基于无线传输网络的环境监测系统的设计(何巧)

1、.PAGE ：.；第章 绪论. 课题的意义随着我国经济的迅速开展，环境维护也日益遭到国家和宽广群众的关注，全国环保机构也在环境维护方面加大力度。近年来国民经济突飞猛进，工业企业不断增多，由此带来的问题就是污染源的添加和分布的复杂。在普遍环保认识薄弱和利益的驱使下，环保的监控管理任务日益复杂。传统的环境监测方法需求环保职能部门将大量的精神投入到环境现场的数据采作之中。但是随着污染源的添加，这种原有的监测方式，曾经无法起到实时监染的目的。利用现代化最先进的电子技术，通讯技术，软件技术，建立一套环动监控系统，实现监控系统的自动化，从更高的层次上对工业污染进展有效的监测，表达了环保作为一个新兴行业的开

2、展方向；有利于监控污染企业，添加企业的自律，促进他们履行本人的环境义务，协助 企业提高治理设备的程度；可以大大环境污染，提高企业经济效益的同时，也提高了环保投资的社会效益。. 环境监测的历史、现状和开展世纪年代以来，环境问题逐渐从地域性问题演化成全球性问题。在处理环境问题的长期探求中，国际社会曾经逐渐认识到，单纯依托污染控制技术曾经处理不了日趋复杂和广泛的环境问题，只需按照生态可继续性和经济可继续性要求，改革传统意义上单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长方式，包括消费和消费方式做出艰苦的改革，加强对人口增长的控制，改动现有的技术和消费构造，减少自然资源的耗费，加强对人口增长的控制，改

3、动现有的技术和消费构造，减少自然资源的耗费，人类才有能够实现本身的可继续开展。可见，可继续开展思想的提出源于人们对环境问题的逐渐认识和热切的关注，而且“环境维护任务应试开展进程的一个整体组成部分，不能脱离这一进程来思索年结合国环发大会。作为环境维护的重要组成部分，环境监测曾被笼统地比喻为环境维护的耳目、哨兵和尺子，是获取环境信息、认识环境变化、评价环境质量、监视排污情况的重要途径，是监视执行环境法规、环境规范的重要技术手段。因此，做好各项环境维护任务，特别是做好环境管理任务，必需充分注重、依托和发扬环境监测的作用。随着工业、农业和乡镇企业的飞速开展，我国国民经济迅速增长。与此同时，以城市为中心

4、的环境污染依然很严重，并经过乡镇企业扩展到乡村，严重影响我国的可继续开展进程。这就给环境维护和环境监测任务提出了新的问题和要求。作为一门技术性很强的实验科学，环境监测技术是环境监测的根底和根本根据。因此，需求不断加强环境监测技术的开发研讨和更新。目前，全国已构成了国家、省、市、县四级环境监测网络，共有专业、行业监测站多个，其中环保系统监测站多个，行业监测站多个，国控的空气质量监测网站个，酸雨监测网站个，水质监测网站个。同时，还建有噪声监测网、辐射监测网和区域监测网等。到年，国控环境监测网络调整为：环境空气监测网站个，测点数个；酸雨监测网站个，测点数个；水质监测网站个，监测断面个；生态监测网站个

5、。目前，我国已制定各类国家环境规范项，覆盖了大气、水质、土壤、噪声、辐射、固体废物、农药等领域。已开展了环境质量监测，环境质量周报、日报、预告监测，污染源监测，污染事故应急监测，污染物总量控制监测，污染源解析监测，环境污染治理工程效果监测等，需监测的污染因子达百余种。 环境监测及监测仪器开展趋势：以目前人工采样和实验室分析为主，向自动化、智能化和网络化为主的监测方向开展。由劳动密集型向技术密集型方向开展。由较窄领域监测向全方位领域监测的方向开展。由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向开展。环境监测仪器将向高质量、多功能、集成化、自动化、系统化和智能化的方向开展。环境监测仪器将向物理、

6、化学、生物、电子、光学等技术综合运用的高技术领域开展。. 国内现有环境监测面临的问题环境监测任务面临的主要问题有：、污染信息传送得慢，不顺应环境管理任务的需求。突发性环境污染事故，一旦发生，来势凶猛，在瞬时或时间内能够排放大量的污染物质，对环境呵斥严重的污染破坏，给国家和人民财富带来严重损失。只需在最短的时间内，经过检测部门拿出东西来，通知上级主管部门如今有什么污染，应采取什么措施，对控制污染及救援善后提供技术支持和指点，才干博得珍贵时间，将突发性环境污染事故呵斥的损失降到最低限制。但是，按照突发性环境污染事故应急监测任务性质的高规范要求，环境应急监测才干还存在着一些亟待仔细研讨，加以能处理的

7、问题。比如：该出东西的时候出不来，该仲裁的时候拿不出数据来。缺乏艰苦环境污染事故应急监测技术和方法，无法提供监测突发性环境污染事故性质、污染影响和长期潜在的污染危害。因此，难以抵御环境污染事故风险和保证军队环境平安。、环境监测技术资金投入与环境监测开展要求不相顺应.用于环境监测技术的资金投入严重缺乏，特别是在仪器设备的计量检定、维修、更新、增量、试剂购买，人员进展学习、业务培训等方面投入都没有固定的投资主渠道以及倾斜的优惠政策，监测任务根本处于自我开展，自生自灭的形状，致使大部分环境监测任务无法开展。、环境监测仪器配置缺乏与老化影响监测才干的拓展。监测仪器设备是环境监测的必备工具，从目前情况看

