基于GMS/GPRS的遠程室內環境監控系統設計

鄭鄂湘蔡運文（.廈門東海職業技術學院， 福建 廈門 36000；.廈門雅迅網絡股份有限公司， 福建 廈門 36000）

基于GMS/GPRS的遠程室內環境監控系統設計

鄭鄂湘1蔡運文2（1.廈門東海職業技術學院， 福建 廈門 361000；2.廈門雅迅網絡股份有限公司， 福建 廈門 361000）

以家庭室內空氣質量的遠程無線監測數據傳輸方式為研究對象，采用基于2.4G無線技術及GSM/GPRS無線數據傳輸技術建立的新裝室內環境監測系統。設計上以低成本、便攜式、展示方式新穎為核心，結合家庭的實際需要，用戶不到現場就能隨時了解新裝修房屋有害氣體等信息，減少了用戶到現場檢測的頻率，節省用戶的時間；進而普及室內環保監測設備的使用意識。

監控系統；GPRS；2.4G；傳感器

隨著人們生活水平的不斷提高，室內環境問題成為社會關注的焦點，環境與人類健康和兒童生長發育的關系極為密切。近年來家裝業發展迅速，不規范的家裝帶來的負面影響十分嚴重，而目前建材市場的混亂，造成非環保、低劣質的家裝材料進入家居，有害氣體特別是甲醛的污染十分突出。

目前室內環境的檢測手段很多，大都采用短距離無線傳輸技術，必須要人員到現場參與監測，無法實現長時間、隨時監控。近年來國內外研究出以無線傳輸技術對室內環境進行監測來代替傳統的便攜式環境檢測儀。鮮曉東［1］等人提出了以CC2430為無線傳感器節點核心，對室內的CO體積分數、煙霧體積分數和溫度進行實時采集和監測；以ARM微處理器S3CA4BOX為控制核心，對采集的環境信息進行存儲、分析和處理；利用SIM300模塊實現數據的遠程傳輸。林振衡［2］等提出一種基于無線傳輸的分布式空氣質量監測系統的設計，以實現對大空間室內空氣質量多點、實時監控。王長濤［3］等設計了主控制模塊、檢測模塊、顯示模塊、無線傳輸模塊和控于RFD5800無線傳輸模塊的家居環境檢測系統。戴龍彬［4］等采用的是ATmega16低功耗單片機，實現對室內空氣中有毒有害氣體濃度參數的采集處理、存儲、顯示、通信、報警等功能。這些技術都能很好的解決室內環境實時監控的特點，但是他們大都采用短距離無線傳輸技術，必須要人員到現場參與監測，無法實現長時間、隨時監控。

GPRS這項全新技術可以令您在任何時間、任何地點都能快速方便地實現連接，同時費用又很合理。目前在環境監測領域已經運用廣泛：李玲［5］等人設計了一種基于GPRS無線遠程傳輸的環境監測系統，可以監測環境溫度、環境濕度、光照度、紫外輻射、CO2濃度等環境信息；馮巖［6］等人設計的系統能實時將采集到的環境數據和預警信息通過GPRS或GMS的方式傳輸到監測部門，實現了對環境污染的實時監控、處理。

本文提出一種基于GMS/GPRS的室內環境監控系統，采用2.4G無線網絡技術，其協議采用自定義本地組網傳輸協議，實現本地環境數據采集，通過GSM/GPRS技術，將環境數據（甲醛、煤氣、溫度）實時傳輸到遠程客戶端，最終客戶可實時關注室內環境狀態。

1 系統總體設計

基于GSM/GPRS的室內環境監測系統結構框圖如圖1所示，整個系統由室內環境數據采集模塊、遠程無線數據傳輸模塊、監控數據中心以及用戶監控軟件等四部分組成，其中室內環境數據采集模塊采用2.4G無線網絡組網技術，對各類室內環境參數采集節點進行組網，實時采集室內環境參數數據，通過GSM/GPRS遠程數據傳輸模塊將監測數據發送到監控數據中心，監控數據中心主要負責將數據進行分類、統計以及匯總，用戶監控軟件主要以圖形、報表等多種方式展現給客戶，既可通過PC機客戶端軟件展現，也可通過手機微信公眾號展現；用戶既可以采用主動查詢的方式獲取監測結果，對于室內監測超標數據監控系統會以短信的方式將報警數據發送給用戶綁定手機上。

2 系統各個模塊設計

（1）室內環境數據采集模塊 室內環境數據采集模塊采用2.4G無線網絡組網技術將室內各個數據采集節點進行分布式組網。各個數據采集模塊主要由電源處理、數據采集處理器、AD轉換、環境感知傳感器、2.4G無線網絡以及天線等組成。其系統結構圖如圖2所示，各個數據采集節點主要實現環境參數的采集、預處理以及上傳工作，該模塊產品封裝成便攜式結構，提高客戶安裝的便利性，設計上電源處理主要負責整個便攜式采集模塊的電池充電，電壓轉換等作用，AD采集負責將前端環境感知傳感器處理器的模擬信號轉換為處理器能適配的模擬信號，AD信號處理由處理器負責，主處理器負責數據預處理，以及上傳工作，主處理器選擇ST公司的超低功耗系列微控制器STM32L051K8，其設計資源豐富，開發配套的生態系統齊全，從基本外設庫到操作系統均源碼開放；同時也考慮其低功次設計對分布式系統增加或者減少采集節點采用自適應設計，其網絡節點ID采用自分配原則。

