空气颗粒物采样器远程数据采集及控制软件设计

摘要

很多工业领域都必须进行颗粒物数据采集，以获得现场数据，然后根据现场采集的数据进行分析，判断现场的状态。本设计中用单片机STM32作为核心微控制器，控制采集频率及处理颗粒物浓度数据，将测得数据现场显示，以通用分组无线服务技术GPRS进行数据收发，远程监测，数据处理方法时折现线图显示并存储。本系统解决了远程数据的采集和控制问题，提高了整套系统的自动化程度，为监测中心的使用提供便捷。

关键词:通用分组无线通讯技术（GPRS）；单片机；数据传输，监测

Design of air particulate sampler of remote data acquisition and control software  

ABSTRACT

As the increasingly serious air pollution, much more attention need to be paid into the concentration of air particulate matter. Particle data collection must be carried out in many industrial fields in order to obtain the field data. Then we could make the corresponding measures according to the results. This design uses the STM32 microprocessor as the core micro controller to process the data, then transfer it to the test center by GPRS module, so it can show in the terminal by the discount graph.

Key words: GPRS（General Packet Radio Service）; MCU(Micro Control Unit); data transmission; monitoring

目录

1绪论……………………………………………………………………1

1.1研究背景 ………………………………………………………………………1

1.2设计内容 ……………………………………………………………2

2系统方案设计…………………………………………………………3

2.1概述…………………………………………………………………………3

2.2系统组成…………………………………………………………………………3

2.2.1数据采集模块………………………………………………………………3

2.2.2数据传输模块…………………………………………………………………4

2.2.3检测中心数据处理……………………………………………………………5

3空气颗粒物采样器的硬件设计………………………………………6

3.1 PM2.5切割器……………………………………………………………6

3.1.1设计指标……………………………………………………………6

3.1.2切割器工作原理 ……………………………………………………6

3.1.3切割器设计要点 ……………………………………………………6

3.1.4切割器的结构设计 …………………………………………………7

3.1.5采集板材料的选择 …………………………………………………9

3.2 GPRS模块与STM32接口设计…………………………………………………10

3.2.1 GPRS模块简介………………………………………………………………10

3.2.2 外围接口电路及单片机连接………………………………………………11

4 空气颗粒物采样器软件设计………………………………………………13

4.1 总体设计……………………………………………………………………13

4.2主程序设计……………………………………………………………………13

4.3 SIM900A模块TCP数据传输设计………………………………………………14

4.3.1 GPRS和GSM模式选择……………………………………………………14

4.3.2 GPRS通讯组网方式的选择…………………………………………………16

4.3.3 TCP数据传输的原理…………………………………………………………17

4.3.4 GPRS/颗粒物采样器终端通讯协议…………………………………………6

5.监测中心………………………………………………………………………22

5.1 VB软件设计……………………………………………………………………23

5.1.1 WinSocket控件在TCP应用中的使用…………………………………… 23

5.1.2 建立连接……………………………………………………………………23

5.1.3数据传输………………………………………………………………………23

5.2数据库设计……………………………………………………………………23

5.3 界面设计………………………………………………………………………24

6结论…………………………………………………………………25

致谢 ……………………………………………………………………27

参考文献………………………………………………………………28

附录……………………………………………………………………29

附录A毕业设计企业现场………………………………………………………29

附录B光盘资料说明………………………………………………………………30

附录 C GPRS/颗粒物采样器终端通讯协议参考…………………………………31

1 绪论

1.1研究背景

随着工业的进步和发展，污染危害也随之而来，无论是空气、水还是固体污染物，都已经越来越危害到我们的生产生活。颗粒物是空气污染物中的主体，主要是由于它多孔以及可吸附性,因此这就成为了污染物的载体，并且以一种气体气溶胶的方式存在。颗粒物越小，存在于空气中的形式越稳定，沉降的速度越慢，那么被吸进呼吸道的几率就越大。因此对于空气颗粒物的监测任务就显得尤为重要，当颗粒物浓度超过一定界限时就应该做出警报并采取一定的措施。我国的环境监测水平随着环境保护工作的加强已经有了很大的进步，烟尘采样器、烟气采样器、总悬浮颗粒物采样器等设备已经非常接近国际水平。但自动化技术还有待于提高，而且在关键零件方面依赖于进口。

我国环境监测系统的研制多是中小型企业，产品也基本都是中低档设备，无法满足于环境监测工作的快速发展。实时监测过程中，以中小流量为主，采集的样品数量对于开展细颗粒物理化分析明显不足。远程数据采集系统发展到今天已经经历了四代：

第一代是基于专用计算机和专用操作系统的数据采集体统。

第二代是基于通用计算机的远程数据采集系统，广泛采用计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的UNIX 操作系统。第一代和第二代数据采集系统的共同点是基于集中式计算机系统，并且系统不具备有开放性。

