基于RAM的环境数据采集系统

高 战，袁 毅，乔云娇，田 鹏

（1. 江苏出入境检验检疫局机电产品及车辆检测中心，无锡 214000；2. 无锡华认检测技术服务有限公司，无锡 214064）

基于RAM的环境数据采集系统

高 战1，袁 毅1，乔云娇2，田 鹏1

（1. 江苏出入境检验检疫局机电产品及车辆检测中心，无锡 214000；2. 无锡华认检测技术服务有限公司，无锡 214064）

为了实现环境质量实时监测任务，给出了一种基于ARM处理器和GPRS数据传输系统，开发出一套环境质量多点数据采集系统。实现了对液位、浓度、流量、pH值、风力、风向、光照强度等相关环境参数的实时测量，满足了实时性好、抗干扰能力强、稳定性强、低功耗的需要，并且该环境数据采集系统成本低、移植性好，自带供电系统，无需外部供电，能够适应各种被测环境，具有良好的自适应能力。数据通过GPRS通讯系统向监控中心传输实时数据。

ARM；PGRS；数据采集

引言

随着现代农业生产自动化程度的增加，在生产过程中常常需要对水源质量、温度、湿度、风力、风向、光照强度等环境参数进行监控。通过采集灌溉水渠内的水位、水温、流速等水体参数，从而分析灌溉用水的质量；通过采集化肥、农药的浓度、PH值等参数，以满足生产需要。通过采集大棚内的温度、湿度、光照强度等参数，从而了解农作物的生长环境。通过以上措施为生产人员提供实时可靠的数据，为生产过程把控提供依据。

目前工业上常用的数据采集方式是使用单一的数据采集模块，在本地采集本地显示。但是我国农业已向大规模化、综合化的生产模式方向发展，所需要采集的数据量极大，数据采集点极多。如果仍沿用常规的采集方式，则需要大量的数据采集模块，不仅安装麻烦，易受到模块之间的电磁干扰，而且由于受到数据传输方式的限制，其所需要的配套设施将会更加繁琐。

嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统，以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。使用GPRS传输数据能够减少现场通讯线路的铺设。综上所述，采用嵌入式系统能够较好的完成农业生产中的数据采集任务。本文设计了一种基于ARM处理器和GPRS数据传输的嵌入式数据采集系统[1]。

1 系统总体结构设计

如图1所示，数据采集电路由模块化设计，可以任意匹配传感器类型及型号。传感器包括风速传感器、风向传感器、温度传感器、湿度传感器、液位传感器、流速传感器、光敏传感器、浓度传感器、PH值测量仪。传感器将环境参数转化为电信号，信号类型参见表1。数据采集模块兼容了所有传感器的接口，接受传感器发来的电信号，通过运算将电信号转化为便于传输的数字信号。

ARM处理器根据既定程序对数据进行处理，得到相应的报警值、动作指令等数据。经过ARM处理后的数字量信号就可以通过GPRS通讯模块进行远程数据传输，一部分动作指令可以直接控制末端操作机构（如电磁阀、加热器、风机等），另一部分可传送给远端的监控中心。

同时，重要的数据能够在ARM嵌入式系统中存储，便于工作人员调用。只要在传感器、RAM嵌入式系统及远端监控中心之间建立相应的通讯协议，数据就能够自由交换[2]。

2 系统硬件设计

系统中包含了核心电路、电源电路、数据存储模块、GPRS通讯模块、复位电路、系统时钟电路、数据采集电路、按键电路、显示电路等。如图2所示。

2.1 嵌入式系统

嵌入式系统有一下几个特点：

图1 系统结构框图

表1 传感器列表

图2 系统工作原理图

图3 传感器测试过程

1）嵌入式系统一般应用于小型电子设备，其结构简单，系统资源相对有限，针对性较强，低功耗低成本是嵌入式系统的极大优点。

2）嵌入式系统功能性很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，处理单一功能的速度极快。

3）嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的区分，简化了软件设计，有利于控制设计成本，同时也增强了系统的稳定性和可靠性。

4）嵌入式系统使用固态存储机制，以提高运行速度，使用固态存储机制能有效提高系统的安全性。

5）嵌入式系统可以保持长时间运行稳定，支持在线升级软件，具有较长的工作运行生命周期[3]。

2.2 数据存储

在本系统中，采用Flash存储，存储内存包括了以下内容：水温、水位、温度、湿度、风力、风向、光照强度、PH值等；系统当前时间；各种数据的上下限参数值；实时上报时间间隔；上报数据时间；采集频率等。

数据根据时间顺序存储，60 s为1个记录周期。如果某个传感器没有数据则其数据位以符号“—”表示。采集时间间隔远小于存储时间间隔，如在采集周期内触发报警值，则立刻触发存储功能并发出报警信号。数据存储在EEPROM的物理位置如下：