8、，监测仪器的更新提高较快，部分监测仪器配置相对于新的国家规范显得缺乏，而且由于部分监测仪器的维修保养不够导致老化景象也比较严重，直接影响到环境监测任务的进一步拓展。、环境监测法规规章与环境监测任务的规范化，规范化不相顺应。监测立法是环境监测任务之本。目前，由于没有专门的环境监测法律法规，使得环境监测任务的性质，位置，作用等缺乏明确的法律根据，以及取证难，举证难，执行难的情况，使环境监测管理体制、监测人员管理方式以及监测经费保证方式等不一致和不到位，给环境监测的安康开展呵斥了很大的影响。年月，国家环保局和总后勤部结合发布环监号，正式把军队单位污染源监测监视义务交给军队监测系统承当，从法规上确认了

9、军队环境监测机构的任务范围，年月，总后勤部和国防科工委结合公布营环字第号，对军队单位污染源的范围，军队环境监测系统的组成、位置、资历、职责等均做了明确规定。年月，总后勤部制定颁发了，对军队环境监测的根本原那么，监测机构的设置和职责，监测机构的资质与监测人员的资历、监测技术与质量等做出了规定。国家和军队的这些规定，为军队环境监测网络的构成提供了法律根据。但在实践任务中，已公布的相关法规文件对有些方面尚未涉及或未明确。比如：到目前为止，没有一份正式文件明确军队环境监测站的人员编制、经费来源，致使监测站任务名不正言不顺，监测经费无法保证。从年开场，中央军委决议不再从事消费运营，大量职工跟随军队企业移

10、交到地方。军队要吃“皇粮，而 “皇粮中并没有涵盖保管下来的军队职工，用工经费部分，职工根本保证资金缺口严重。各级指点为此大费脑筋，牵扯了大量的精神。因此，军队环境监测法规规章尚不健全，与军队环境监测任务的制度化、规范化、规范化管理还不相顺应。、环境监测技术总体程度与监测任务的高规范要求及监测技术的快速开展不相顺应。根据军队环境监测任务面临的情势和主要义务是：由单一的实验室分析转向实验室分析与现场/应急快速分析、延续自动分析相结合；由单纯的点式采样分析转向点式分析与线采样分析、面采样分析，空中遥感监测分析结合；由繁重的手工分析转向手工分析与在线延续自动分析相结合；监测信息的要求由单纯的浓度信息转

11、向浓度与总量，生态风险，环境平安信息相结合。以上这些现代环境分析技术在军队环境监测任务中的运用还有很大差距。这不仅与当前军队环境监测分析技术的开展趋势不相匹配，而且使军队的环境监测任务必将长期处于被动位置。. 论文的主要研讨内容本次设计的主要内容是基于WiFi技术的无线传输网络的环境监测系统，在构造上，它主要包括位于现场的环境监测仪器和数据采集仪，用于进展数据传输的无线传输系统以及对数据进展分析处置的上位机系统。论文详细从以下几个方面进展论述：第一章：引见了本工程的主要背景，分析并提出了本文所设计的环境监测系统的价值和意义。第二章：从整体概念上，引见了整个系统的体系构造，从现场机系统、无线传输

12、网络、上位机系统三个方面对系统进展了大致的分析和引见。第三章：详细引见了现场机系统的组成和任务方式。第四章：详细引见了WiFi网络的构造原理。第五章：详细引见了上位机系统的管理和控制方式。第章 系统的总体设计. 系统引见整个监测系统在构造上主要包括用于现场数据采集的现场机系统，包括环境监测仪器和数据采集仪器；用于进展数据传输的无线传输网络以及对系统进展控制、对数据进展分析处置的上位机系统。如图.所示：WiFi上位机系统现场机系统无线网络传输数据采集传输仪图. 环境监测系统整体设计方案监测仪器监测仪器WiFi. 现场机系统普通来说，现场机系统有两种比较典型的组成方式：一种是由仪器单独联入传输网络

13、，如图.所示。这就要求一台现场仪器本身具备了比较完善的网络传输终端和数据采集、预处置才干。它不仅可以做到数据采集的功能，同时还可以实现和上位机进展完好的数据通讯。这就意味着对于监测仪器本身，其硬件和软件的技术要求就比较高，也就决议了它的运用范围比较狭窄，本钱高，不具备通用性。WiFi上位机现场机传输网络监测仪器图 . 仪器单独组成的监测系统第二种任务方式是经过数据采集仪将各个监测仪器经过WiFi网络衔接起来，如图.所示。分布在现场的监测仪器将各自采集到的数据经过WiFi网送入数据采集仪，而数据采集仪作为一个独立节点联入传输网络，再经过传输网络和上位机进展数据交换和通讯。这对于本钱的降低是非常有

