基于SQL Server數(shù)據(jù)庫的氣象和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測基站設(shè)計

葉 黎，徐浩威，陳家海，白義霞，孫 煜，彭紹才，劉 勇

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

基于SQL Server數(shù)據(jù)庫的氣象和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測基站設(shè)計

葉 黎，徐浩威，陳家海，白義霞，孫 煜，彭紹才，劉 勇

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

傳統(tǒng)的氣象和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)有造價高，監(jiān)測點(diǎn)分布密度低等缺點(diǎn).本文基于SQL Server數(shù)據(jù)庫，以STM32、傳感器模塊、GPRS模塊、液晶顯示模塊和供電模塊，設(shè)計制作了一種模塊化的多功能無人值守的氣象和環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測系統(tǒng)平臺.該平臺具有體積小、數(shù)據(jù)自動監(jiān)測、無線傳輸和建庫記錄等優(yōu)點(diǎn)，可在系統(tǒng)中加入多個監(jiān)測終端，形成多點(diǎn)分布式監(jiān)測基站群.

大氣環(huán)境監(jiān)測；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；傳感器；GPRS

1 引言

氣象監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測溫度、濕度、降雨量和風(fēng)向等多種參數(shù)，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)則可以監(jiān)測空氣中的PM2.5和硫化物等污染情況.對于這些專業(yè)的監(jiān)測系統(tǒng)，一方面由于設(shè)備造價高，需要經(jīng)常維護(hù)，因此監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量較少，難以覆蓋各種特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精確的監(jiān)控；另一方面，一般專業(yè)測量設(shè)備，其功能結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)在設(shè)計時已經(jīng)確定，在使用過程中難以進(jìn)行更改或拓展.此外，目前國內(nèi)氣象監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)控分屬兩個不同的部門主管，由于職能上的各自隸屬，環(huán)保和氣象部門各自建監(jiān)測站，各自采用獨(dú)立的監(jiān)測設(shè)備，客觀上造成了資源的浪費(fèi).目前，中國氣象局“大氣監(jiān)測自動化”項目正在實(shí)施,主要是在地級市安裝新一代天氣雷達(dá)和縣市級安裝多要素自動氣象站[1].按照規(guī)劃,自動氣象采集站將布到縣一級,因此，小型化和模塊化的氣象和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測基站的研制十分必要.

本文在分析國內(nèi)外環(huán)境參數(shù)監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出一種基于SQL Server數(shù)據(jù)庫的大氣環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測基站群的方案，設(shè)計搭建了一種模塊化的多功能自動監(jiān)測系統(tǒng)平臺，從而實(shí)現(xiàn)一站多用，按任務(wù)需要自由組合監(jiān)測模塊，以及自動監(jiān)測、無線傳輸和建庫記錄等.該系統(tǒng)價格低廉、體積小、組合靈活、可無人值守，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境或氣象等各種參數(shù)的定時自動監(jiān)測，可大大節(jié)省成本和增加監(jiān)測點(diǎn)，對高精度覆蓋面廣的大氣監(jiān)測模式的構(gòu)建具有一定的參考作用.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣象和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測終端，GPRS通信網(wǎng)絡(luò)和電腦終端三大部分組成.其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2].監(jiān)測終端主要包括氣象和環(huán)境參數(shù)的采集兩個部分，包括傳感器模塊和MCU等；GPRS通信模塊，負(fù)責(zé)與電腦終端建立通信鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸.電腦終端負(fù)責(zé)將監(jiān)測終端發(fā)送的參數(shù)，解析后存入SQL Server數(shù)據(jù)庫，并可以通過Windows桌面程序查看儲存在數(shù)據(jù)庫中的氣象和環(huán)境參數(shù).

圖1 氣象和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

監(jiān)測終端由MCU控制各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理，同時將數(shù)據(jù)在液晶屏上實(shí)時顯示，并控制GPRS模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，主要包括MCU、傳感器模塊、GPRS模塊、顯示模塊、LED和供電模塊，3個LED作為工作狀態(tài)提示.監(jiān)測終端原理圖如圖2所示.