第三代是基于分布式计算机以及相关数据库技术实现大范围联网的远程数据采集系统。这一阶段是我国远程数据采集系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进数据采集系统中。移动通讯技术现在已经发展到4G时代，其传输速度最多可达到100M/bps的传输速率；而实际上考虑到传输数据的大小已经传输模块的功耗和通讯费用的问题，最终选择了现阶段非常成熟的GPRS通讯技术。

第四代远程数据采集系统的基础条件已经具备。该系统的主要特征是采用移动通信技术、Internet 技术、面向对象技术、神经网络技术等技术，继续扩大数据采集系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要。

1.2设计内容

空气颗粒物采样器远程数据采集及控制软件设计的主要内容就是解决数据远程采集与控制问题，采样器是本人实习单位上海仪器仪表研究所研制空气颗粒物采样器，利用切割器以固定流量获取空气中气溶胶颗粒后，利用采样器的筛选、过滤从而获得符合研究要求的颗粒物，并在线称重获得颗粒物数据，利用单片机STM32进行处理分析从而获得所需颗粒物浓度数据。同时单片机STM32也要控制GPRS模块将数据从采样点传输到监测中心，这样就解决了单位之前无法远程监测采集数据的问题，更加推进空气颗粒物检测体系中应用信息采集、数据处理、信号控制等方面的仪器智能化。

本项目最终需要建立起一套空气颗粒物远程监测系统，远程数据监测系统的建立可以提高整套系统自动化程度，也为监测中心的使用提供便捷性，进一步在信息交换、远程监控等过程中体现系统化和网络化；初步建立起空气颗粒物实时监测的在线模式，更好的服务于空气环境监测分析领域。

2 系统方案设计

2.1概述

颗粒物浓度监测运用于许多场所，市面上可供选择的颗粒物传感器也很多，而大部分都是光散乱法测试、显微镜法测试或惯性法测试等等，由于这些测试方法对测量环境要求较高，而颗粒物监测通常都是处于较恶劣的室外环境中，同时还要求实时监测，无法满足于测试要求。相比而言，称重法就可以很好的克服这个缺点，PM2.5切割器是整个监测设备的核心部件，能否实现对PM2.5的准确采样将直接关系到整个课题的成败。根据空气动力学原理：空气进入喷嘴后，由于通路截面积变小，流速加大，气流以很高的速度从喷嘴喷出；气流中的粗大颗粒惯性较大，撞击在挡板上而被阻挡；而细小颗粒由于惯性小，不能到达挡板，随气流向下，被滤料捕获。其技术关键在于建立一种机械结构，其挡板的孔径以及管路的长短要满足空气动力学细颗粒物的运动规律，并保证空气能以一定的速度进入采样器。之后再进行在线程中即可获得颗粒物浓度数据。

颗粒物浓度数据采集后经STM32单片机处理，之后送GPRS模块，通过GPRS网络发送出去，再利用电脑等终端设备接收并折线化数据，可以实现实时数据传输，安全有效。GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，GPRS则是GSM的一种延续，同时数据传输速度的提升让GPRS优势更加明显。对比与3G网络甚至于现在广泛使用的4G网络来说，其传输速率可能还是很低，4G网络甚至可以达到100Mbps。但是GPRS快捷方便而又廉价的特点为工业远程监控提供了新的手段，利用GPRS进行远程监控具有投资少、成本低、可靠性高等特点，在一些对操作和监控的实时性要求不高的情况下具有很高的性价比。相对于本实验的数据传输量来说，完全可以达到要求。随着GPRS通信模块价格和通信费用的不断降低，GPRS正在成为一种廉价、高效的无线数据的双向传送，无线远程检测的解决方案。

2.2系统组成

2.2.1数据采集模块

安装在测量点的数据采集模块主要由PM2.5切割器和单片机两部分构成，PM2.5切割器由上海仪器仪表研究所研制，首先通过中流量抽风机获得空气颗粒物，再利用独特的结构设计以及对流量合理的控制，对空气颗粒物过滤并采集合适粒径的颗粒物，最后则是在线称重并利用单片机处理获得数据，现场采用led显示屏显示，当越限时现场报警。仪器外形图如图2-1所示。

                         图2-1 仪器外形图片

2.2.2数据传输模块

数据传输模块以SIM900A为通讯芯片，属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装模式，可低功耗实现数据和信息的传输。同时内嵌TCP/IP协议，支持TCP/UDP通信，支持FTP/HTTP服务。为了保证数据传输的稳定性，采取的是TCP通讯模式，在通讯时首先建立连接，然后进行数据传输。同时根据系统要求建立了GPRS/空气颗粒物采样器终端通讯协议，通讯时安装相应协议传输，提高了系统的规范性，数据传输模块图如图2-1所示。