14、协助 的，同时也利于系统的管理和维护。WiFi上位机系统现场机系统无线网络传输数据采集传输仪图. 监测仪器经过数据采集仪衔接上位机监测仪器监测仪器WiFi在监测现场，数据采集仪的主要义务是实现对一切现场仪器的管理，以及对监测仪器采集到的实时数据进展汇总并存储到本地数据库中。同时它还作为传输网络的一个节点具备WiFi网络的接口和上位机进展数据交换通讯。在本次设计中采用一台PC机作为数据采集仪，现场监测仪器经过路由器和PC机组成局域以太网。在以太网中，每个仪器被分配了一个独立的IP地址，数据采集仪就根据这个IP地址和每个仪器进展数据通讯。PC机上安装Windows Server操作系统，并且借助S

15、QL Sever 建立一个小型的数据库，用于实现对现场监测仪器各种参数的设置和保管。仪器的兼容性对于整个系统的可靠性是非常重要的，为了使不同厂商消费的监测仪器在同一系统下可以兼容，采用一种规范化的通讯协议是非常重要的，在此次设计中，仪器局域网络采用目前工业上常用的Modbus协议作为传输协议。Modbus协议的特点在于为网络中的每一个仪器分配一个独立的地址，每次对监测仪器进展操作都必需经过这个地址来进展。. 基于WiFi技术的无线传输网络无线传输网络承当了整个系统的数据流通任务，传输网络的实时性，可靠性和稳定性将直接决议整个监测系统能否可以正常、高效地任务。本次设计采用了基于WiFi技术的无线

16、传输网络，WiFi技术具备传输速率高、传输间隔 远、覆盖范围广等特点，在无线局域网运用中得到了迅猛的开展。由于此次设计的环境监测系统是在*m的范围内，所以运用WiFi热点就可以到达传输的目的。在本次设计中，思索设计范围，所以只需求建立一个WiFi热点就可以到达设计要求，构造框图如.所示。WiFi热点无线路由器无线路由器上位机数据采集仪图. WiFi热点运用. 上位机系统上位机是整个监测系统的中心，它在系统中所起的作用是系统管理控制和数据汇总、分析和处置。上位机有权向现场机发送各种命令，例如读取数据，修正参数，仪器控制等。上位机经过传输网络将命令音讯发送给现场机，再经过现场机系统，实现上位机对各

17、种仪器所发出的控制要求。上位机系统建有一个完好的数据库管理系统，担任对整个系统进展集中管理。从硬件构造上说，在此次设计中上位机采用PC机，其中心义务在于监控系统运用软件的编写。第章 现场机系统. 现场机系统组成现场机系统中的监测仪器包括丈量温度、PH值、电导率、溶解氧、含氧量、浊度和氨氮等在内的多种丈量仪器。为了实现环境的实时监控和监测数据管理传输，需求经过数据采集仪对多种采集仪器的监测信息进展集中采集、处置和数据传输。数据采集仪和环境监测仪器经过WiFi网络，组成在线环境监测系统，并经过无线路由器向上一级管理中心交换监测数据或控制信息。在监测现场，数据采集仪的主要义务是实现对一切现场仪器的管

18、理，以及对监测仪器采集到的实时数据进展汇总并存储到本地数据库中。同时它还作为传输网络的一个节点具备WiFi网络的接口和上位机进展数据交换通讯。在本次设计中采用一台PC机作为数据采集仪，现场监测仪器经过路由器和PC机组成局域以太网。在以太网中，每个仪器被分配了一个独立的IP地址，数据采集仪就根据这个IP地址和每个仪器进展数据通讯。PC机上安装Windows Server操作系统，并且借助SQL Sever 建立一个小型的数据库，用于实现对现场监测仪器各种参数的设置和保管。由于不同的环境监测仪器的消费厂家都会制定一套属于本人的通讯协议，其所用的通讯协议就能够不同，因此，假设运用不同消费商的仪器，很

19、容易呵斥相互间的冲突，使整个系统不能正常的任务，因此在此次设计中监测仪器和数据采集仪之间的通讯采用的是Modbus协议。. 现场机系统利用Modbus协议编程. Modbus协议简介Modbus协议定义了一个一切设备都能认识和运用的音讯帧构造，而不用在乎这些仪器设备是经过何种网络进展通讯的。它描画了一个设备恳求或访问其它设备的过程，还规定了如何正确的回应其它设备的恳求，以及怎样侦测错误并记录。Modbus协议指定了一套完好的音讯帧的构建和内容格式。当设备在遵照Modbus的网络上进展通讯时，Modbus协议规定了每个设备都必需求有一个属于它们本人的独立的设备地址。一切的通讯数据和命令都是按这个

20、设备地址发来，对于命令的呼应和回复，也同样需求和这个地址有关。其数据传输构造如图.所示。主设备的查询音讯从设备的回应音讯功能代码设备地址错误检测数据段功能代码设备地址错误检测数据段图. Modbus协议的数据传输构造. 通讯传送方式通讯传送分为独立的信息头，和发送的编码数据。其格式如表.所示。以下的通讯传送方式定义也与MODBUS RTU通讯规约相兼容。表. 通讯传送的数据格式编码位二进制起始位位数据位位奇偶校验位位偶校验位停顿位位错误校验CRC冗余循环码初始构造 = 字节的时间；地址码 = 字节；功能码 = 字节；数据区 = N 字节；错误校检 = 位CRC码； 终了构造 = 字节的时间。地

