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1、基于无线传输网络的环境监测系统第1章 绪论1.1 课题的意义随着我国经济的迅速发展，环境保护也日益受到国家和广大群众的关注，全国环保机构也在环境保护方面加大力度。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增加和分布的复杂。在普遍环保意识薄弱和利益的驱使下，环保的监控管理工作日益复杂。传统的环境监测方法需要环保职能部门将大量的精力投入到环境现场的数据采作之中。但是随着污染源的增加，这种原有的监测方式，已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行有效的监测，体现了环保作
2、为一个新兴行业的发展方向；有利于监控污染企业，增加企业的自律，促进他们履行自己的环境义务，帮助企业提高治理设施的水平；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。1.2 环境监测的历史、现状和发展20世纪60年代以来，环境问题逐渐从地区性问题演变成全球性问题。在解决环境问题的长期探索中，国际社会已经逐渐认识到，单纯依靠污染控制技术已经解决不了日趋复杂和广泛的环境问题，只有按照生态可持续性和经济可持续性要求，改革传统意义上单纯追求经济增长的战略和政策，对传统的经济增长模式，包括生产和消费模式做出重大的改革，加强对人口增长的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消
3、耗，加强对人口增长的控制，改变现有的技术和生产结构，减少自然资源的消耗，人类才有可能实现自身的可持续发展。可见，可持续发展思想的提出源于人们对环境问题的逐步认识和热切的关注，而且“环境保护工作应试发展进程的一个整体组成部分，不能脱离这一进程来考虑（1992年联合国环发大会里约宣言）”。1作为环境保护的重要组成部分，环境监测曾被形象地比喻为环境保护的耳目、哨兵和尺子，是获取环境信息、认识环境变化、评价环境质量、监督排污状况的重要途径，是监督执行环境法规、环境标准的重要技术手段。因此，做好各项环境保护工作，特别是做好环境管理工作，必须充分重视、依靠和发挥环境监测的作用。随着工业、农业和乡镇企业的飞
4、速发展，我国国民经济迅速增长。与此同时，以城市为中心的环境污染仍然很严重，并通过乡镇企业扩大到农村，严重影响我国的可持续发展进程。这就给环境保护和环境监测工作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基础和基本依据。因此，需要不断加强环境监测技术的开发研究和更新。2目前，全国已形成了国家、省、市、县四级环境监测网络，共有专业、行业监测站4800多个，其中环保系统监测站2200多个，行业监测站2600多个，国控的空气质量监测网站103个，酸雨监测网站113个，水质监测网站135个。同时，还建有噪声监测网、辐射监测网和区域监测网等。到2005年，国控环境监测网络调
5、整为：环境空气监测网站226个，测点数793个；酸雨监测网站239个，测点数472个；水质监测网站197个，监测断面1074个；生态监测网站15个。目前，我国已制定各类国家环境标准410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、预报监测，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发展趋势：1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发展。2由劳动密集型向技术密集型方向发展。3由较窄领域监测向全方位领域监测的方
6、向发展。4由单纯的地面环境监测向与遥感环境监测相结合的方向发展。5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发展。6环境监测仪器将向物理、化学、生物、电子、光学等技术综合应用的高技术领域发展。1.3 国内现有环境监测面临的问题环境监测工作面临的主要问题有：1、污染信息传递得慢，不适应环境管理工作的需要。突发性环境污染事故，一旦发生，来势凶猛，在瞬时或时间内可能排放大量的污染物质，对环境造成严重的污染破坏，给国家和人民财产带来严重损失。只有在最短的时间内，通过检测部门拿出东西来，告诉上级主管部门现在有什么污染，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导，才能
7、赢得宝贵时间，将突发性环境污染事故造成的损失降到最低限度。但是，按照突发性环境污染事故应急监测工作性质的高标准要求，环境应急监测能力还存在着一些亟待认真研究，加以能解决的问题。比如：该出东西的时候出不来，该仲裁的时候拿不出数据来。缺乏重大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障军队环境安全。2、环境监测技术资金投入与环境监测发展要求不相适应.用于环境监测技术的资金投入严重不足，特别是在仪器设备的计量检定、维修、更新、增量、试剂购买，人员进行学习、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
