.

GPRS has the advantages such as always online, high access speed, high data error correctioncapability, high transmission efficiency and reliable system operation, especially suitable forintermittent, sudden and frequent, small amounts of data transfer, so it has been widely used in manyindustries, remote measurement and control system. Itrsquo;s charging method of data flow also greatlyreduce user costs. Build water quality parameters on the GPRS service platform in the mobilecommunications company information transmission system successfully achieved wireless datatransmission of the information collection point, it have advantages such as making full use of theexisting network, shorten the construction period, lower construction costs, and the equipment is easyto install, simple to maintain.[4]

System design plan

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基于GPRS的水质参数的无线实时嵌入式监控系统的设计

摘要

本文提出了基于GPRS的水质参数的远程监控系统的设计方案，这主要是设法改善传统中存在的问题法如低频率的显示器，更多的错误采样，数据多分散性。经过仔细研究的GPRS通信原理，监控信息平台是采用S3C2440A芯片作为硬件电路的关键，利用传感器来样构建在实时数据，并与公共GPRS作为数据通道。试验证明，该系统运行良好在无线数据信道和数据分析的功能，此外，它在扩展性良好属性其他无线T＆C系。

关键词：GPRS;水质的参数; 嵌入式系统;远程监控

1.简介

在中国水环境监测质量的传统方法主要是占主导地位人工野外采样和实验室分析，其中存在的不足之处，如低监测频次，大的抽样误差，分散在监测数据，因此它不能精确地反映在量的过程作为一个整体的变化和品质，并且难以满足政府和企业的需求，开展水环境的有效管理。

新的国家GB“生活饮用水卫生标准”已正式被在2012年7月实施，水质指标从1985年的35上升到106，在“十二五”时期，随着环境水质监测法律法规的问题，及的实施环保执法的管理，方法，以改善水环境监控是尤其重要的。_【1】

本文从一个设计方案结合无线通信技术所涉及嵌入式系统，这是基于GPRS技术的无线数据采集系统上，并ARM核嵌入式处理器。通过使用传感器的收购各种监视实时数据，实时感知，以及监测和收集pH值参数，溶解的氧，电导率，和浊度和温度以及其他重要参数用的MC35i无线模块GPRS网络连接水环境信息监控平台的数据通讯，数据的无线传输来监测水质监测中心进行实时分析，存储和处理，以及报警在异常状态，所以以这种方式取得的水质和远程无人参与的无线实时监测。 _[2]

GPRS网络结构

GPRS（通用分组无线电服务），所使用的系统，是GSM的基础上发展起来的以及分组通过升级一些额外的硬件交换承载传输网络的数据和对2.5代软件。它结合了无线通信与互联网紧密合作，提供终端到终端，实时快速广域的无线IP连接，过渡到3G网络技术。它的heoretical带宽可达171.2Kbps，实际带宽是大约40〜100Kbps的，和分组交换存取时间小于1 秒。每个用户可以占用比一个无线信道，相同的无线信道可以被多个用户共享，以使资源的有效利用。_[3] GPRS网络架构如图1所示。

GPRS是GSM系统引入了几个新的网络元素，比如分组控制单元（PCU），服务支持节点（SGSN）和网关支持节点（GGSN），这些新的组件和软件构成一个新的无线数据传输系统，其能够为用户提供端 - 端数据包模式数据传输。具体程序如下：GPRS模块通过接口获取从所述数据采集终端的监测数据，在GPRS中分组数据的形式处理之后这些信息发送到一个GSM基站（BSS）；它们发送到由SGSN打包后的GPRS骨干网IP; 最后，如果一个GPRS分组数据传送到另一端，然后被发送到在第一目标SGSN和然后通过向CPBS终端BSS; 如果包数据被发送到外部网络，之后通过在GGSN转换的协议，然后发送给外部网络。该系统使用互联网来传送数据。

GPRS的优点，如永远在线，高存取速度快，高数据纠错能力，传动效率高，系统运行可靠，特别适合间歇性，突发性和频繁的，少量的数据传输，所以它已被广泛应用于许多行业，远程测量和控制系统。它也大大计费数据流的方法降低用户的使用成本。构建移动GPRS业务平台上的水质参数通信公司信息传输系统成功实现了无线数据信息采集点的传输，它拥有如充分利用现有的网络优势，缩短建设周期，降低建设成本，而且设备安装方便，维护简单。_[4]

2.系统设计方案

整个系统采用被构造成与在线监测分布式架构，网络通信，并管理平台。整体结构示于图2。水质的各种参数的实时数据采集和转换是通过在线监测部分在与各种水质传感器的选择监测点来实现，监控信息被打包和封装成通过与数据帧格式的嵌入式微处理器的TCP / IP分组; 网络通讯公司是基于中国移动的GPRS平台，监测数据通过传输到水质监测中心通过Internet网络的TCP服务; 通过控制中心软件，数据库和移动信息管理平台，实时采样的数据进行解析，恢复，且可以用来绘制监测曲线，数据分析，备份和报警水质异常索引。_[5]

