一种二氧化碳无线监测系统的设计与实现

张绍良，秦霖天，李会军

(中国矿业大学低碳能源研究院，江苏 徐州 221008)

全球气候变暖已是不争的事实，二氧化碳大量排放被认为是主要致因，目前国际上很多机构正致力于研制碳排放的物理监测技术。介绍了一种利用GPRS无线网络传输监测信息的二氧化碳无线监测系统，并通过TCP/IP协议与上位机通信，对监测信息进行实时保存和管理［1］。

1 系统功能及结构

二氧化碳无线监测系统能在诸如CO2大量泄漏的危险环境中，实现监测数据获取途径无人化和数据传输远程化，以保证监测人员的人身安全，并通过专门的数据接收系统和存储系统，来处理产生的海量检测数据。二氧化碳无线监测系统由数据检测系统、无线通信系统和上位机监测系统组成。

1.1 数据检测系统

数据检测系统的硬件结构如图1所示，该系统可以监测二氧化碳浓度、温度、湿度、风向、风速5个量。5种传感器模组输出的测量数据由数据采集卡加以汇总，然后将数据打包经移动互联网上传到数据中心的服务器上。

1.2 无线通信系统

二氧化碳无线监测系统监测CO2时，在某一较小区域内，需要多个监测点(图2)。

图2 二氧化碳无线通信系统的多点监测

在这种情况下，不必为每一个监测装置都连接GPRS DTU，可以首先用ZigBee网络将附近同一区域的监测信息进行汇总，然后再通过中心监测装置连接的GPRS DTU，将同一区域的所有监测信息实时发送到远方的数据中心。这样，不仅能够便于工程实施，而且能够节省大笔的无线通信费用。

监测系统的网络结构如图3所示。

图3 监测系统的网络结构

1.3 上位机监控系统

上位机监控系统是一套基于.net Framework 4.0以上的计算机桌面系统。该系统设计了简单易用的SDK开发包，并附有详细的说明文档和Demo程序，使第三方用户可以通过SDK开发包方便地开发自己的数据采集和监控系统。

2 系统开发与实现

2.1 数据检测系统

2.1.1 传感器模组

二氧化碳无线监测系统的现场数据检测传感器有二氧化碳传感器、温湿度传感器、风向传感器和风速传感器。这些传感器均为工业级的，精度高、性能稳定、抗干扰能力强。

2.1.2 串行通讯电路设计

单片机中的串口输出信号是TTL电平，但在串行通信中，一般使用的是RS－232通信协议，二者的电平并不相同，所以需要进行电平转换。

在串行通信中，单片机通过串行通讯电路向DTU发送设备ID号与DTU进行握手。当DTU收到握手信号后，会向单片机发送回应握手信号。单片机收到回应握手信号后，把采集的每个传感器的实时监控数据打包发送给 DTU，完成单片机与DTU 的通信［2］(图 4)。

图4 串行通信电路设计

图4中U3为单电源电平转换芯片，专为RS－232标准串口设计。该芯片功耗低，集成度高，片载电荷泵具有升压和电压极性反转能力。电容C11，C17，C18，C21 为储能电容，与 U3 片内电路构成电荷泵，产生RS－232接口所需要的电压。电容C13为去耦电容，用于去除电路工作时的噪声，可提高系统工作的稳定性。

2.1.3 稳压电路设计

三端稳压器分类：三端稳压器主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器;另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有3个引出端子，具有外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。固定输出直流稳压电路设计见图5。

图5 固定输出直流稳压电路设计

图5中LM 7815是常见的三端稳压集成电路，只有3条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。C10为整流滤波电容，它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波很小的直流电压，它的容量与负载有关，一般负载越重，C10的值要求越大。C11用于稳定LM 7815内部放大器的工作状态，同时改善电压调整的过渡响应。在电路连接时，它必须尽可能地与LM 7815的3条引脚紧密连接。C4为负载电路退耦电容，它对负载提供一个端距离的本地回路，其数值与负载工作方式有关。D4是用来保护LM 7815的，吸收LM 7815的输出尖峰电压。

2.1.4 输入防反接电路设计

输入防反接电路设计见图6。

图6 输入防反接电路设计

如图6所示，当输入电压正常接入时，N沟道MOS管IRF 540 N的体二极管首先正向导通，是A点电压大于B点(即MOS管栅极电压大于源极电压)，之后MOS管VM1导通，负载正常工作。

当输入电压反接时，N沟道MOS管IRF 540 N的体二极管反向截止，A点电压等于B点电压(均为地电位)，MOS管VM1截止，电路中没有电流流过，防止了后级负载因输入电压反接而损坏。