8、策，监测工作基本处于自我发展，自生自灭的状态，致使大部分环境监测工作无法开展。3、环境监测仪器配置不足与老化影响监测能力的拓展。监测仪器设备是环境监测的必备工具，从目前情况看，监测仪器的更新进步较快，部分监测仪器配置相对于新的国家标准显得不足，而且由于部分监测仪器的维修保养不够导致老化现象也比较严重，直接影响到环境监测工作的进一步拓展。4、环境监测法规规章与环境监测工作的规范化，标准化不相适应。监测立法是环境监测工作之本。目前，由于没有专门的环境监测法律法规，使得环境监测工作的性质，地位，作用等缺乏明确的法律依据，以及取证难，举证难，执行难的状况，使环境监测管理体制、监测人员管理模式以及监测经
9、费保障方式等不统一和不到位，给环境监测的健康发展造成了很大的影响。1995年1月，国家环保局和总后勤部联合发布关于军队监测系统承担军队单位污染源监测任务的通知（1995环监032号），正式把军队单位污染源监测监督任务交给军队监测系统承担，从法规上确认了军队环境监测机构的工作范围，1996年7月，总后勤部和国防科工委联合颁布军队环境保护计量监督管理办法（1996营环字第17号），对军队单位污染源的范围，军队环境监测系统的组成、地位、资格、职责等均做了明确规定。2003年2月，总后勤部制定颁发了军队环境监测管理规定，对军队环境监测的基本原则，监测机构的设置和职责，监测机构的资质与监测人员的资格、监
10、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形成提供了法律依据。但在实际工作中，已颁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，致使监测站工作名不正言不顺，监测经费无法保证。从1998年开始，中央军委决定不再从事生产经营，大量职工跟随军队企业移交到地方。军队要吃“皇粮”，而 “皇粮”中并没有涵盖保留下来的军队职工，用工经费部分，职工基本保障资金缺口严重。各级领导为此大费脑筋，牵扯了大量的精力。因此，军队环境监测法规规章尚不健全，与军队环境监测工作的制度化、规范化、标准化管理还不相适应3。5、环境监
11、测技术总体水平与监测工作的高标准要求及监测技术的快速发展不相适应。根据军队环境监测工作面临的形势和主要任务是：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、连续自动分析相结合；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连续自动分析相结合；监测信息的要求由单纯的浓度信息转向浓度与总量，生态风险，环境安全信息相结合。以上这些现代环境分析技术在军队环境监测工作中的应用还有很大差距。这不仅与当前军队环境监测分析技术的发展趋势不相匹配，而且使军队的环境监测工作必将长期处于被动地位。141.4 论文的主要研究内容本次设计的主要
12、内容是基于WiFi技术的无线传输网络的环境监测系统，在结构上，它主要包括位于现场的环境监测仪器和数据采集仪，用于进行数据传输的无线传输系统以及对数据进行分析处理的上位机系统。论文具体从以下几个方面进行阐述：第一章：介绍了本项目的主要背景，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，介绍了整个系统的体系结构，从现场机系统、无线传输网络、上位机系统三个方面对系统进行了大致的分析和介绍。第三章：具体介绍了现场机系统的组成和工作方式。第四章：具体介绍了WiFi网络的结构原理。第五章：具体介绍了上位机系统的管理和控制方式。第2章 系统的总体设计2.1 系统介绍整个监测系统在结
13、构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；用于进行数据传输的无线传输网络以及对系统进行控制、对数据进行分析处理的上位机系统。如图2.1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2.1 环境监测系统整体设计方案监测仪器监测仪器WiFi2.1.1 现场机系统一般来说，现场机系统有两种比较典型的组成形式：一种是由仪器单独联入传输网络，如图2.2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、预处理能力。它不仅能够做到数据采集的功能，同时还能够实现和上位机进行完整的数据通信。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
14、较高，也就决定了它的使用范围比较狭窄，成本高，不具备通用性。WiFi上位机现场机传输网络监测仪器图 2.2 仪器单独组成的监测系统第二种工作模式是通过数据采集仪将各个监测仪器通过WiFi网络连接起来，如图2.3所示。分布在现场的监测仪器将各自采集到的数据通过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，再通过传输网络和上位机进行数据交换和通信。这对于成本的降低是非常有帮助的，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2.3 监测仪器通过数据采集仪连接上位机监测仪器监测仪器WiFi在监测现场，数据采集仪的主要任务是实现对所有现场仪器
15、的管理，以及对监测仪器采集到的实时数据进行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）和上位机进行数据交换通信。在本次设计中采用一台PC机作为数据采集仪，现场监测仪器通过路由器和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地址和每个仪器进行数据通信。PC机上安装Windows 2000 Server操作系统，并且借助SQL Sever 2000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存。仪器的兼容性对于整个系统的可靠性是非常重要的，为了使不同厂商生产的监测仪器在同一系统下能够兼容，采用