圖2 監(jiān)測終端原理圖

3.2 MCU設(shè)計

由于數(shù)據(jù)處理中要使用對數(shù)計算，指數(shù)計算，涉及較多浮點(diǎn)數(shù)的處理，并要對字符串進(jìn)行處理，需要芯片有較高主頻和較大的RAM，在考慮成本因素后，選用STM32F103ZET作為MCU.考慮到內(nèi)部RC振蕩器與外部晶振相比不夠精確和穩(wěn)定，故選用8MHz晶振作為外部高速振蕩器，32.768kHz晶振作為外部低速時鐘.電池在電源關(guān)閉后為RTC供電.由于需要從用戶Flash運(yùn)行代碼，將BOOT0引腳和BOOT1引腳接地.MCU電路見圖3.

圖3 MCU電路圖

3.3 GPRS模塊

GPRS模塊以華為GTM-900B無線通信模塊為核心，加上外圍電路、電源輸入接口、與MCU通信使用的接口、SIM卡接口以及天線組成.其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可通過簡單的AT指令實(shí)現(xiàn)TCP/IP連接，使用UART接口與外部MCU通信，可實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送和接收.

3.4 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫度傳感器（DS18B20）、濕度傳感器（DHT11）、雨滴檢測模塊、聲音傳感器、MQ-7氣敏傳感器以及MQ-135氣敏傳感器單元電路各1個.其中，DS18B20和DHT11為數(shù)字輸出，其余4個傳感器為模擬電壓輸出.兩個數(shù)字輸出的傳感器都使用單總線數(shù)據(jù)接口，所以使用的6個傳感器只需要與MCU的4個I/O口連接就能完成數(shù)據(jù)的采集與讀取.所有傳感器統(tǒng)一由電源模塊供電.部分傳感器型號與性能指標(biāo)見表1.

表1 傳感器型號及性能指標(biāo)

4 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

本課題選用德國ARM公司針對嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具Keil MDK.監(jiān)測終端軟件使用C語言編寫，并用到由意法半導(dǎo)體提供的固件庫.由Kiel MDK的相應(yīng)的編譯器進(jìn)行編譯，就可下載到處理器中完成相應(yīng)功能.

監(jiān)測終端的主要作用是采集環(huán)境參數(shù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以一定格式發(fā)送給特定的電腦.監(jiān)測終端的軟件流程為：系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置系統(tǒng)時鐘、初始化I/O口、初始化USART接口、初始化傳感器；采集數(shù)據(jù)；通過TCP協(xié)議與特定的電腦連接，并傳輸數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)傳輸不成功則將數(shù)據(jù)暫時儲存在處理器內(nèi)部的Flash閃存中；等待下一次數(shù)據(jù)傳輸.具體流程圖如圖4所示.

圖4 監(jiān)測終端軟件流程圖

5 電腦終端軟件設(shè)計

電腦終端通過TCP連接從監(jiān)測終端獲取環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，并從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)在主界面顯示.軟件使用微軟公司推出的VB（Visual Basic）語言，在Visual Studio 2013集成開發(fā)環(huán)境中編寫.數(shù)據(jù)庫采用微軟的Microsoft SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫.軟件運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng).

5.1 軟件構(gòu)架

軟件以.NET Framework類為基礎(chǔ)，并配合SQL Server數(shù)據(jù)庫技術(shù)和Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作和網(wǎng)絡(luò)通信操作.

本課題中，電腦終端軟件有以下功能：顯示實(shí)時環(huán)境參數(shù)、歷史參數(shù)查詢、可由用戶選擇參數(shù)顯示方式（曲線圖或表格）、TCP連接的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)庫操作.結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.

圖5 電腦終端軟件結(jié)構(gòu)圖

主界面顯示信息并與用戶完成交互，軟件根據(jù)用戶的選擇從數(shù)據(jù)庫取出數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求以不同形式顯示數(shù)據(jù).通信模塊與主界面運(yùn)行于兩個獨(dú)立的線程，可以不間斷地對端口進(jìn)行監(jiān)聽.接收到信息后，從信息流中解析出各個參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫.