图2-1 数据传输模块实物图

2.2.3监测中心数据处理

监测中心方面接收到空气颗粒物采样器终端发送来的空气颗粒物浓度数据后进行判断，如果符合通讯协议就先存储到建立的数据库中，之后在进行数据处理，折线图显示的同时自动判断是否超出警戒值，如果超过就报警提醒。监测中心设计方面主要通过Visual Basic 6.0实现，可实现数据的实时显示和数据查询。

3. 空气颗粒物采样器的硬件设计

3.1 PM2.5切割器

3.1.1设计设计指标

根据项目计划任务书的要求，其设计的主要指标如下：

（1 采样流量：Q=100~120L/min;

（2 切割粒径：dp50=2.5±0.5μm；

（3 捕集效率的几何标准差：

（4 采样流量的控制精度：±8%。

其中，dp84.1、dp15.9分别是收集效率为84.1%、15.9%时所对应的颗粒直径。σg又称为冲击器的切割锐度（Sharpness）

3.1.2切割器工作原理

撞击式切割器主要由冲击板和采集板组成。如图所示根据空气动力学原理，气流在通过冲击板时，由于通路截面突然减小，就会造成流速加大，因此颗粒物与气流会以相同的高速度从孔口流出，但是底部是与气流方向垂直的收集板，之后气流方向改变，而气溶胶颗粒由于本身惯性大于气流本身，则改变方向滞后于气流，颗粒物越大则动量越大，滞后就越明显；在相同流速下，当颗粒物动量超过某一临界值时就会在未能完全转变方向时撞击在收集板上。而小于临界值的颗粒物就会随气流绕过收集板，被接下来的滤膜捕获；空气流动图如3-1所示。

图3-1 空气流动图

3.1.3切割器设计要点

根据空气动力学中微粒的运动规律，在设计过程中，有四个参数是要重点研究的。首先是孔的宽度W，它是切割粒径的主要保证，宽度越小，孔口流速越大，颗粒物的动量越大，能够绕过收集挡板的颗粒物粒径就越小。但孔越小，采样效率就相应降低，而且加工难度也越高。其次是孔与收集挡板的间隙S，它是决定切割粒径的又一个重要参数。在孔的宽度一定时，间隙越小，能够绕过收集挡板的颗粒物粒径就越小。再次是孔深T，合理的孔深将保证颗粒物运动的方向，提高颗粒物采集的效率。

在上述三个条件能满足切割粒径的要求后，冲击板通孔总截面积就将决定允许通过的气流流量的取值范围。由于本课题研究的是中流量的采样器，所以总截面积应大于300mm2。也由于惯性切割器的工作原理所限，切割器的设计还不得不考虑三个问题：收集表面的颗粒反弹、收集板的过度沉积（会导致颗粒被重新吹起）、分级性能变差（如由于颗粒的级间损失）。

减轻颗粒反弹的通常做法是在撞击板上涂上粘性物质，如油脂或原油等，而为了驻留这些涂层，通常将收集板做成多孔状。目前，切割器中广泛采用的有：孔状金属盘片、孔状玻璃纤维薄膜、聚四氟乙烯膜滤器。采用任何一种收集板，都或多或少存在过度沉积的问题。收集板（采集板）往往在捕集了一层颗粒之后，接着进来的颗粒将撞击在这些颗粒上，而发生反弹。所以，冲击板的容量要足够大，以保证较长的采样时间内都具有较高的捕集效率，尤其在高负荷情况下。适当的组织切割器的内部结构，减少死角，保证气密性，能有效防止颗粒级间损失。

3.1.4切割器的结构设计

根据以上的要点分析，我们初步确定了下列数据作为切割器的基本参数，见表3.1。并以此设计了如表3-1所示的冲击板和图3-2所示的收集板，加工成如图3-3所示的切割器样品。

表3-1　PM2.5切割器的设计参数

图3-2　PM2.5切割器的喷嘴平面布置

图3-3   PM2.5切割器收集板结构图

图3-4　PM2.5切割器

样品的完成，仅仅是理论上的计算结果，能否满足我们设备的需要，还需要通过标定。在这个过程中，主要评价不同情况下切割器的切割特性。在其他参数不变的情况下就碰撞距离S以及采集板的碰撞材料（硬质铝板、PUF材料）作出评价。在标定过程中，为了评价碰撞距离S的影响，利用喷嘴板与采集板之间铜柱的长度来调节碰撞距离S（如图3-4）；通过更换采集板（如图3-5）来评价不同碰撞材料的影响。