16、一种标准化的通信协议是非常重要的，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，每次对监测仪器进行操作都必须通过这个地址来进行。2.1.2 基于WiFi技术的无线传输网络无线传输网络承担了整个系统的数据流通工作，传输网络的实时性，可靠性和稳定性将直接决定整个监测系统是否能够正常、高效地工作。本次设计采用了基于WiFi技术的无线传输网络，WiFi技术具备传输速率高、传输距离远、覆盖范围广等特点，在无线局域网应用中得到了迅猛的发展。由于此次设计的环境监测系统是在300*300m的范围内，所以运用WiFi
17、热点就可以达到传输的目的。在本次设计中，考虑设计范围，所以只需要建立一个WiFi热点就可以达到设计要求，结构框图如2.4所示。WiFi热点无线路由器无线路由器上位机数据采集仪图2.4 WiFi热点应用2.1.3 上位机系统上位机是整个监测系统的核心，它在系统中所起的作用是系统管理控制和数据汇总、分析和处理。上位机有权向现场机发送各种命令，例如读取数据，修改参数，仪器控制等。上位机通过传输网络将命令消息发送给现场机，再通过现场机系统，实现上位机对各种仪器所发出的控制要求。上位机系统建有一个完整的数据库管理系统，负责对整个系统进行集中管理。从硬件结构上说，在此次设计中上位机采用PC机，其核心任务在
18、于监控系统应用软件的编写。第3章 现场机系统3.1 现场机系统组成现场机系统中的监测仪器包括测量温度、PH值、电导率、溶解氧、含氧量、浊度和氨氮等在内的多种测量仪器。为了实现环境的实时监控和监测数据管理传输，需要通过数据采集仪对多种采集仪器的监测信息进行集中采集、处理和数据传输。数据采集仪和环境监测仪器通过WiFi网络，组成在线环境监测系统，并通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，数据采集仪的主要任务是实现对所有现场仪器的管理，以及对监测仪器采集到的实时数据进行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）和上位机进行数据交换通信
19、。在本次设计中采用一台PC机作为数据采集仪，现场监测仪器通过路由器和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地址和每个仪器进行数据通信。PC机上安装Windows 2000 Server操作系统，并且借助SQL Sever 2000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存4。由于不同的环境监测仪器的生产厂家都会制定一套属于自己的通信协议，其所用的通信协议就可能不同，因此，如果运用不同生产商的仪器，很容易造成相互间的冲突，使整个系统不能正常的工作，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。
20、3.2 现场机系统利用Modbus协议编程3.2.1 Modbus协议简介Modbus协议定义了一个所有设备都能认识和使用的消息帧结构，而不用在乎这些仪器设备是经过何种网络进行通信的。它描述了一个设备请求或访问其它设备的过程，还规定了如何正确的回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。Modbus协议指定了一套完整的消息帧的构建和内容格式。当设备在遵照Modbus的网络上进行通信时，Modbus协议规定了每个设备都必须要有一个属于它们自己的独立的设备地址。所有的通信数据和命令都是按这个设备地址发来，对于命令的响应和回复，也同样需要和这个地址有关。5其数据传输结构如图3.1所示。主设备的查
21、询消息从设备的回应消息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3.1 Modbus协议的数据传输结构3.2.2 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3.1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3.1 通讯传送的数据格式编码8位二进制起始位1位数据位8位奇偶校验位1位（偶校验位）停止位1位错误校验CRC（冗余循环码）初始结构 = 4字节的时间；地址码 = 1 字节；功能码 = 1 字节；数据区 = N 字节；错误校检 = 16位CRC码； 结束结构 = 4字节的时间。地址码：地址码为通讯传送的第一个字节。这个字节
22、表明由用户设定地址码的从机将接收由主机发送来的信息。并且每个从机都有具有唯一的地址码，并且响应回送均以各自的地址码开始。主机发送的地址码表明将发送到的从机地址，而从机发送的地址码表明回送的从机地址。功能码：通讯传送的第二个字节。ModBus通讯规约定义功能号为1到127。本仪表只利用其中的一部分功能码。作为主机请求发送，通过功能码告诉从机执行什么动作。作为从机响应，从机发送的功能码与从主机发送来的功能码一样，并表明从机已响应主机进行操作。如果从机发送的功能码的最高位为(比如功能码大与此同时127)，则表明从机没有响应操作或发送出错。数据区：数据区是根据不同的功能码而不同。数据区可以是实际数值、