图6中D1为稳压管，防止栅源电压过大造成MOS管损坏。

2.1.4 输出短路和过流保护电路设计

输出短路和过流保护电路设计见图7。

图7 输出短路和过流保护电路设计

在正常情况下，负载通过继电器常闭接点供电，采样电阻上的压降不足以使Q3导通。短路(或过载)时采样电阻上的压降经R9电阻使Q3导通，继电器吸合，常闭接点断开负载，但是三极管Q3的基极经R8电阻和负载到地，使Q3维持导通，继电器维持吸合，直到短路消除，三极管Q3的基极电流不能维持Q3继续导通，继电器释放，自动恢复正常供电。

图7中D2用来抑制继电器因为自感产生的反向电动势，通过它把电流泄放掉，以保护电路正常运行，不致损坏。

2.2 无线通讯系统

采用GPRS DTU无线模块作为终端的无线收发模块，把从数据采集电路板发过来的数据转发给远方的数据中心。GPRS DTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信功能。

2.3 上位机监控系统

二氧化碳无线监测系统的上位机监控系统的功能，是实现GPRS信息的接收和保存。

2.3.1 上位机监控系统

上位机监控系统见图8所示。

图8 上位机监控系统

图9(a)中MonitorServer类为监控服务器类，用于创建服务器对象，并实时接收监控设备的连接请求。图9(b)中MonitorDevice类为监控设备类，一个MonitorDevice对象代表一个监控设备，通过MonitorDevice对象，系统可以获取当前监控设备的各种监测数据。图9(c)中MonitorDeviceCollection类为监控设备集合类，用于存储和管理监控设备。

2.3.2 Socket会话

二氧化碳无线监测系统采用Socket(“套接字”)类建立网络连接，在连接成功时，应用程序两端都会产生一个Socket实例，操作这个实例完成会话。根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标，套接字之间的连接过程可以分为3个步骤：服务器监听、客户端请求、连接确认［3－4］。

服务器监听是指服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态。服务器端通过Socket()函数，创建一个唯一标识套接字;再通过Bind()函数把本地端口和IP地址赋给套接字;然后套接字调用Listen()函数，开始监听整个网络中的连接请求。

客户端请求是指由客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，首先通过Socket()函数创建客户端套接字，再给套接字绑定目标服务器端口的IP地址和端口号，然后调用套接字的Connect()函数，向服务器端套接字提出连接请求。

图9 MonitorServer类、MonitorDevice类和MonitorDeviceCollection类

连接确认是指当服务器端套接字监听到或者接收到客户端套接字的连接请求，它就通过Accept()函数响应客户端套接字的请求，建立一个新的线程，把服务器端套接字的描述发给客户端，一旦客户端确认了此描述，连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态，继续接收其他客户端套接字的连接请求［5］。Socket通信流程见图10。

在连接建立好后，服务端与客户端就可以通过套接字的Receive()方法和Send()方法进行信息的发送与接收。当信息处理完毕后，可以调用套接字的Close()方法来关闭连接。

3 系统特性与性能指标

图10 Socket通信流程

二氧化碳无线监测系统由一套监控中心软件与若干套监控设备组成，通过无线传输设备将远距离的传感器所检测到的二氧化碳浓度，以及二氧化碳所在环境下的温度、湿度、风向、风速等信息通过无线GPRS网络传输到二氧化碳监控中心，从而实现长距离有效的实时监控。该监测系统的二氧化碳检测范围为0～2×10－3，检测精度高达1×10－5;温度检测范围为－40～120℃，检测精度为±1℃;湿度检测范围为0～100%RH，检测精度达到±2%RH;风向检测范围为0～360°，16方位;风速检测范围为0～40 m/s，检测精度为±1 m/s。无线网络采用的是广泛分布的中国移动GPRS无线网络。

4 结语

一般的环境二氧化碳监测系统在解决远程多点监测时存在通信距离远、布线和组网困难、数据传输可靠性较低等缺点。近年来，快速发展的移动互联网为分布式多点监测系统的组网提供了一种新途径。该系统是一个利用移动互联网进行环境监测的成功案例。通过移动互联网，以较低的成本解决了系统组网问题，同时由于系统内嵌了TCP/IP通信协议栈，从而解决了数据传输可靠性低的问题，目前已经在多个地区成功实施应用。

［1］曾水平，曾静，秦建民.高浓度二氧化碳气体成分检测系统研究［J］.仪器仪表学报，2005，26(8)：328 －329.

［2］彭军.传感器与检测技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003.

［3］冯时雨，王铁辰.实时网络通信协议的设计与实现［J］.计算机工程与设计，2008(17)：4441－4577.

［4］葛福鸿，刘晓莹，张丽萍.基于Socket技术的即时通信软件的设计与实现［J］.电脑开发与应用，2011，24(5)：63 －65.

［5］王志伟，沈杰峰，郭启峰，等.基于Socket的GPRS远程数据采集方法［J］.西华大学学报：自然科学版，2006，25(1)：37－39.