[科普中国]-环境数据采集系统

简介

数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感元件转换为电信号，再经过信号的调理、采样、量化、编码、传输等步骤，送至控制器进行数据处理、分析或存储记录的过程。环境数据采集系统的任务是对环境各种参数进行采集，送入计算机，由计算机根据需要进行相应计算和处理，得到所需要的数据，同时将数据按要求进行显示或打印。随着计算机技术的快速发展，数据采集与监控系统在工业生产、生活中迅速地得到应用。1

应用背景雾霾是在一定的温度，湿度及气压等气象条件下与排放的颗粒物相互作用的结果，现实生活中，人类的活动必然会向空气中排放大量细颗粒物，当排放的这些颗粒物的浓度超出了大气的承载度和循环净化能力，其浓度将逐渐升高，此时如果出现静稳天气，很容易爆发大范围的雾霾；因此掌握当前气象的状况与当前颗粒物的状况对治霾防霾、空气质量信息发布和预测具有重要的指导意义。由于气象环境的复杂性、多变性、局部性，就需要对相关的气象数据进行长时间的、动态的、区域化的多点检测。对于气象数据的检测，既可以在现场直接测定，也可以远程测定；现场直接测定浪费人力物力，效率较低；远程测定需使用无线通信技术，省时省力，便捷高效。2

数据采集的基本理论采样过程为了对模拟信号用数字方法处理，应先将模拟信号数字化，即进行模/数(A/D)转换。模/数转换过程，包括三个内容：一是采样，二是量化，三是编码。一个模拟信号首先经过预采样滤波器，对信号进行调理，然后由采样器在每个采样时刻读出一个数据；再由模数转换器(ADC)量化为二进制数码，数据最后保存到存储器用于数字信号处理。

模/数转换器模/数转换器是整个数据采集系统的核心，它的性能直接限制系统的性能。要使设计的系统能满足工作条件，首先要选对模/数转换器。因此，有必要去了解模/数转换器的发展状况。

采样方式常见的采样方式可分为“实时采样”和“等效时间采样”两大类。

“实时采样”是在信号存在期间对其采样。按照采样定理，采样速率必须高于信号中最高频率分量的 2 倍；对于周期性正弦信号，一个周期内应该至少有两个采样点。“实时采样”除了通常使用的定时采样外，还常常使用“等点采样”，即“变步长采样”。这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期内均匀采样的点数总共为 N 个。

系统总体功能该系统分为两部分：客户端(终端)，服务器。客户端实现环境数据的采集并无线传输，服务器则对客户端上传的数据进行保存并实现对多客户的并发服务。具体功能如下：

(1) 客户端具备环境的温度、湿度、大气压力采集功能。

(2) 客户端具有颗粒物检测功能。

(3) 客户端具有地理信息标识功能（GPS 定位功能）。

(4) 客户端具有本地显示及图像信息捕获功能。

(5) 客户端具有无线网络传输功能。

(6) 服务器是基于 TCP 协议的并发服务器，应用多线程编程技术以实现多客户并发访问功能。

在客户机/服务器模式的系统中，存在大量的客户机，而服务器的数量视根据实际需要而定（一个或多个），在该设计中一个服务器并发服务多个客户机，在实际应用时多个客户机分布在一个大区域的不同角落，各个客户机应使用 GPS 模块标识自己的地理位置信息，同时，客户机将所采集的环境数据通过移动公网接入 Internet 上传到数据服务器，系统的工作示意图如图所示。

系统设计应用嵌入式技术与无线网络通信技术相结合，设计了客户机（client）/服务器(server)架构下的嵌入式环境数据采集系统。该系统分为两部分：客户端与服务器；客户端，即终端通过气压计、温度传感器、湿度传感器、颗粒物传感器对环境数据进行定时采集，并使用移动无线通信技术将数据上传到服务器，同时为了便于直观的感受区域点的实时环境状态图像信息，应用 USB Camera 对环境图像进行捕获并上传至服务器，服务器接收相关数据并存储。 该系统可以在大区域内实现长时间的、动态的、区域化的多点检测；同时该系统也可以作为大数据时代下的重要数据来源，通过对相关气象数据进行建模统计，以掌握相关指标的发展趋势，对环境信息发布及预测具有重要的指导意义。2