21、址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节阐明由用户设定地址码的从机将接纳由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有独一的地址码，并且呼应回送均以各自的地址码开场。主机发送的地址码阐明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码阐明回送的从机地址。功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规商定义功能号为到。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机恳求发送，经过功能码通知从机执行什么动作。作为从机呼应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并阐明从机已呼应主机进展操作。假设从机发送的功能码的最高位为(比如功能码大与此同时)，那么阐明从机没有呼应操作或发送出错。数据区：数据区是根据不同的功能

22、码而不同。数据区可以是实践数值、设置点、主机发送给从机或从机发送给主机的地址。CRC码：二字节的错误检测码。. 通讯规那么当通讯命令发送至仪器时，符合相应地址码的设备接通讯命令，并除去地址码，读取信息，假设没有出错，那么执行相应的义务；然后把执行结果返送给发送者。返送的信息中包括地址码、执行动作的功能码、执行动作后结果的数据以及错误校验码。假设出错就不发送任何信息。信息帧构造，如表.所示。表. 信息帧构造地址码功能码数据区错误校验码位位N位位地址码：地址码是信息帧的第一字节(位)，从到。这个字节阐明由用户设置地址的从机将接纳由主机发送来的信息。每个从机都必需有独一的地址码，并且只需符合地址码的

23、从机才干呼应回送。当从机回送信息时，相当的地址码阐明该信息于何处。功能码：主机发送的功能码通知从机执行什么义务。表.列出的功能码都有详细的含义及操作。表. 功能码的含义及操作代码含义操作读取数据读取当前存放器内一个或多个二进制值重置单一存放器把设置的二进制值写入单一存放器数据区：数据区包含需求从机执行什么动作或由从机采集的返送信息。这些信息可以是数值、参考地址等等。例如，功能码通知从机读取存放器的值，那么数据区必需包含要读取存放器的起始地址及读取长度。对于不同的从机，地址和数据信息都不一样。错误校验码：主机或从机可用校验码进展判别接纳信息能否出错。有时，由于电子噪声或其它一些干扰，信息在传输过

24、程中会发生细微的变化，错误校验码保证了主机或从机对在传送过程中出错的信息不起作用。这样添加了系统的平安和效率。错误校验采用CRC-校验方法。注：信息帧的格式都根本一样：地址码、功能码、数据区和错误校验码。错误校验循环冗余码CRC包含个字节，即位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接纳信息的设备再重新计算接纳到信息的CRC码，比较计算得到的CRC码能否与接纳到的相符，假设两者不相符，那么阐明出错。CRC码的计算方法是，先预置位存放器全为。再逐渐把每位数据信息进展处置。在进展CRC码计算时只用位数据位，起始位及停顿位，如有奇偶校验位的话也包括奇偶校验位，都不参与CRC码计算。在计

25、算CRC码时，位数据与存放器的数据相异或，得到的结果向低位移一字节，用填补最高位。再检查最低位，假设最低位为，把存放器的内容与预置数相异或，假设最低位为，不进展异或运算。这个过程不断反复次。第次移位后，下一个位再与如今存放器的内容相相异或，这个过程与以上一样反复次。当一切的数据信息处置完后，最后存放器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接纳时低字节在前。计算CRC码的步骤为：预置位存放器为十六进制FFFF即全为。称此存放器为CRC存放器； 把第一个位数据与位CRC存放器的低位相异或，把结果放于CRC存放器； 把存放器的内容右移一位(朝低位)，用填补最高位，检查最低位； 假设最低位为：反

26、复第步(再次移位); 假设最低位为：CRC存放器与多项式A 进展异或； 反复步骤和，直到右移次，这样整个位数据全部进展了处置； 反复步骤到步骤，进展下一个位数据的处置； 最后得到的CRC存放器即为CRC码。 功能码，读取点和前往值：仪表采用Modbus RTU通讯规约，利用通讯命令，可以进展读取点(“坚持存放器) 或前往值(“输入存放器 )的操作。坚持和输入存放器都是位字节值，并且高位在前。这样用于仪表的读取点和前往值都是字节。一次最多可读取存放器数是。由于一些可 编程控制器不用功能码，所以功能码被用作读取点和前往值。从机呼应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的存放器数据

27、都是每 两个字节高字节在前。功能码，单点保管主机利用这条命令把单点数据保管到仪表的存储器。从机也用这个功能码向主机返送信息。上位机是整个系统的控制中心，一切的命令音讯都是由环境监测人员从上位机发出，而现场机作为传输网络的一个节点，它经过对上位机所发出的音讯帧进展解析，从而分析出上位机所发音讯的详细含义。. 通讯口设置DCB dcb;hCom=CreateFile(COM,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,NULL,OPEN_EXISTING,NULL);if(hCom=INVALID_HANDLE_VALUE)MessageBox(createfile error,erro

28、r);BOOL error=SetupComm(hCom,);if(!error)MessageBox(setupcomm error);error=GetCommState(hCom,&dcb);if(!error)MessageBox(getcommstate,error);dcb.BaudRate=;dcb.ByteSize=;dcb.Parity=EVENPARITY;/NOPARITY;dcb.StopBits=ONESTOPBIT;error=SetCommState(hCom,&dcb);. CRC校验码计算UINT crcvoid calccrc(BYTE crcbuf)BYT