23、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。3.2.3 通讯规则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，如果没有出错，则执行相应的任务；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。如果出错就不发送任何信息。1信息帧结构，如表3.2所示。表3.2 信息帧结构地址码功能码数据区错误校验码8位8位N8位16位地址码：地址码是信息帧的第一字节(8位)，从0到255。这个字节表明由用户设置地址的从机将接收由主机发送来的信息。每个从机都必须有唯一的地址码，并且只有符合地址码
24、的从机才能响应回送。当从机回送信息时，相当的地址码表明该信息来自于何处。功能码：主机发送的功能码告诉从机执行什么任务。表3.3列出的功能码都有具体的含义及操作。表3.3 功能码的含义及操作代码含义操作03读取数据读取当前寄存器内一个或多个二进制值06重置单一寄存器把设置的二进制值写入单一寄存器数据区：数据区包含需要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，功能码告诉从机读取寄存器的值，则数据区必需包含要读取寄存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相同。错误校验码：主机或从机可用校验码进行判别接收信息是否出错。有时，由于电子噪声或其它一
25、些干扰，信息在传输过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。这样增加了系统的安全和效率。错误校验采用CRC-16校验方法。注：信息帧的格式都基本相同：地址码、功能码、数据区和错误校验码。2错误校验循环冗余码（CRC）包含2个字节，即16位二进制。CRC码由发送设备计算，放置于发送信息的尾部。接收信息的设备再重新计算接收到信息的CRC码，比较计算得到的CRC码是否与接收到的相符，如果两者不相符，则表明出错。CRC码的计算方法是，先预置16位寄存器全为1。再逐步把每8位数据信息进行处理。在进行CRC码计算时只用8位数据位，起始位及停止位，如有奇偶校验位的话
26、也包括奇偶校验位，都不参与CRC码计算。在计算CRC码时，8位数据与寄存器的数据相异或，得到的结果向低位移一字节，用0填补最高位。再检查最低位，如果最低位为1，把寄存器的内容与预置数相异或，如果最低位为0，不进行异或运算。6这个过程一直重复8次。第8次移位后，下一个8位再与现在寄存器的内容相相异或，这个过程与以上一样重复8次。当所有的数据信息处理完后，最后寄存器的内容即为CRC码值。CRC码中的数据发送、接收时低字节在前。计算CRC码的步骤为：（1）预置16位寄存器为十六进制FFFF（即全为1）。称此寄存器为CRC寄存器； （2）把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CR
27、C寄存器； （3）把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，检查最低位； （4）如果最低位为0：重复第3步(再次移位); 如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001）进行异或； （5）重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理； （6）重复步骤2到步骤5，进行下一个8位数据的处理； （7）最后得到的CRC寄存器即为CRC码。 3功能码03，读取点和返回值：仪表采用Modbus RTU通讯规约，利用通讯命令，可以进行读取点(“保持寄存器”) 或返回值(“输入寄存器” )的操作。保持和输入寄存器都是16位（2字节）值，并且高位在前
28、。这样用于仪表的读取点和返回值都是2字节。一次最多可读取寄存器数是60。由于一些可 编程控制器不用功能码03，所以功能码03被用作读取点和返回值。从机响应的命令格式是从机地址、功能码、数据区及CRC码。数据区中的寄存器数据都是每 两个字节高字节在前。4功能码06，单点保存主机利用这条命令把单点数据保存到仪表的存储器。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，所有的命令消息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，它通过对上位机所发出的消息帧进行解析，从而分析出上位机所发消息的具体含义。3.2.4 通讯口设置DCB dcb;hCom=CreateFile
29、(COM1,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,NULL);if(hCom=INVALID_HANDLE_VALUE)MessageBox(createfile error,error);BOOL error=SetupComm(hCom,1024,1024);if(!error)MessageBox(setupcomm error);error=GetCommState(hCom,&dcb);if(!error)MessageBox(getcommstate,error);dcb.BaudRate=2400;dcb.ByteSi
30、ze=8;dcb.Parity=EVENPARITY;/NOPARITY;dcb.StopBits=ONESTOPBIT;error=SetCommState(hCom,&dcb);3.2.5 CRC校验码计算UINT crcvoid calccrc(BYTE crcbuf)BYTE i;crc=crc crcbuf;for(i=0;i1;crc=crc&0x7fff;if (TT=1)crc=crc0xa001;crc=crc&0xffff;3.2.6 数据发送zxaddr=11;/读取地址为11的巡检表数据zxnum=10;/读取十个通道的数据writebuf20=zxaddr;write