图3-5　用来调节碰撞距离S的铜柱

3.1.5采集板材料的选择

除了结构以外，材料的选择也至关重要，尤其对于采集板来说，不同材料将直接对切割器的采集效率起到十分关键的作用。采用硬质采集板的采样器，主要缺点是：采集板的容尘量有限，存在严重的颗粒反弹和重新吹起。为了减轻反弹和重新吹起，采集板通常采用矿物油、或者脂类等粘性物质涂层，研究表明硅油是比较理想的涂覆物质。但这种采集板的收尘容量仍很有限，采样器的收集效率取决于采集板的收尘量。采用多孔的PUF（聚氨酯泡沫）材料能在保证切割性能的基础上，获得更大的容尘量。而且PUF的性质较为稳定，化学背景值较低，具有很高的收集效率。采集板如图3-6所示。

图3-6　硬质铝板与填充PUF材料的采集板

3.2 GPRS模块与STM32接口设计

3.2.1 GPRS模块简介

本设计中所使用的GPRS模块是由公司设计的ATK-SIM900A构成，模块使用SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块：SIM900A，工作频段双频：900/1800Mhz，可以低功耗实现语音、SMS 、数据和传真信息的传输。

3.2.2 外围接口电路及单片机连接

SIM900A模块中本身具有GSM/GPRS两种通讯模式，而两种通讯模式时需要利用串口外界设备，与STM32进行连接，这样就可以完成单片机与通讯模块的连接。本身除了外围进本电路还要预留SIM卡槽，而在SIM卡选择方面最好以移动通讯卡。GPRS模块原理图如图3-7所示：

                       图3-7 GPRS模块电路原理图

其中主要就是MAX3232电平转换，其作用是将单片机输出的TTL电平转换成PC机能接收的232电平或将PC机输出的232电平转换成单片机能接收的TTL电平，RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为 15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的RS232（9针）接口通信。

STM32电路设计方面需要保证的就是要处理空气切割器测量到的重量数据并处理为浓度数据，之后就是STM32与GPRS的通信，STM32方面预留了USB232接口，SIM900A上预留串口，两者通过USB转串口线连接。同时增加CAN模块，CAN总线网络方便的实现了个节点的数据信息的接收和发送，也可以实时采集其他测量模块的传感信息。STM32电路原理如图3-8所示，STM32电路PCB图如3-9图所示：

                           图3-8 STM32模块原理图

图3-9 STM32模块PCB图

4 空气颗粒物采样器软件设计

4.1 总体设计

软件设计是实现正确获取颗粒物浓度的关键，只有将软件设计的合理，系统才会有序的工作。颗粒物浓度的软件设计根据硬件的连接，也可分为两部分，一是颗粒物浓度的采集和处理；二是数据的传送。

由于汇编语言的可读性及可维护性差，且在没有很好地注释下，代码的移植率很低，因此就会给项目带来一定的阻碍。而C语言可以很好地解决这个问题，使整个空气颗粒物检测站点的程序在可控下工作，系统的软件用软件Keil μVision4编写，同时编写时有良好的编程习惯使得系统的可读性和可移植性大大提高。其设计方法与硬件设计相对应，采用模块化的设计思想，将该部分设计划分为相应的程序模块，分别进行设计、调试，增强了程序的可移植性。

4.2主程序设计

它主要是实现各模块程序的链接，通过调用各个程序模块来实现功能。首先，程序开始，初始化单片机和GPRS模块，在空气切割器获得空气中颗粒物后进行过滤得到所需PM2.5；在线称重后根据相对应的函数获得空气颗粒物浓度数据，判断处理好的颗粒物浓度数据是否越限，若是则现场报警，再送LED显示屏，若否，直接送LED显示，并通过GPRS模块将数据发送至监测中心，利用接收子程序判断是否已将数据成功发送，若是成功发送，等待发送下一次数据，若不成功，则重发1次，共发送2次，避免程序陷入死循环。

程序流程图如图4-1所示

。

图4-1 程序流程图

4.3 SIM900A模块TCP数据传输设计

4.3.1 GPRS和GSM模式选择

SIM900A模块通讯方式主要有两种，一种是GSM短消息传送，另外一种则是GPRS（通用分组无线业务）传送，之所以选择GPRS通讯模式其原因主要有以下几点：

（1）实时在线的双向数据传输

  GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。GSM通讯原理是用户发送短消息先到监测中心的服务器中，然后监测中心对所有受到的短信进行排队处理，按照顺序再发送到相对应的接收用户。其中消耗了一些不必要的时间，更不用说接收用户关机或者超出服务区不能正常通信时，短消息的延时重新发送的耗时，并且延时后重新发送的短信有可能排在正常短信之后，这样就可能造成后发短消息先到的情况，这对于工业控制来说很有可能带来不可预知的错误。

  相对于GSM来说GPRS分组交换技术就具有“高速”和“永久在线”的特点，实时在线的特点可以使用户与网络一直处于保持连接状态；简单的说，用户与网络之间即使数据传送，也可以一直保持连接状态，不但可以从用户一侧发送数据，还可以从网络随时启动各种业务；而并不需要普通拨号那样实现建立连接，是种双向数据传输的方式。

