基于SQL Server数据库的气象和环境质量监测基站设计

叶 黎，徐浩威，陈家海，白义霞，孙 煜，彭绍才，刘 勇

（华南农业大学 电子工程学院，广东 广州 510642）

基于SQL Server数据库的气象和环境质量监测基站设计

叶 黎，徐浩威，陈家海，白义霞，孙 煜，彭绍才，刘 勇

（华南农业大学 电子工程学院，广东 广州 510642）

传统的气象和环境质量监测系统有造价高，监测点分布密度低等缺点.本文基于SQL Server数据库，以STM32、传感器模块、GPRS模块、液晶显示模块和供电模块，设计制作了一种模块化的多功能无人值守的气象和环境质量自动监测系统平台.该平台具有体积小、数据自动监测、无线传输和建库记录等优点，可在系统中加入多个监测终端，形成多点分布式监测基站群.

大气环境监测；嵌入式系统；数据库；传感器；GPRS

1 引言

气象监测系统可以监测温度、湿度、降雨量和风向等多种参数，环境监测系统则可以监测空气中的PM2.5和硫化物等污染情况.对于这些专业的监测系统，一方面由于设备造价高，需要经常维护，因此监测点的数量较少，难以覆盖各种特定区域实现精确的监控；另一方面，一般专业测量设备，其功能结构和性能参数在设计时已经确定，在使用过程中难以进行更改或拓展.此外，目前国内气象监测和环境监控分属两个不同的部门主管，由于职能上的各自隶属，环保和气象部门各自建监测站，各自采用独立的监测设备，客观上造成了资源的浪费.目前，中国气象局“大气监测自动化”项目正在实施,主要是在地级市安装新一代天气雷达和县市级安装多要素自动气象站[1].按照规划,自动气象采集站将布到县一级,因此，小型化和模块化的气象和环境质量监测基站的研制十分必要.

本文在分析国内外环境参数监测技术发展的基础上，提出一种基于SQL Server数据库的大气环境质量自动监测基站群的方案，设计搭建了一种模块化的多功能自动监测系统平台，从而实现一站多用，按任务需要自由组合监测模块，以及自动监测、无线传输和建库记录等.该系统价格低廉、体积小、组合灵活、可无人值守，能实现环境或气象等各种参数的定时自动监测，可大大节省成本和增加监测点，对高精度覆盖面广的大气监测模式的构建具有一定的参考作用.

2 系统结构

气象和环境参数监测系统由监测终端，GPRS通信网络和电脑终端三大部分组成.其结构如图1所示[2].监测终端主要包括气象和环境参数的采集两个部分，包括传感器模块和MCU等；GPRS通信模块，负责与电脑终端建立通信链接，实现数据的传输.电脑终端负责将监测终端发送的参数，解析后存入SQL Server数据库，并可以通过Windows桌面程序查看储存在数据库中的气象和环境参数.

图1 气象和环境质量监测系统结构框图

3 监测终端硬件设计

3.1 系统总体设计

监测终端由MCU控制各种传感器进行数据的采集与处理，同时将数据在液晶屏上实时显示，并控制GPRS模块收发数据，主要包括MCU、传感器模块、GPRS模块、显示模块、LED和供电模块，3个LED作为工作状态提示.监测终端原理图如图2所示.

图2 监测终端原理图

3.2 MCU设计

由于数据处理中要使用对数计算，指数计算，涉及较多浮点数的处理，并要对字符串进行处理，需要芯片有较高主频和较大的RAM，在考虑成本因素后，选用STM32F103ZET作为MCU.考虑到内部RC振荡器与外部晶振相比不够精确和稳定，故选用8MHz晶振作为外部高速振荡器，32.768kHz晶振作为外部低速时钟.电池在电源关闭后为RTC供电.由于需要从用户Flash运行代码，将BOOT0引脚和BOOT1引脚接地.MCU电路见图3.

图3 MCU电路图

3.3 GPRS模块

GPRS模块以华为GTM-900B无线通信模块为核心，加上外围电路、电源输入接口、与MCU通信使用的接口、SIM卡接口以及天线组成.其内嵌TCP/IP协议，可通过简单的AT指令实现TCP/IP连接，使用UART接口与外部MCU通信，可实现无线发送和接收.

3.4 传感器模块

传感器模块包括温度传感器（DS18B20）、湿度传感器（DHT11）、雨滴检测模块、声音传感器、MQ-7气敏传感器以及MQ-135气敏传感器单元电路各1个.其中，DS18B20和DHT11为数字输出，其余4个传感器为模拟电压输出.两个数字输出的传感器都使用单总线数据接口，所以使用的6个传感器只需要与MCU的4个I/O口连接就能完成数据的采集与读取.所有传感器统一由电源模块供电.部分传感器型号与性能指标见表1.