29、E i;crc=crc crcbuf;for(i=;i;crc=crc&xfff;if (TT=)crc=crcxa;crc=crc&xffff;. 数据发送zxaddr=;/读取地址为的巡检表数据zxnum=;/读取十个通道的数据writebuf=zxaddr;writebuf=;writebuf=;writebuf=;writebuf=;writebuf=zxnum;crc=xffff;calccrc(writebuf);calccrc(writebuf);calccrc(writebuf);calccrc(writebuf);calccrc(writebuf);calccrc(write

30、buf);writebuf=crc & xff;writebuf=crc/x;WriteFile(hCom,writebuf,&comnum,NULL);. 数据读取ReadFile(hCom,writebuf,+zxnum*,&comnum,NULL);/读取zxnum个通道数据，可添加错误处置程序，如地址码错误、CRC码错误判别、通讯缺点处置等。. 现场机数据传输的详细过程上位机是整个系统的控制中心，一切的命令音讯都是由环境监测人员从上位机发出，而现场机作为传输网络总的一个节点，它经过对上位机所发出的音讯帧进展解析，从而分析出上位机所发音讯的详细含义。对于现场机系统中的仪器局域网络，现场机

31、是独一的主设备。在它解析完上位机的命令后，生成对应的Modbus命令，并根据现场机系统的网络数据传输协议，生成仪器可以识别的音讯帧，并发送给仪器。在本次设计中，现场机系统中的局域网络，采用的是自建以太网，以TCP/IP协议作为数据传输的载体，利用TCP/IP数据帧对Modbus协议进展封装，经过以太网和现场仪器进展通讯。现场机的操作系统中建有一个数据库系统，其主要有三个用途：.对上位机发出的命令进展解析，并转化成包含Modbus协议的TCP/IP帧。.存储现场仪器的各种参数，包括仪器的Modbus地址，在以太网中任务时所分配的IP地址，还包括数据采样间隔等参数。.将数据采样得到的数据进展存储，

32、上位机所需求的数据将从现场机的数据库中直接调取。在现场机系统中，由于现场机是独一的主设备，因此一切的环境监测仪器在Modbus网中所处的位置是等价的，每台监测仪器经过路由器和现场机相连。由于现场机系统采用的是以太网作为局域网，所以在实现通讯之前，必需为每一台仪器配置独立的IP地址，在现场机的数据库中，每台监测仪器的Modbus地址和以太网的IP地址一一对应。现场机在读取个多仪器的数据时，采用的是扫描的方式，也就是按照顺序分别读取所需求进展数据采集的仪器。在一次数据扫描终了之后，再反复刚刚的过程，直到完成命令所提出的要求。图.显示了现场机与单个监测仪器进展数据通讯的流程。程序初始化读取系统形状读

33、取现场仪器参数能否可以正确衔接现场仪器读取现场仪器数据并存储到数据库数据扫采集能否完成保管一切参数程序终了显示仪器衔接错误否是否是图. 现场机和仪器进展通讯的流程图. 现场机系统的硬件组成. 环境监测仪器在本次设计中运用的环境监测仪器主要有：.W-系列多参数水质监测仪W-系列多参数水质监测仪是由日本HORIBA公司消费。W-系列水质监测系统是海洋、河流、水坝、井水、地表水、城市水、雨水径流、湖泊、池塘和渔场等多种水质评定检测的最正确选择。它将HORIBA多年研发电极技术的结晶凝结在一个直径mm的探头中，独创性地开辟了高压深水领域的运用，并可实现种参数的高精度同时丈量。W-系统兼容的WiFi和数

34、据检索等功能能衔接电脑，并进展处置和处置数据。每隔分钟在探头上记录一次采集的数据，可实现长达一个月的现场延续监测。.环境气体分析仪本次设计中采用的环境气体分析仪的型号是，它是英国消费的。是一种多功能的环境气体监测仪。主要用于动、植物生理学研讨，气候变化研讨，环境控制研讨，微气候研讨，生态生理学，果实贮藏，微生物活性与降解等。仪器可丈量CO，水汽的变化，另有个传感器接口，可接多种传感器以丈量更多环境参数。. 数据采集仪在现场机系统中，数据采集仪是独一的主设备，它是一台具备WiFi接口的PC机，每台监测仪器可以经过自带的WiFi和数据检索功能以及经过参与串口WiFi模块与数据采集仪相连。本次设计中

35、采用的W-系列多参数水质监测仪器兼容的WiFi和数据检索等功能能衔接电脑，并进展处置和处置数据。环境气体分析仪还带有个传感器接口，可以接多种传感器以丈量更多的环境参数，这里还必需加一个模数转化器，将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号。系统运用的是ADC模数转换器，下面对其进展详细引见。.ADC概述ADC是美国国家半导体公司消费的CMOS工艺通道，位逐次逼近式 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank A/D转换器。其内部有一个通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通路模拟输入信号中的一个进展A/D转换。是目前国内运用最广泛的位通用A/D芯