（2）高速度传输

GPRS 采用分组交换技术，数据传输的最高速率可以达到171．2kbit／s，这种速度下已经完全可以满足数据传输甚至是图片传输的任务，但 171．2kbit／s的理论值是在采用CS－4编码方式且无线环境良好、信道充足的情况下实现的。现实中所使用的GPRS通常受网络编码方式、终端差异、网络环境等诸多因素的影响，目前GPRS用户的接入速度还在40kbit／s以下，在使用数据加速系统后，速率可以提高到60kbit／s～80kbit／s左右。尽管如此与GSM方式相比速率也是大大提高。GSM中心服务器为每个用户需要开设缓存区，约15~25条，当缓存区已经存满时将不再接受新的短消息。因此则会造成短消息阻塞，数据丢失。

（3）收费合理

GSM短消息方式所采用的收费方式是按照条数来计费，则一条短消息在不超过单条短信上限时固定收费；那么如果实现实时监测的话就要求不断的发送接收信息，这种收费方式显然不适合监测系统。且整个连接期内，用户不管是否传输数据都会占用无线信道。而对于分组交换模式GPRS来说，用户只有在传输数据时才占用信道资源，也就是说多个用户可同时共享一条无线信道，提高了资源的利用率。且其收费标准按照数据量为依据，这种方式避免了例不必要的开支；当没有监测任务时，即使没有断开连接也不会产生费用。

（4）支持IP协议和X.25协议。

GPRS模式支持现在网络通用的IP和X.25协议，这就为连接对象提供了更可能性，GSM模式只可以在移动通讯之间使用，而IP协议的加入就可以实现PC至检测模块的通讯，因此也就有可能实现手机监测数据采集。

4.3.2 GPRS通讯组网方式的选择

虽然GPRS模式选择的是使用IP协议，但是由于现在多数用户使用路由器转发出的无线网络，这种方式IP大多属于自动分配的内网。GPRS主要组网方式有五种：

（1 公网固定IP方式

这种方式主机直接接入公网，即接入Internet，接入用户拥有固定IP地址。这种方式下，终端机发起连接登录GPRS网络后就获得这个IP地址，将这个IP发给主机。由于终端机的IP地址是GPRS内网IP，所以经过GPRS网络的NAT（Network Address Transfer）服务器进行地址转换，之后主机和终端机之间就可以通讯。

（2 公网动态IP

主机接入公网，但是IP地址是动态的，这就要借助公网动态DNS（域名解析服务器）。监测点要先连接DNS服务器，再有DNS服务器找到主机动态IP连接。

（3 GPRS专线方式，主机使用GPRS专线接入网络。

（4 GPRS动态IP

（5 绑定IP地址方式

在使用GPRS网络组网时如果检测中心和终端都是采用动态IP方式是无法建立连接的。由于GPRS无线接入动态IP方式较为容易，建设费用和通讯费用都相对合理，建议选择这种通讯方式。同时监测网络中大多是一台服务器检测多个终端，所以合理的方式就是终端无线接入动态IP，而服务器采用静态IP地址。

公网固定IP的GPRS组网结构如图4-2所示，检测中心服务器通过宽带接入Internet，从未具有静态IP地址。这种方式下由远程终端发起连接，预先需要知道服务器IP地址，主动向数据库服务器建立面向对象（TCP）的通信机制，这样主机就可以与终端直接实现通讯连接了。

图4-2 公网固定IP的GPRS组网结构

4.3.3 TCP数据传输的原理

  在实际应用中，使用GPRS网络的用户一般选择TCP或者UDP传输协议。UDP传输方式不提供可靠性连接，它仅仅是把IP层数据发送出去，但是并不保证其到达目的地。也就是说UDP连接方式并无法保证传输的准确性；TCP方式与UDP连接方式完全不同。TCP提供一种面向连接的可靠字节流服务；TCP先将需要传送的数据构成报文段，并在发送数据后启动定时器，等待对方确认接收数据，另一端对收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复的数据。TCP提供端到端的流量控制，并计算和验证一个也强制性的端到端检验。

面向对象连接要求键连接的双方首先要建立TCP连接，之后才能进行数据的传输。对于其连接过程，TCP用三个报文段完成连接的建立，该过程也称为三次握手。而终止一个连接则需要四次握手。此外，数据发送需要结果接收方确认，并有超时重传机制。因此，TCP在传输中提供了可靠的通讯保障，不过这样略微增加了网络付出，在通讯费用中有一定的增加。