5.2 通信模塊軟件設(shè)計

通信模塊以Windows Sockets規(guī)范為基礎(chǔ).計算機(jī)建立TCP服務(wù)器后，啟動對相應(yīng)端口的監(jiān)聽，監(jiān)測終端就能夠與TCP服務(wù)器建立連接，發(fā)送數(shù)據(jù).

在窗體中添加 Background Worker，并在Background Worker的DoWork事件中編寫通信模塊程序.這樣，通信模塊就運(yùn)行于獨(dú)立的線程上.

5.3 SQL Server數(shù)據(jù)庫操作

數(shù)據(jù)庫選用Microsoft SQL Server 2012，使用SQL（Structured Query Language，結(jié)構(gòu)化查詢語句）進(jìn)行數(shù)據(jù)的操作和訪問.VB中使用ADO.NET類對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的操作及訪問.

5.4 主界面設(shè)計

主界面有按鈕和日歷供用戶與軟件進(jìn)行交互，并根據(jù)用戶選則將相應(yīng)的數(shù)據(jù)以圖形或表格的形式進(jìn)行顯示.

主界面由實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面、歷史數(shù)據(jù)顯示界面和按鈕控制區(qū)域三部分組成.軟件啟動后，默認(rèn)為實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面，點(diǎn)擊“顯示歷史數(shù)據(jù)”按鈕，實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面隱藏，顯示歷史數(shù)據(jù)顯示界面.通過日歷選擇日期，當(dāng)天天氣數(shù)據(jù)在界面中顯示，并可點(diǎn)擊不同按鈕選擇圖形顯示或表格顯示數(shù)據(jù).

6 系統(tǒng)測試

電腦端測試數(shù)據(jù)實(shí)時顯示界面如圖6所示，歷史參數(shù)顯示界面見圖7.

7 結(jié)束語

本設(shè)計是基于STM32嵌入式系統(tǒng)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、Visual Studio運(yùn)行環(huán)境及數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計的環(huán)境質(zhì)量和氣象參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng).可完成對溫度、濕度、一氧化碳含量、硫化物含量等6種環(huán)境參數(shù)的自動監(jiān)測.經(jīng)長時間系統(tǒng)運(yùn)行測試，系統(tǒng)各模塊工作正常，監(jiān)測終端采集環(huán)境參數(shù)，并通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給電腦終端.電腦終端完成數(shù)據(jù)的接收和顯示.系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計要求，并有較大的拓展空間.對系統(tǒng)軟件進(jìn)行簡單修改即可在系統(tǒng)中加入多個監(jiān)測終端，形成多點(diǎn)分布式監(jiān)測基站群.

圖6 電腦端實(shí)時數(shù)據(jù)顯示界面

圖7 歷史參數(shù)顯示界面

雖然系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計要求，但由于實(shí)際條件限制還存在多處不足.例如監(jiān)測終端功耗較高，環(huán)境參數(shù)種類少、數(shù)據(jù)精度有待提高等，這些不足之處和發(fā)展方向?qū)⒃谕蟮墓ぷ髦屑右愿倪M(jìn)和實(shí)現(xiàn).

〔1〕但永平.基于GPRS的多要素自動氣象站[D].鄭州大學(xué),2005.

〔2〕汪勝輝.基于GPRS的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[D].湖南大學(xué),2008.

〔3〕蒙博宇.STM32 自學(xué)筆記（第二版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2012.29-100.

〔4〕Bryan Newsome.Beginning Visual Basic 2012[M].United States of American,Wiley Publishing,2012:417-482.

〔5〕華為技術(shù)有限公司.GTM900 GPRS模塊[S].華為技術(shù)有限公司,2006.

〔6〕ST Microelectronics.STM32 Reference Manual[S].意法半導(dǎo)體,2011.

TP274

A

1673-260X（2017）09-0036-03

2017-06-13

廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510564212）