系统初始化值：0x0000—0x0010

系统口令： 0x0011—0x0017

当前传感器： 0x0018—0x001f

当前数据值： 0x0020—0x0027

当前时间： 0x0028—0x0037

累计时间： 0x0038—0x0047

报警值： 0x0048—0x0057

2.3 人机界面设计

人机界面可以直观的显示各个参数及系统的运行状态，界面还设计有曲线图，可以清晰地描述各个数据的变化过程。操作人员可以通过人机界面有效地分析整个环境因素并制定有效地调整方案。实现人机智能化操作的目的。

图4以温度、湿度界面为例，操作人员可以通过人机界面设置参数的上下限报警值。

2.4 电源设计

系统的工作电压为DC24 V。系统内部使用蓄电池提供基础电源，外部使用小型太阳能电池板供电。系统启动时由蓄电池激活太阳能板，使其达到工作状态；工作时系统由太阳能电池板提供电源；待机时，太阳能电池板可为蓄电池充电。本系统以低功耗器件为主要原器件，在光照较少的情况下（如阴雨天气），蓄电池可满足系统在15天内正常工作[4]。

太阳能电池板的输出口接有稳压电路，确保电源的稳定性及可靠性，保护系统电路免受电压冲击。蓄电池的剩余电量以及太阳能电池板的工作状态经由数据采集电路反馈给核心处理器，操作人员可以通过人机界面查看电源的工作状态，并作出相应调整[5]。

3 系统软件设计

嵌入式开发是一种跨平台开发，我们通过KEIL4企业版作为平台，通过交叉编译，PROTEL-DXP、CAD工程制图、ST-LINK、串口调试、仿真器等工具完成设计。本系统的软件以KEILC4为开发平台，编写应用程序。如图5所示。

图4 温度、湿度人机界面

图5 系统软件流程图

在嵌入式系统中，首先需要对ARM进行初始化设置，将数据端口与传感器一一对应；将控制端口与操作机构设定映射图；嵌入式系统需要给监控中心传输的数据地址也需要在初始化阶段进行设置。可以通过初始化程序（Boot. LOADER）对硬件设备进行初始化设置、建立内存空间的映射图。从而将系统的软、硬件环境设定在一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核、运行用户应用程序准备好正确环境[6]。

系统软件流程图给定了系统运行方案，系统工作时按照软件流程图的顺序进行启动、采样、计算、计时、中断、存储、输出等工作。

4 通信协议

GPRS数据发送接口协议见图6。

5 结束语

本嵌入式环境数据采集系统采用了ARM处理器，可以使系统小型化，便于提高性能、降低成本，能满足实时性好、抗干扰能力强、稳定性强、低功耗的需求。本系统采用了太阳能电池板作为主要供电电源，实现了安装简单，环境适应能力强的特点。使用GPRS传输数据能够减少现场通讯线路的铺设。

图6 GPRS数据发送协议

[1]张宇,陈明,等.基于ARM的嵌入式数据采集系统设计[J].电子测量技术 , 2007, 30(1):99-101.

[2]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[3]王田苗,魏洪兴．嵌入式系统设计与实例开发（第3版）[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[4]张兴,曹仁贤 等.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M] .北京:机械工业出版社, 2011.

[5]赵书安 主编.太阳能光伏发电及应用技术[M] .牡丹江:东安大学出版社, 2011.

[6]孙育河,梁岚珍. 嵌入式实时操作系统在ARM上移植的分析与应用研究[J] . 计算机系统应用, 2007, 16(5):82-84.

高战（1990.4-）男，从事环境可靠性技术研究5年，现为江苏出入境检验检疫局机电产品及车辆检测中心项目工程师。

Environmental Data Acquisition System Based on RAM

GAO Zhan1, YUAN Yi1, QIAO Yun-jiao2, TIAN Peng1
(1. Mechanical and Electrical Products and Vehicles Testing Center of Jiangsu Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau P.R.C, Wuxi 214000; 2. Wuxi Huaren Certification & Testing Co. Ltd., Wuxi 214064)

In order to realize the real-time monitoring of environmental quality, this paper presents a set of environmental quality multi-point data acquisition system based on ARM processor and GPRS data transmission system. To realize the real-time measurement of liquid level, flow rate, concentration, pH, wind, wind, light intensity and other related environmental parameters, to meet the needs of good real-time performance, strong anti-interference ability, high stability, low power consumption, and the environmental data acquisition system with low cost, good portability, with no power supply system. The external power supply, which can adapt to various measured environment, has good adaptive ability. The data is transmitted to the monitoring center through the GPRS communication system.

ARM; PGRS; data acquisition

X859

A

1004-7204（2017）03-0055-05