（1）遠程數據傳輸模塊 遠程數據傳輸模塊采用GSM/ GPRS無線傳輸技術，主要負責將環境監測數據上傳到監控數據中心。傳輸模塊主要由電源處理、遠程數據傳輸功能處理器、GSM/GPRS通信模塊、2.4G無線網絡、天線等組成，其系統結構圖如圖3所示，電源處理主要為本模塊提供電池充電，電壓轉換等，處理器接收到的各個節點的數據并通過GSM/ GPRS網絡傳到監控數據中心，本設計處理器采用ST公司的STM32F103RCT6，其主頻達到72MHZ；GSM/GPRS通信模塊負責將各個節點的數據上傳到監控數據中心，同時也可以通過GSM通道直接上傳報警信息，鑒于系統傳輸數據量較小，因此設計上采用GSM/GPRS通信模塊，采用上海移遠公司的M12模塊，模塊以串口的通信方式與處理器進行交互，通過AT指令接入移動網絡，最終于監控數據中心進行數據交互。

（3）監控數據中心 監控數據中心采用云計算，數據挖掘、信息安全等技術，主要負責各個數據采集模塊上傳數據的管理，分類、統計等工作，其系統結構框圖如圖4所示，監控數據中心主要由GPRS前置機、數據服務器，業務服務器等組成；其中GPRS前置機主要管理和每個用戶的數據傳輸模塊之間通信鏈路的管理、數據的收發，單個前置機設備能對應業務處理層的多個設備，數據服務器在數據庫層面解決問題，需要使用到分庫、分表的技術，引入了帶有DAL的數據存儲層概念，負責將獲取的數據進行分類，統計等工作，業務服務器實現對具體協議的處理，該層也可以獨立于通信接入層進行自由的性能伸縮擴展部署；在系統結構設計上，由于未來系統平臺的終端接入數量比較巨大，而且隨著業務的開展而逐漸增長。監控平臺中引入了分布式、負載均衡機制，整個子系統的核心節點都可做成集群，各個相同功能節點之間都是獨立的，以消除大數量連接和大數據量處理的性能瓶頸，滿足大量數據節點的接入與可擴展性。

3 用戶監控管理軟件

圖1 監控系統結構框圖

圖3 遠程數據傳輸模塊結構框圖

圖2 數據采集模塊結構框圖

圖4 監控數據中心結構框圖

圖5 用戶監控軟件結構框圖

用戶監控軟件主要分為PC機監控軟件以及手機微信公眾號，由于整個監控系統采用C/S的軟件架構，因此設計上匹配了PC端監控軟件，這類軟件可以開放給設備運營商，也可以開放給最終客戶，采用權限管理的方式實現不同角色訪問者限制；另外，設計上還采用微信關注公眾號展現方式，可以避開因各個手機平臺而需要開放各種不同手機APP應用的復雜度，提高用戶應用體驗感。

4 結語

本文基于GSM/GPRS的室內環境監控系統結合了2.4無線組網技術、GSM/GPRS技術、傳感器技術、JAVA技術；提出了一套完整的室內環境系統遠程監控解決方案。系統解決了傳統環境監控中存在的布線復雜，遠程監控智能化、普及化不夠，數據采集的實時展示等問題，系統具備低成本、低功耗、高智能化、高穩定性等優點；應用前景廣泛，進一步研究該系統可以采用租賃運營服務的方式，降低用戶單次使用成本，提高產品的普及性。

［1］鮮曉東，常超，等.基于WSNs和GSM的室內環境監測預警系統設計［J］.傳感器與微系統，2011，30（6）:141-144.

［2］林振衡，林鋒，等.基于無線傳輸的分布式室內空氣質量檢測系統［J］.莆田學院學報，2012，19（2）:42-46.

［3］王長濤，黃寬，等.基于RFD5800的室內環境監控系統設計與實現［J］.科技廣場，2012，8:81-85.

［4］戴龍彬，劉連穎.智能室內環境監測儀的設計與研究［J］.科技創新導報，2012，9:27.

［5］李玲，李鵬.基于無線傳輸的環境監測系統［J］.數字技術與應用：學術論壇.

［6］馮巖，韓太林.基于無線傳輸網絡的環境監測系統的設計［J］.長春理工大學學報， 2012，35（4）:113-116.

Design of Remote Monitoring System for Indoor Environment

Author：Zheng E-xiang（Xiamen Donghai Institute xiamen 361000） ，Cai Yun-wen（Xiamen Yaxon net work，xiamen 361000）

The research object is based on the data transmission method of the indoor air quality， using the new indoor environment monitoring system based on 2.4G wireless technology and GSM/GPRS wireless data transmission technology. It is designed with low cost， portability，novel display mode as the core， combined with the actual needs of the family. So users will be able to learn about the new decoration of the harmful gas， etc. anytime anywhere， which can reduce the frequency of the users to detect at the scene， save time and then popularize the using consciousness of indoor environmental monitoring equipment.

Monitoring system； GPRS； 2.4G； Sensor

鄭鄂湘（1980- ），女，湖南省澧縣，廈門東海職業技術學院，講師，碩士，現主要從事環境監測與評價方面的教學與研究工作。基金項目：福建省教育廳科技項目（JA13461） 。