36、片。.ADC主要特性和内部构造ADC的主要特性有：路输入通道，位AD转换器，即分辨率为位。 具有转换起停控制端。 转换时间为s(时钟为kHz时)，s时钟为kHz时 单个V电源供电 模拟输入电压范围V，不需零点和满刻度校准。 任务温度范围为-摄氏度 低功耗，约mW。ADC是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部构造如图.所示，它由路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、位开关树型A/D转换器、逐次逼近。图. 单片机控制A/D转换器的电路图.ADC外部特性引脚功能ADC芯片有条引脚，采用双列直插式封装，如图.所示。下面阐明各引脚功能。 ININ：路模拟量输入端。 -：位数字量输出端。 ADDA、A

37、DDB、ADDC：位地址输入线，用于选通路模拟输入中的一路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲至少ns宽使其启动脉冲上升沿使复位，下降沿启动A/D转换。 EOC： AD转换终了信号，输出，当AD转换终了时，此端输出一个高电平转换期间不断为低电平。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换终了时，此端输入一个高电平，才干翻开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于KHZ。 REF+、REF-：基准电压。 Vcc：电源，单一V。 GND：地。图. ADC引脚图.ADC的任务过程首先输入位地址，并

38、使ALE=，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进展。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换终了，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断恳求。当OE输入高电平 时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进展处置。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，由于只需确认完成后，才干进展传送。为此可采用下述三种方式。 定时传送方式 对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术目的是知的和固定

39、的。例如ADC转换时间为s，相当于MHz的MCS-单片机共个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换一定曾经完成了，接着就可进展数据传送。 查询方式 A/D转换芯片由阐明转换完成的形状信号，例如ADC的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的形状，即可确认转换能否完成，并接着进展数据传送。 中断方式 把阐明转换完成的形状信号EOC作为中断恳求信号，以中断方式进展数据传送。 不论运用上述哪种方式，只需一旦确定转换完成，即可经过指令进展数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。模拟信号被转换成数字信

40、号后，还需求受一个单片机的控制，使数字信号传输出去。模数转换器一方面它接纳传感器送来的模拟信号，另一方面受单片机的控制转化成数字信号并输出,它的任务流程图如图.所示。系统运用的ADC模数转换器，它是逐次逼近型位通道A /D模数转换器，转换时间典型值为us，模拟信号输入电压V，电源电压为单电源V。开场初始化START=是EOC =是读转换结果到输出口启动ADC否否通道地址加端口依次访问终了图. ADC执行流程系统选用C型单片机控制数字信号的输出。它在数据采集部分中的作用就是控制ADC何时转换，何时输出数据。相应的实现程序为：#includereg.hint a;sbit EOC=p.;sbit

41、START=p.;sbit OE=P.;sbit CLK=p.;void delay_us() int i; for(i=;i=;i+)void main() p=a; a=X; CLK=; delay_us(); CLK=; delay_us(); START=; if(EOC=) START=; OE=; START=; a+; else if OE=;转换后的数据从单片机的P口读入，这样就实现了C与ADC的软件和硬件衔接。单片机要与无线网络通讯还需加一个串口WiFi模块。Uart-Wifi模块是基于Uart接口的符合wifi无线网络规范的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE.协议栈以及T

42、CP/IP协议栈，可以实现用户串口数据到无线网络之间的转换。经过Uart-Wifi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。然后数据采集仪再利用本身自带的WiFi接口经过无线路由器与上位机之间通讯。. 现场机系统的硬件框图综上所述，现场机系统的硬件框图如图.所示。W-系列多参数水质监测仪环境气体分析仪数据采集仪无线路由器温湿度传感器光照传感器ADC A/D转换器无线传输网络上位机图. 现场机系统的硬件框图串口WiFi模块单片机模块第章 无线传输网络无线传输网络是整个环境监测系统的中心部分，传输网络能否可以实时有效的进展数据传输，是决议整个系统能否正常稳定任务的最主要要素。本设计将日趋成熟的无线

43、数据传输网络引入进来，改动传统的环境监测的可挪动性得到实现，而且也在很大程度上降低了监测设备的投入本钱。无线传输技术的开展越来越快，相比起过去，无论在传输速度和传输稳定性上都有了前所未有的提高，这种飞跃使得大量数据的无线数据传输可以得到实现，这对于现代环境监测技术是非常重要的。面对每天不同监测点的大量数据源，假设数据传输速率得不到保证，那么整个系统的设计也就变得没有任何意义。. WiFi的概念WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备如PDA、手机等终端以无线方式相互衔接的技术。WiFi是一个无线网络通讯技术的品牌，由WiFi联盟WiFi Alliance所持有。目的是改善基于IEEE.规范的无线

44、网路产品之间的互通性。如今人们普通会把WiFi及IEEE.混为一谈。甚至把WiFi等同于无线网际网络。WiFi联盟成立于年，当时的称号叫做Wireless Ethernet Compatibility AllianceWECA。在年月，正式改名为WiFi Alliance。通俗说法，WiFi原先是无线保真的缩写，WiFi的英文全称为Wireless Fidelity,在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证，本质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网的技术，以前经过网线衔接电脑，而如今那么是经过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用WiFi衔