4.3.3 GPRS/颗粒物采样器终端通讯协议

在GPRS模块与监测中心通讯时需要建立一个完整的应答系统，其中本系统主要功能如下：

（1 开机后可以实现自动拨号，只要设置的GPRS中心IP地址有效且处于通讯信号范围，就可以实现与中心的数据通信。

（2 通过GPRS回传给检测中心SIM卡号及检测数据，其中终端SIM卡号唯一，则可卡号进行区分。

（3 掉线后自动连接，保证处于永久在线状态。

（4 终端有自主回传数据、监测中心呼叫回传、停止回传模式。默然设置自动定时回传数据，当检测中心发来回传指令时，终端进入中心呼叫回传模式，这种模式下，检测中心发送一个指令才回传数据信息。

（5 自主回传模式下采用固定时间回传，检测中心也可以设置固定回传时间。

（6 终端可以设置回传IP，可以远程控制终端重启。

（7 终端需要有数据缓存功能，GPRS离线或者阻塞时，自动保存固定回传的轨迹，通讯恢复时再自动补发，这样不会有GPRS阻塞引起数据中断。

主要通讯协议如下：

（1）设置连接登录包

终端启动后根据当前设置的IP地址还有设置的通讯端口号，连接后发送登录包，协议中发送数据为2进制，所有的数据包括回传时间间隔、2字节的流量等都采用Little Endian格式，也就是低字节存放在内存的低位，发送时先进行判断，如果没有0x1a则直接发送；如果有就用不包含的字符代替，并且在包尾增加0x1a，说明是这个字符代替了0x1a。该包中数据里的命令也相应变化，在原来基础上加上0x20。登录包格式，终端->检测中心：如表4-1所示。

表4-1 登录包格式

例如：09^1a^01^00^01^08^07^58^02=46,1号终端30分钟自主回传一次，心跳包发送间隔10分钟，所发送的登录包校验和为0x46。

（2）登录包确定

中心收到终端的登录请求，记录下ID，并回传登录确认包给终端，然后终端进入正常工作模式，检测中心->终端。登录包确定格式如表4-2。

表4-2 登录包确定

（3）发送流量数据（不区分自主回传还是呼叫回传，默认自主回传间隔5分钟），信息包格式，终端->检测中心。格式如表4-3所示。

表4-3 发送数据流量

（4）呼叫回传命令，检测中心呼叫终端，立刻回传数据，检测中心->终端，呼叫回传命令格式如表4-4所示。

表4-4 呼叫回传命令

相应终端接收到呼叫命令后就会发送数据至检测中心，发送格式与命令0x1b相同。

（5）中心设置自动回传时间间隔命令，中心->终端，中心设置自动回传时间、间隔命令如表4-5所示。

表4-5 中心设置自动回传时间

终端接收到信息后设置回传时间，并回复确认命令给监测中心，终端->监测中心，回复回传命令如表4-6所示。

表4-6 中心设置自动回传时间

（6 监测中心发送重启命令给终端，监测中心->终端，如表4-7所示。

表4-7 重启命令

终端收到重启命令后，首先发送确认包，然后会在相应时间内重启终端，终端->监测中心，如表4-8所示。

表4-8 确认重启命令

（7 监测中心设置IP和端口指令给终端，由监测中心->终端，如表4-9所示。

表4-9 设置IP和端口

终端接收到命令后会发送一个确认包给检测中心，然后30s内关闭当前连接并尝试使用新的ip地址和端口号进行连接，若没有连接成功，则重新连接旧的连接方式。确认包如表4-10所示。

表4-10 确认设置IP和端口

在发送数据之前会检测数据中是否包含0x1a，如果没有直接发送；如果有0x1a，则找这个数据包中不包含的字符替代，并在句尾增加这个字符，说明是该字符替换了0x1a。数据包的命令字也发生相应变化，在原来基础上加上0x20。如终端回传中包含0x1a，格式如下表4-11所示。发送数据命令（原本为0x1b）：

表4-11 发送0x1a

中心发送设置IP和端口重新连接命令（0x20），格式如表4-12所示。

表4-12 发送带有0x1a的设置IP端口命令

5.监测中心

监测中心可以用PC机作为终端，接收并显示数据信息。但是关于网络选择上必须是具有公网IP的电脑。GPRS模块上自带电平转换模块，所以不需要另外添加。检测中心软件设计方面主要由VB编写，除了正常界面实现数据显示、数据查询外，主要考虑的就是数据传输问题；其中采用Winsock控件进行网络编程。

5.1 VB软件设计

5.1.1 WinSocket控件在TCP应用中的使用

TCP应用之中，其数据传输协议是允许创建和维护远程计算机连接的。首先我们需要知道服务器计算机名/IP地址和通信端口，我们首先将Winsock控件上的Remote Host属性和Remote Port属性与服务器端设置相等，然后用Connect方法连接；当有连接请求时，服务器就会产生ConnectionRequest事件，并调用Accept方法来完成。发送方就是用SendData方法发送，接收方调用DataArrival事件，用GetData方法获取数据，至此一个简单的连接就建立完成。