31、buf21=3;writebuf22=0;writebuf23=0;writebuf24=0;writebuf25=zxnum;crc=0xffff;calccrc(writebuf20);calccrc(writebuf21);calccrc(writebuf22);calccrc(writebuf23);calccrc(writebuf24);calccrc(writebuf25);writebuf26=crc & 0xff;writebuf27=crc/0x100;WriteFile(hCom,writebuf2,8,&comnum,NULL);3.2.7 数据读取ReadFile(hC
32、om,writebuf,5+zxnum*2,&comnum,NULL);/读取zxnum个通道数据，可增加错误处理程序，如地址码错误、CRC码错误判断、通讯故障处理等。3.3 现场机数据传输的具体过程上位机是整个系统的控制核心，所有的命令消息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，它通过对上位机所发出的消息帧进行解析，从而分析出上位机所发消息的具体含义。对于现场机系统中的仪器局域网络，现场机是唯一的主设备。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消息帧，并发送给仪器。在本次设计中，现场机系统中的局域网
33、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协议进行封装，通过以太网和现场仪器进行通信。现场机的操作系统中建有一个数据库系统，其主要有三个用处：1.对上位机发出的命令进行解析，并转化成包含Modbus协议的TCP/IP帧。2.存储现场仪器的各种参数，包括仪器的Modbus地址，在以太网中工作时所分配的IP地址，还包括数据采样间隔等参数。3.将数据采样得到的数据进行存储，上位机所需要的数据将从现场机的数据库中直接调取。在现场机系统中，由于现场机是唯一的主设备，因此所有的环境监测仪器在Modbus网中所处的位置是等价的，每台监测仪器通过路由器和
34、现场机相连。由于现场机系统采用的是以太网作为局域网，所以在实现通信之前，必须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要进行数据采集的仪器。在一次数据扫描完毕之后，再重复刚才的过程，直到完成命令所提出的要求。图3.2显示了现场机与单个监测仪器进行数据通信的流程。程序初始化读取系统状态读取现场仪器参数是否能够正确连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是否完成保存所有参数程序结束显示仪器连接错误否是否是图3.2 现场机和仪器进行通信的流程图3
35、.4 现场机系统的硬件组成3.4.1 环境监测仪器在本次设计中使用的环境监测仪器主要有：1.W-20系列多参数水质监测仪W-20系列多参数水质监测仪是由日本HORIBA公司生产。W-20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佳选择。它将HORIBA多年研发电极技术的结晶凝结在一个直径47mm的探头中，独创性地开拓了高压深水领域的应用，并可实现13种参数的高精度同时测量。W-20系统兼容的WiFi和数据检索等功能能连接电脑，并进行处理和处理数据。每隔15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连续监测。2.环境气体
36、分析仪本次设计中采用的环境气体分析仪的型号是2250，它是英国生产的。2250是一种多功能的环境气体监测仪。主要用于动、植物生理学研究，气候变化研究，环境控制研究，微气候研究，生态生理学，果实储藏，微生物活性与降解等。仪器可测量CO2，水汽的变化，另有8个传感器接口，可接多种传感器以测量更多环境参数。3.4.2 数据采集仪在现场机系统中，数据采集仪是唯一的主设备，它是一台具备WiFi接口的PC机，每台监测仪器可以通过自带的WiFi和数据检索功能以及通过加入串口WiFi模块与数据采集仪相连。本次设计中采用的W-20系列多参数水质监测仪器兼容的WiFi和数据检索等功能能连接电脑，并进行处理和处理数
37、据。环境气体分析仪还带有8个传感器接口，可以接多种传感器以测量更多的环境参数，这里还必须加一个模数转化器，将传感器采集到的模拟信号转换成数字信号。系统使用的是ADC0809模数转换器，下面对其进行详细介绍。1.ADC0809概述ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8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8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。2.ADC0809主要特性和内部结构ADC0809的主要特性有：（1）8路输入通道，8位AD转换器，即分辨率为8位。 （2）具有转换起