45、接方式进展联网，假设无线路由器衔接了一条ADSL线路或者别的上网线路，那么又被称为“热点。如今市面上常见的无线路由器多为M速度以及M速度，另有M速度的WiFi路由器正在逐渐趋于普遍。WiFi下一代规范制定启动最高传输速率可达.G。当然这个速度并不是上互联网的速度，上互联网的速度主要取决于WiFi热点的互联网线路。. 无线传输网络的根本构造WiFi协议的根本内容.协议是IEEE 任务组定义的第一个被国际认可的无线局域网协议。跟传统的有线局域网相比，基于WiFI协议的无线局域网具有可挪动性，动态拓扑构造和易搭建的特点。因此用户可以根据需求和环境选择适宜的局域网技术来构造本人的网络。从无线局域网协议

46、出台到今天十年开展中，该组织相继对协议进展了完善。.b高速协议的提出，用来对.协议进展补充，在.的Mbps和Mbps速率下，.b又添加了.Mbps和Mbps两个新的网络吞吐率，后来又演进到.g的Mbps，直至今天.n的Mbps。.协议规定了WiFi的根本网络包括物理层、介质访问接入控制层MAC层及逻辑链路控制层LLC层。其三层构造可如图.所示。.LLCLogical Link Control. MAC. PHYFHSS. PHYDSSS. PHYIR/DSSS. PHYOFDM. PHYDSSS/OFDM.bMbit/s .GHz.a Mbit/s GHz. Mbit/s .GHz图. .协议

47、的三层构造物理层。由图.可以看到，.b定义了任务在.GHz的ISM频段上总数据传输率设计为Mbps；.a定义了一个任务在GHz的ISM频段上总数据传输率设计为Mbps的物理层；最近的.g定义了任务在.GHz的ISM频段上总数据传输率设计为Mbps的物理层。MAC层。WiFi规范为一切物理层定义了一个公共的MAC层，这使得有添加新物理层的需求时，不再需求对MAC层进展改动。其职能与.协议的MAC层非常类似，都是在一个共享媒体之上支持多个用户共享资源，由发送者在发送数据前先进展网络可用性的调理。逻辑链路控制层LLC。其运用的是与.完全一样的LLC层和位MAC地址，这使得无线和有线之间的桥接非常方便

48、，但MAC地址只对无线局域网独一确定。WiFi网络的组成部分IEEE .体系由假设干部分组成，这些元素经过相互作用来提供无线局域网效力，并向上层支持站点的挪动性。这些根本的组成部分有：* 站点station。这是网络最根本的组成部分。可以是一台PC机，也可以是如PDA等手持无线设备。* 根本效力单元Basic Service Set，BSS。.规范规定的无线局域网的最下构件。一个根本效力单元包括一个基站和假设干个站点，一切的站点在本BSS内都可以直接通讯，但在和本BSS以外的站点通讯时都必需经过本基站。最简单的效力集可以只由两个站点组成，每个站点都可以动态的结合到根本效力单元中。* 分配系统D

49、istribution System，DS。用于衔接不同的根本效力单元。分配系统经过必要的逻辑效力将匹配地址分配给目的站点，使挪动终端设备得到支持，并在多个BSS间实现无缝整合。正是分配系统DS，使扩展效力单元ESS对上层的表现就像一个根本效力单元BSS一样。* 接入点Access Point，AP。根本效力单元里面的基站就叫做接入点AP，但其作用与网桥类似。AP即有普通站点的身份，又有接入到分配系统的功能。* 扩展效力单元Extended Service Set，ESS。由分配系统和根本效力单元组合而成。一个根本效力单元可以是孤立的，也可以经过接入点AP衔接到主干分配系统DS，然后再接入到另

50、一个根本效力单元BSS，这样就构成了一个扩展效力单元ESS。* 门桥Portal。.定义的新名词，作用就相当于网桥。用于将无线局域网和有线局域网或者其他网络联络起来。一切非.局域网的数据都要经过门桥才干进入IEEE .的网络构造。门桥可以使这两种类型的网络实现逻辑上的综合。图.综合了IEEE .无线局域网一切组成元素及效力的完好构造图。图. IEEE.无线局域网的组成元素和效力. 无线传输网络的根本任务原理WiFi的典型设置通常包括一个或多个接入点AP及一个或多个客户端。每个接入点AP每隔ms将效力单元标识SSID(Service Set Identifier)即网络称号(Network Na

51、me)经由beacons封包广播一次。Beacons封包的传输速率为Mbps，并且该封包的长度非常短，因此这个广播动作对WiFi网络的性能影响并不大。又由于WiFi规定的最低传输速率为Mbps，所以足以确保一切接纳到这个SSID广播封包的WiFi客户端都能至少在Mbps的速率下进展通讯。基于如SSID这样的设置，客户端可以决议能否结合到某个接入点AP。假设同一个SSID的两个接入点AP都在客户端的接纳范围内，客户端可以根据信号的强度选择与哪个接入点的SSID结合。对于WiFi网络的信道频率，除了.lla运用的是GHz频率，WiFi的频谱都分布在.G Hz左右，由于该频率段是对全世界各国都开放的

52、无需答应的，虽然确切的频率分配，如最大允许功率，在各地有着细微差别。但按频率划分的信道数量是在全世界做了一致规范的，因此所授权的频率段可经过信道数量进展区分。. 无线传输网络的操作方式IEEE . 规范定义两种根本操作方式:Infrastructure方式和Ad hoc自组网络方式。) Infrastructure方式。属于有固定根底设备的无线局域网。组成构造至少包括一个与无线网络衔接的无线接入点AP，以及一系列无线的终端站点。该方式主要为在覆盖范围内的各个站点提供效力。这些客户终端可经过接入点AP实现之间的相互通讯。Infrastructure方式也可以经过门桥提供与有线网络即因特网入口相衔