TCP与UDP最大的不同之处在于TCP是一个面向连接的协议，在进行数据收发之前TCP必须进行连接，并且在收发的时候必须保持该连接。

发送方的步骤如下（省略了Socket环境的初始化、关闭等内容）：

（1）.用socket函数创建一个套接字sock；

（2）.用bind将socket绑定到本地地址；

（3）.用listen侦听socket套接字；

（4）.用accept函数接收客户方的连接，返回客户方套接字clientSocket；

（5）.在客户方套接字clientSocket上使用send发送数据；

（6）.用closesocket函数关闭套接字sock和clientSocket；

而数据接收方的步骤如下：

（1）.用socket函数创建一个套接字sock；

（2）.创建一个指向服务方的远程地址；

（3）.用connect将sock连接到服务方，使用远程地址；

（4）.在套接字上使用recv接收数据；

（5）.用closesocket函数关闭套接字sock；

5.1.2 建立连接

客户端与服务器都建立好之后就可以进行连接的建立了，首先是服务器端程序用控件listener监听客户端；当客户端使用Connect方法时，启动Client控件与服务器连接，之后服务器便等待连接请求，Listener控件触发ConnectionRequest事件，动态的分配没有被使用过的Server控件，并调入当前的连接，至此就接收了客户端请求，同时也对服务器窗口连接显示并赋值，完成连接。

5.1.3数据传输

当连接建立过后，数据传输便可实现。客户端执行Client的SendData方法，相服务器发送相应的数据，而服务器触发Server控件的DataArrival事件并执行GetData方法接收客户端数据，这样就可以在界面看到数据。同时服务器又执行SendData方法，将数据返回给客户端，客户端Client控件触发DataArrival事件也可以接收到服务器发来的数据，至此就可以完成数据传输过程。

5.2数据库设计

数据库的设计主要是针对于收发的数据，一方面需要界面显示测得的颗粒物浓度数据，另一方面则是积累采集数据，以便检测人员进行数据查询和历史查询工作。这些操作可以大大的简化检测人员的操作；同时本检测中心需要监测多个数据采集点，这就要求需要进行区分，例如GPRS模块SIM卡号、设备号码、空气颗粒物浓度数据、时间等等；这些都需要存在数据库中，以便区分和查询。数据内容如表5-2所示。

表5-1 数据库内容

5.3 界面设计  

界面设计方面主要是两点，一是传输过来的数据在界面的展示问题。二就是数据的处理，包括存储、查询等任务的完成。数据展示方面主要是利用到Chart控件，原本最初使用控件MSchart，利用Excel的内核来绘制简单的统计图。但是要求必须要绑定数据控件，从SQL或者Access中绑定数据。那么传输过来的数据就要先存储到数据库中，然后再调出利用控件展示。数据库方面使用了Access数据库，同时在还需要数据界面展示，其中又添加了ListView控件，从而可以达到表格展示内容，同时还添加了数据查询功能，可对历史数据进行查询。界监测面图及数据库图如5-1,5-2所示。

图5-1 监测界面

图5-2 数据库界面

6.结论

经过了大约两个多月的设计和调试，终于初步实现了GPRS远程控制监测和数据传输。其中也遇到个许多困难以及自己所没有接触过的知识领域，最终也是都一一解决了，其中到的主要问题大都是通讯和调试方面。早在最初设计时有想过GSM通讯方式，在企业导师的指导下意识到GSM通讯的局限性，同时考虑到3G以及4G通讯的昂贵，最终选择了非常成熟而且可以满足项目传输需求的GPRS通讯，调试的硬件图如图6-1所示：

图6-1 硬件调试图

通信方面主要是GPRS模块的设计还有最终IP地址的问题，项目开始初期考虑到项目周期较长，本来没有打算加入硬件设计，计划使用项目现有电路板。调试后发现原本电路及接口设计并不合理，最终在王老师技术指导下自己完成电路图的绘制和制板。系统调试过程中遇到了一些小小的问题，由于单位无法获得公网IP，从而导致项目滞后了大约2周时间，最终查阅资料设置路由器才得以在实验室调试成功，同时在通讯协议的制作之中也遇到了一些困难，对于发送信息及自动回复方面无法理解，最终也是查阅资料彻底了解TCP通讯协议后加上技术指导才得以解决。

最终设计出的系统包括检测中心和数据采集站点两部分。检测中心能够成功的接收到现场的数据并保存到数据库中，同时可进行数据查询，且可以进行实时监测空气颗粒物采集,基本上完成了远程数据采集任务。整个项目完成下来对空气颗粒物切割器项目的自动化和信息化有了一定的推动作用，同时也提高了检测中心使用的便捷性，整体来说达到最初预期。