表1 传感器型号及性能指标

4 监测终端软件设计

本课题选用德国ARM公司针对嵌入式处理器的软件开发工具Keil MDK.监测终端软件使用C语言编写，并用到由意法半导体提供的固件库.由Kiel MDK的相应的编译器进行编译，就可下载到处理器中完成相应功能.

监测终端的主要作用是采集环境参数，通过GPRS网络将数据以一定格式发送给特定的电脑.监测终端的软件流程为：系统初始化，包括设置系统时钟、初始化I/O口、初始化USART接口、初始化传感器；采集数据；通过TCP协议与特定的电脑连接，并传输数据，如数据传输不成功则将数据暂时储存在处理器内部的Flash闪存中；等待下一次数据传输.具体流程图如图4所示.

图4 监测终端软件流程图

5 电脑终端软件设计

电脑终端通过TCP连接从监测终端获取环境参数，将数据存入数据库中，并从数据库中取出数据在主界面显示.软件使用微软公司推出的VB（Visual Basic）语言，在Visual Studio 2013集成开发环境中编写.数据库采用微软的Microsoft SQL Server 2012数据库.软件运行于Windows操作系统.

5.1 软件构架

软件以.NET Framework类为基础，并配合SQL Server数据库技术和Socket网络编程技术分别实现数据库操作和网络通信操作.

本课题中，电脑终端软件有以下功能：显示实时环境参数、历史参数查询、可由用户选择参数显示方式（曲线图或表格）、TCP连接的数据接收、数据库操作.结构图如图5所示.

图5 电脑终端软件结构图

主界面显示信息并与用户完成交互，软件根据用户的选择从数据库取出数据，并根据要求以不同形式显示数据.通信模块与主界面运行于两个独立的线程，可以不间断地对端口进行监听.接收到信息后，从信息流中解析出各个参数存入数据库.

5.2 通信模块软件设计

通信模块以Windows Sockets规范为基础.计算机建立TCP服务器后，启动对相应端口的监听，监测终端就能够与TCP服务器建立连接，发送数据.

在窗体中添加 Background Worker，并在Background Worker的DoWork事件中编写通信模块程序.这样，通信模块就运行于独立的线程上.

5.3 SQL Server数据库操作

数据库选用Microsoft SQL Server 2012，使用SQL（Structured Query Language，结构化查询语句）进行数据的操作和访问.VB中使用ADO.NET类对数据库进行相应的操作及访问.

5.4 主界面设计

主界面有按钮和日历供用户与软件进行交互，并根据用户选则将相应的数据以图形或表格的形式进行显示.

主界面由实时数据显示界面、历史数据显示界面和按钮控制区域三部分组成.软件启动后，默认为实时数据显示界面，点击“显示历史数据”按钮，实时数据显示界面隐藏，显示历史数据显示界面.通过日历选择日期，当天天气数据在界面中显示，并可点击不同按钮选择图形显示或表格显示数据.

6 系统测试

电脑端测试数据实时显示界面如图6所示，历史参数显示界面见图7.

7 结束语

本设计是基于STM32嵌入式系统、GPRS通信网络、Visual Studio运行环境及数据库技术设计的环境质量和气象参数监测系统.可完成对温度、湿度、一氧化碳含量、硫化物含量等6种环境参数的自动监测.经长时间系统运行测试，系统各模块工作正常，监测终端采集环境参数，并通过GPRS通信网络发送给电脑终端.电脑终端完成数据的接收和显示.系统基本达到设计要求，并有较大的拓展空间.对系统软件进行简单修改即可在系统中加入多个监测终端，形成多点分布式监测基站群.

图6 电脑端实时数据显示界面

图7 历史参数显示界面

虽然系统达到设计要求，但由于实际条件限制还存在多处不足.例如监测终端功耗较高，环境参数种类少、数据精度有待提高等，这些不足之处和发展方向将在往后的工作中加以改进和实现.

〔1〕但永平.基于GPRS的多要素自动气象站[D].郑州大学,2005.

〔2〕汪胜辉.基于GPRS的空气质量监测系统设计[D].湖南大学,2008.

〔3〕蒙博宇.STM32 自学笔记（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012.29-100.

〔4〕Bryan Newsome.Beginning Visual Basic 2012[M].United States of American,Wiley Publishing,2012:417-482.

〔5〕华为技术有限公司.GTM900 GPRS模块[S].华为技术有限公司,2006.

〔6〕ST Microelectronics.STM32 Reference Manual[S].意法半导体,2011.

TP274

A

1673-260X（2017）09-0036-03

2017-06-13

广东省大学生创新创业训练计划项目（201510564212）