53、接的能够性。这种配置(一个AP及假设干站点的组合)可以构成一个根本效力集合BSS。在同一个BSS覆盖范围内，一切站点都运用一样的无线频率。一个扩展效力集合ESS是由两个或多个BSS构成的一个单一子网。由于很多无线的运用者需求访问有线网上的设备或效力，如文件效力器、打印机、互联网链接，他们都会采用这种Infrastructure方式。图.所示为Infrastructure方式的构造。图. Infratructure方式的构造) Ad hoc自组网络方式。由一组客户终端组成，作为独立的根本效力单元BSS即IBSS(Independent Basic Service Set)。该方式不需求任何根底设

54、备(如接入点AP或到分配系统的衔接)的支持就可以实现其覆盖范围内的站点之间的通讯。每个站点不需经过接入点AP就都可以与一样IBSS下的任何其他站点建立通讯。图.所示为Ad hoc方式的构造。图. Ad hoc方式的构造. WiFi的根本特点一、无线电波的覆盖范围广，基于 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank 蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只需英尺左右约合米，而Wi-Fi的半径那么可达英尺左右约合米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可运用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品可以把目前Wi-Fi HYPERLINK b

55、aike.baidu/view/.htm t _blank 无线网络英尺接近米的通讯间隔 扩展到英里约.公里。 二、虽然由Wi-Fi技术传输的无线通讯质量不是很好，数据平安性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改良，但传输速度非常快，可以到达Mbps，符合个人和社会信息化的需求。 三、厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只需在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点，并经过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点所发射出的电波可以到达距接入点半径数十米至米的地方，用户只需将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进展网络布线接入

56、，从而节省了大量的本钱。四、无须布线。WiFi最主要的优势在于不需求布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适宜挪动办公用户的需求，具有宽广市场前景。目前它曾经从传统的医疗保健、库存控制和管理效力等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开场进入家庭以及教育机构等领域。五、安康平安。IEEE .规定的发射功率不可超越毫瓦，实践发射功率约毫瓦，这是一个什么样的概念呢？手机的发射功率约毫瓦至瓦间，手持式对讲机高达瓦，而且无线网络运用方式并非像手机直接接触人体，是绝对平安的。根据无线网卡运用的规范不同，WIFI的速度也有所不同。其中IEEE HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t

57、_blank .b最高为Mbps部分厂商在设备配套的情况下可以到达Mbps，IEEE.a为Mbps、IEEE.g也是Mbps。 WIFI是由 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blank AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP普通称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其任务原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由， 而无线网卡那么是担任接纳由AP所发射信号的CLIENT端设备。 而wireless b/g表示网卡

58、的型号，按照其速度与技术的新旧可分为.a-、.b-、.g-、.n- 讲起无线网，大家都有一种似是而非的觉得，无线能否简单地两台计算机互联？No！这曾经是上个世纪的无线概念，新一代的无线网络，将以无须布线和运用相对自在，建立起人们对无线局域网的全新感受。需求决议了市场的开展，很少见到哪种IT技术或是产品可以象它样有如此迅猛的增长势头，不受任何约束随时随地访问互联网不再是梦想，其中，WiFi发扬了至关重要的作用。Wi-Fi代表了“无线保真，指具有完全兼容性的.规范IEEE.b子集，它运用开放的.GHz直接序列扩频，最大 HYPERLINK baike.baidu/view/.htm t _blan

59、k 数据传输速率为Mbps，也可根据信号强弱把传输率调整为.Mbps、Mbps和Mbps带宽。无需直线传播传输范围为室外最大米，室内有妨碍的情况下最大米，是如今运用的最多的传输协议。第章 上位机系统上位机是整个环境监测系统的控制中心，主要承当数据查询、形状查询、数据存贮、控制管理等各种任务。上位机在其软件系统上向监测系统的操作人员提供友好的环境界面，操作人员经过简单的鼠标、键盘或触摸屏的操作，就可以实现对现场仪器的各种控制管理和数据汇总任务。环境监测的运用软件采用Microsoft在其网络新方案中所发布的VC#.NET作为软件编写和调试平台。基于.NET平台优秀的才干，可以非常简便的实现各种处

60、理方案，包括用户界面的编写、数据传输协议的实现、数据库系统的操作等等。在本次设计中上位机的软件体系可以分成两个主要的部分：上位机与现场机数据传输部分和数据库部分，其构造如图.所示。数据通讯协议无线网络数 据 库现 场 机数 据 库上 位 机图. 上位机构造. 上位机与现场机数据传输部分. 数据通讯协议本次设计的环境监测系统，上位机与现场机之间的数据通讯对应的通讯协议是ISO/OSI定义的层协议的运用层。运用层依赖于所选用的传输网络，在选定的传输网络上进展运用层的数据通讯，在根底传输层曾经建立的根底上，整个运用层的协议和详细的传输网络无关。. 协议的通讯方式协议的通讯过程是上位机和现场机的一个信