致谢

  本设计从拟定题目到设计完成一共用了大概4个多月时间。在设计完成之际，首先就是要感谢我的导师王漫教授。在论文写作中，王漫导师对我进行了耐心的指导，同时也正是王漫导师的专业知识和严谨的科学精神在指导着我，让我学到扎实专业知识的同时，也获得了许多企业实习的经历。尤其是王漫导师认真负责和实时求实的态度让我印象尤其深刻。在此我谨向王老师表示衷心的感谢。

  同时就是要感谢企业指导教师吴维华教授，自从去年7月份开始就一直在吴老师的指导下在上海仪器仪表研究所实习；这段时间我从一个队企业、社会一窍不通的小白到现在初入职场，这其中离不开吴老师的耐心指导和关照。从他的身上不仅学到了作为研发人员所具备的严谨、实时求实和坚持不懈的科学精神，还学到了社会经验和人际交往的锻炼。这是我从学校迈出的第一步，也是最坎坷的一步，在吴老师的照顾下我深感荣幸，在此再次向吴老师表示深深的谢意。

  在感谢导师的同时，不能忘记各位专业老师的授课和专业讲解，正是他们孜孜不倦的教学、授业，让我们学到了扎实的专业知识，或许这些知识理论，但在今后的工作生涯中会起不可或缺的作用。也要感谢我的同班同学周凯同学，在论文修改方面给我提了许多意见和建议，更是抽出宝贵时间对我的论文进行审核。更要感谢的是我的母校上海第二工业大学，是它让我在更好的教学环境下学习生活，让我得以在实验室学习、探讨。让我的人生顺利的迈开了人生的第一步，相信这将会成为我人生中精彩的一部分。

参考文献

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[2]王志伟.基于Socket的GPRS 远程数据采集方法.西安大学学报:自然科版,2006,25(1)：37-39;

[3]齐向阳. 基于Internet生产线控制系统的远程数据采集研究.河北工业大学,2005

[4]唐娜.解析基于无线移动通信网络和Internet网络的远程数据采集与控制系统的设计，科技研究,2014

[5]曲丽娜. 基于STM32的嵌入式GPRS网络远程数据采集控制系统设计.煤炭技术，2015,32（8）:198-198

[6]苟争旭.基于GSM和ZigBee的远程无线数据采集系统.通信技术，2011,44（8）：71-73

[7]杨素英.基于GSM短消息的远程无线数据采集系统的研究与设计，重庆工学院学报：自然科学社,2007,21（11）：103-105

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[9]郭皓. 远程数据采集控制分布式系统设计.微计算机信息,2006,22（16）：137-138

[10]庞文尧. 基于C/S模式的远程控制系统研究开发.浙江大学.2003

[11] Raul Ionel;Gabriel Vasi;Septimiu Mischie.GPRS based data acquisition and analysis system with mobile phone control.Measurement,2012,45(6)

[12] Pietari Pulkkinen ;Mikko Laurikkala; Quality management in GPRS networks with fuzzy case-based reasoning.Knowledge-based systems,2008, 21(5)

[13]Walke,B.H. The roots of GPRS: the first system for mobile packet-based global internet access.IEEE wireless communications,2013, 20(5)

附录A 毕业设计企业现场

企业简介：

上海仪器仪表研究所（简称上仪所）成立于一九六四年，县隶属于上海科学院，是上海市重点研究所之一。上仪所拥有研究开发中心、机械工业电工仪器仪表产品质量检测中心（上海）、机械工业第二计量测试中心站（上海）、一个机械加工中心和两个由所投资的有限责任公司。上仪所是中国仪器仪表学会理事单位及电测分会副理事会单位，上海仪器仪表学会副理事长、秘书长单位，上海市仪器仪表学会挂靠单位；是中国仪器仪表行业协会理事单位及电工测量分会副理事长单位等等；是全国电工仪器仪表标准委员会三分会主任委员单位秘书处挂靠单位。

企业导师简介：

吴维华，男，高级工程师，1993年上海交通大学检测技术及仪器专业本科毕业，工程硕士。目前担任上海仪器仪表研究所副总工程师兼研发中心主任、上海电工仪器及测控系统专业技术服务平台副主任，是中国电工仪器仪表标委会三分会委员。

工作照左侧坐着的是为学生王思远，右侧站立的是吴维华导师。工作内容为正在进行电路板焊接工作，导师在进行焊接指导。

附录B 光盘资料说明

目录结构：

光盘中共有3个文件夹，分别为论文、学生手册、和课题项目。

包含的文件为：

一、论文

1、论文---12计科C1---20124832201 王思远。

二、学生手册

1、学生手册---12计科C1---20124832201 王思远

三、课题项目

1、空气颗粒物采样器远程数据采集及控制软件设计项目程序文件。

2、空气颗粒物采样器远程数据采集及控制软件设计中GPRS模块及STM32模块电路原理图及PCB图纸。

附录C

GPRS/颗粒物采样器终端通讯协议参考表，如表附C-1所示。

表附C-1 GPRS/颗粒物采样器终端通讯协议参考表