处理器S3C2440 处理器采用基于先进的哈佛总线结构的 ARM920T 内核，由韩国 Samsung公司制造，其最高工作频率可达 400MHz，该处理器片上资源十分丰富，使用它仅需要很少的外围电路便可以完成一个系统设计。

温湿度传感器与气压计SHT20 温湿度传感器由瑞士 Sensirion 公司制造，该传感器精度高、稳定性好。SHT20可以同时测量空气温度（Temperature），相对湿度(Relative Humidity )。在测量相对湿度时其测量的温度可以对湿度进行补偿，因此精确度较高，SHT20 具有如下特点：

(1) 完全标定，分辨率可编程 RH(8～12bit)，T(11～14bit)。

(2) 数字输出，I2C 总线接口。

(3) CMOS 电平，3.3V 单电压供电。

(4) 低功耗以及长期的稳定性。

BMP180 气压计也是 I2C 总线接口，输出完全标定，3.3V 单电源供电，气压分辨率可编程(16～19bit)，其内部由传感单元、ADC 转换器、控制逻辑及EEPROM组成；BMP180 输出未经补偿的压力数据，EEPROM 中存储着 22bit 传感器校正数据，在操作BMP180 获取数据之前，应先读取 EEPROM 中的数据，然后对 BMP180 输出的数据进行校正，可以得到准确的数值。

激光粉尘传感器PMS3003 为第三代激光粉尘传感器，它采用激光散射原理，利用空气中的悬浮颗粒物对激光产生散射，并在某一特定角度收集散射光线，从而得到散射光强随时间变化的曲线。该传感器的微处理器利用米氏(MIE)理论算法，计算出颗粒物的等效直径，及单位体积内不同粒径的颗粒物数量。该传感器可以有效检测微小颗粒，检出感度0.3μm，能有效的检测 PM1.0，PM2.5，PM10 等颗粒物，传感器使用 5V 供电，串口输出(3.3V TTL 电平)，由于 S3C2440 为 3.3V CMOS 电平，根据 CMOS 电平可以直接驱动TTL 电平，但是 TTL 电平不能直接驱动 CMOS 电平的原则，需要对 PMS3003 传感器的串口输出电平进行电平转换，在此使用 SP3232 将两接口电平均转换为 RS232 电平。

GPS定位模块GPS 是 Global Positioning System 的简称，起源于美国军方项目，现已广泛民用、商用，用户只需要购买相应的定位设备即可。GPS 定位模块采用 U-Blox 公司的 NEO-5芯片设计，该芯片内部集成定位算法，通过外接电源和天线，便可以输出 NMEA(National Marine Electronics Association )-0183 格式的定位信息。该芯可以以多种接口形式输出定位信息，如串行接口 UART，USB 接口，本设计中使用串口对定位信息进行输出，因此需要配置 CFG_COM0，该引脚主要是设置串行通信的波特率，设计中RXD与TXD两引脚为TTL电平，需要使用 SP3232电压转换芯片，将其转换中 RS232 电平。

GPRS无线传输模块GPRS 模块采用内置 TCP/IP 协议栈的 SIM900A 芯片，模块通过串口与 S3C2440 进行通信，GPRS 模块在系统中主要实现数据的无线传输功能。GPRS 网络是在 GSM 网络上通过引入 GPRS 服务支持节点(SGSN)和 GPRS 网关支持节点(GGSN)而来的，它采用分组交换技术，即每次传输的是一个数据的分组。在传输分组数据时，GPRS 终端通过基站(BTS)连接到 SGSN，再由 SGSN 与 GGSN 进行通信，GGSN 对分组数据进行发送到其他 GPRS 网络或者 Internet，其通信过程如下图。

图像传感模块图像传感模块采用UVC(USB video class)协议接口的百脑通 BNT D881，该摄像头最大分辨率 1280x720，支持 MJPEG 视频编码格式，MJPEG 视频编码方式将每一帧图像编码为 JPEG 格式，该图像格式具有图像质量高，数据量小的优点，因此很适合数据的远程传输；Linux 提供了视频编解码接口 Video for Linux Two，通过 V4L2 接口操作图像传感模块可以方便的实现图像信息的捕获。2