3.系统硬件设计

硬件电路的核心是三星S3C2440处理器，ARM9，这主要是使得电源模块，内存模块时最多，GPRS通信模块，模拟信号调理模块，Tag接口。硬件结构图示于图3。

主处理器

该系统采用的是三星S3C2440处理器，它是基于一个嵌入式微处理器与ARM920T16/32位RSIC架构和MMU，AMBA总线和哈佛高速缓存架构，具有独立的16KB指令和数据缓存。这个系统，主要用于在手持设备上以及成本高，低功率应用中，可以执行数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能; S3C2440是不是计算能力不错，但能充分满足工业现场水质监测的需求，而且由于是S3C2440目前广泛使用，硬件资源非常丰富，用自己的结合提供全方位外围设备，而不需要配置额外的设备到系统中，它也可以显著降低整个系统的成本，显著缩短开发周期。_[6] 性能：高达533 MHz的主频;丰富的内部和外部资源，交通便利扩张;支持的Nor Flash和NAND闪存（SLC）启动模式;控制器内部集成了LCD，相机; SD接口，音频编解码器解码器接口，UART，SPI和IIS和其它类型的串行接口，4通道的DMA，8通道A / D转换器; 3路USB控制，四PWM功能16位定时器/计数器和一个16位内部定时器; 16位看门狗定时器，电源管理等上。

GPRS通信模块

GPRS无线通信模块是负责发送和整个接收数据的该系统的主要功能是建立数据通信链路和实现通讯，其稳定性和运行直接有关的整个的功能可靠性系统。与信号质量，可靠性，数据模块接口，电源的考虑因素管理和功率损耗，它通过西门子工业级模块的MC35i，这是一个段落应用范围广，成熟可靠的双频GSM / GPRS模块，主要由GSM基站控制器带，射频模块，电源模块，闪存，ZIF连接构造经理，RF功率放大器，天线接口，具有体积小，重量轻，低权力可以永远在线用户提供高速移动数据的简单方法通信接入;的MC35i模块电压3.3〜4.8V工作，典型电压为4.2V时，最大电流2A.The接收速度86.2kbps，而且发送速率为21.5kbps，它支持GSM900和GSMl800双频网络。耗电量2W在EGSM900工作，功耗为1W而在GSM1800.It工作所用的应用程序的各个方面可以使用数据，语音，短信和传真，具有功能强大，灵活方便的命令由AT控制操作。_[7]

信号调理电路

该种水质监测指标已超过100，但常规检测有五个指数如PH值，溶解氧，电导率，浊度，温度。的选择水在线监测仪主要是对技术成熟，性能稳定，维修方便等特点。本系统选用HACH公司系列水传感器的前端在线监测系统，因为在工业领域的信号的输出由场测量仪器是标准的4〜20 mA，且因此，信号调理电路更简单。只要标准输出电流的各种传感器输入到模拟处理器的输入模块，所以数据采集的多通道分析的结果可以通过控制过程完成并上层阶级的软件和数据库。同时，每个单元的水质指标的分析可以双向通信通过RS232或RS485和MODBUS监控中心标准的通信协议。

4.系统软件设计

系统软件设计由主从计算机的设计组成。完成后，水质采集和处理参数，从电脑相连的现场数据同通过GPRS无线模块的MC35i远程监控中心，并发送数据到远程通过交易监控软件后，实时数据库服务器，并显示热闹。控制信息也可以传输通过GPRS网络到从大师电脑电脑。

从机软件设计

下位机软件设计采用了模块化的设计方法。该系统涉及的多网络协议和通信方法。为了保证在上线的稳定运行监测系统和它的安全性，数据采集，传输软件和在线水站控制逻辑系统被使它成为一个独立的模块使用。该系统由以下几大模块：I / O端口初始化，的MC35i模块的初始化，定时器初始化，LCD模块的初始化，状态查询子程序外部数字值，子程序进行A / D收集和过渡，网络子程序，每个模块可以由主程序调用。该从属主流量如图4所示。_[8]所述的系统应保留多信道数据为未来的升级，扩容和维护的通信接口。

主计算机软件设计

主计算机管理软件平台包括数据库模块和远程控制中心软件，编程在VC与我的SQL相结合，主要完成与监测中心，数据采集，数据存储，数据双向信息通信日志记录和异常处理，信息互动。这功能是接收命令 和数据，并相应地进行处理，根据指定的数据形式。数据采集的格式上传收集的数据可以按照根据预定的时间间隔收集的各种参数的参数集合的远程监控中心，或命令进行;检查和异常处理负责连续的监测传感器数据采集终端操作中，一旦发生异常，立即向监测中心，故障电源，通信，自动数据的完整报警报告。

5.结论

该系统与嵌入式操作系统结合GPRS无线通信技术实现水质动态无线监控。相比的水质监测传统的静态定位参数，数据被实时监视。事实证明，系统运行稳定，响应时间为3〜5秒之间，并能完成水质数据采集更准确;用户终端可以连接到GPRS网络和因特网便宜，快速，可靠具有更快的传输速率，高可靠性，实时，经济实用的优点。因为系统可以实现无线实时监控在恶劣的环境中具有低功耗很长的时间，它在无线远程监控广阔的应用前景，如卫生保健，工业控制，深空探测，智能家庭。

参考文献

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[3]黄沅江：基于GPRS [J]，[林业科技，2010，30（7），P160-165（CH）的中南大学的研究对现代城市环境监测系统。

[4]王老吉，王晓贞，任晓，沉玉立：基于无线传感器网络的研究[J]，中华桂林电子科技大学的水污染检测系统，2009,29（3），P247-250（CH） 。

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[7] LV习武，刘开化，赵岩：基于ZigBee技术[J]。计算机工程，2010,36无线监控系统的设计与实现（5），P243-247（CH）。

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[9]侯坤，熊Chunru，刘意表，冯旭：基于ATmega128的和GPRS，机电工程技术，2009,38远程数据采集系统设计（6），P50-51（CH）。

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