38、停控制端。 （3）转换时间为100s(时钟为640kHz时)，130s（时钟为500kHz时） （4）单个5V电源供电 （5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mW。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，内部结构如图3.3所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近。图3.3 单片机控制A/D转换器的电路图3.ADC0809外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.4所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8路模拟量输入端。 2-
39、12-8：8位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8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100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC： AD转换结束信号，输出，当AD转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vc
40、c：电源，单一5V。 GND：地。图3.4 ADC0809引脚图4.ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平 时，输出三态门打开，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行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，
41、才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）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指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64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，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管
42、使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。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号后，还需要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收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,它的工作流程图如图3.5所示。系统使用的ADC0809模数转换器，它是逐次逼近型8位8通道A /D模数转换器，转换时间典型值为100us，模拟信号输入电压05V，电源电压为单电源5V。开始初始化START=1是EOC =1是读转换结果到输出口启动ADC0809否否通道地址加18端口顺次访
43、问结束图3.5 ADC0809执行流程系统选用89C52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ADC0809何时转换，何时输出数据。相应的实现程序为：#includereg51.hint a;sbit EOC=p1.0;sbit START=p1.1;sbit OE=P1.2;sbit CLK=p1.3;void delay_us() int i; for(i=0;i=10;i+)void main() p2=a; a=0X00; CLK=0; delay_us(); CLK=1; delay_us(); START=1; if(EOC=1) START=0; OE=1;
44、 START=1; a+; else if OE=0;转换后的数据从单片机的P0口读入，这样就实现了89C52与ADC0809的软件和硬件连接。单片机要与无线网络通信还需加一个串口WiFi模块。Uart-Wifi模块是基于Uart接口的符合wifi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过Uart-Wifi模块，传统的串口设备也能轻松接入无线网络。12然后数据采集仪再利用本身自带的WiFi接口通过无线路由器与上位机之间通信。3.4.3 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3.6所示
45、。W-20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ADC0809 A/D转换器无线传输网络上位机图3.6 现场机系统的硬件框图串口WiFi模块单片机模块第4章 无线传输网络无线传输网络是整个环境监测系统的核心部分，传输网络是否能够实时有效的进行数据传输，是决定整个系统能否正常稳定工作的最主要因素。本设计将日趋成熟的无线数据传输网络引入进来，改变传统的环境监测的可移动性得到实现，而且也在很大程度上降低了监测设备的投入成本。无线传输技术的发展越来越快，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能够得到实现，这对于现代环境监测技术是非常重要的。面对每天来自不同监测点的大量数据源，如果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
