基于EM50/R/G數據采集器的遠程遙測系統設計

楊柳，母佳鑫，趙晨峰，尚潔

（成都理工大學，四川成都，610059）

0　引言

隨著計算機技術、智能控制技術以及通信技術的發展[1]，萬物互聯的需求日趨強烈。EM50/R/G是美國Decagon公司生產的三款五通道數據采集器，可與其生產的土壤濕度傳感器，環境傳感器等配合使用。EM50/R/G數據采集器憑借其優越的穩定性、可靠性以及高精度，在國內搶占了大量的市場份額，特別是野外數據采集器市場。

雖然目前Em50G已經支持遠程遙測，但是該數據采集器的服務器部署在國外，這給國內的使用者帶來了諸多不便。這樣的遠程測控方案不僅數據容易被劫持，特別是一些比較關鍵、敏感的監測點，而且其傳輸速度極慢，穩定性不高。因此，本文針對EM50/R/G數據采集器在國內的不足，設計了一種針對EM50/R/G數據采集器的遠程遙測系統，通過在國內的實際應用表明，相比于現有的EM50/R/G數據采集方案具有更高的安全性、穩定性、可靠性以及靈活性。

1　系統設計方案

本系統總體架構如圖1所示。數據采集終端通過串口通信方式與EM50/R/G數據采集器進行交互，并將采集到的數據通過GPRS無線通信技術上傳至搭建的云服務器，云服務器接收到數據后對數據進行解析并入庫。用戶可通過WEB站點查看采集到的數據和遠程控制數據采集器。

如圖2所示，遠程遙測系統由十個部分組成：ECH2O土壤水分傳感器、Em50/R/G數據采集器、STM32F103CBT6最小系統、SIM800C模組、云服務器、UI交互、電源供電端口、電源穩壓電路、鋰電充放電管理電路、鋰電池組。

圖1　系統總體架構

用戶通過WEB端的UI界面對數據采集器的采集頻度、采集通道、波特率等進行設定，并設定最小系統對數據的上傳頻度、上傳格式。上電后，最小系統和數據采集器根據預先設定好的參數進行工作。數據采集器會將采集到的數據發送給最小系統，最小系統就會進行數據的容錯、打包處理，SIM800C模組將按照指定的數據格式以TCP/IP的通信方式上傳數據。此時云服務器采用多并發的方式進行數據接收，收到后進行數據的拆包、入庫操作。然后WEB站點對入庫的信息進行展示。

2　系統硬件部分

硬件部分的主要任務是完成供電、數據的采集、數據的發送[2]。該電路由三個模塊組成：STM32F103CBT6最小系統電路、GPRS通信電路、電源穩壓及電源管理電路。

2.1　最小系統電路

STM32F103CBT6微控制器不僅處理能力強，還有優越的穩定性和超低功耗等優點，非常適合做野外設備的主控IC。根據本系統的設計要求，最小系統電路除了包含晶振、復位、燒錄口、BOOT選擇電路外，還包含RTC實時時鐘電路、W25Q128存儲器電路、串口通信電路。

圖2　遠程遙測系統

實時時鐘電路主要用于系統的時間管理，可根據用戶需求靈活的設定數據上傳時間間隔，同時也可記錄數據采集的時間。存儲器電路主要用于GPRS通信不成功時存儲數據，以保證數據在時間軸上的完整性。

2.2　通信電路

GPRS通訊網絡覆蓋全國各地，通過認證接入可實現通訊[3]，本電路采用芯訊通無線科技（上海）有限公司提供的SIM800C通信模組。采用串口方式與微控制器進行通信和命令交互，能實現微控制器到云服務器的雙向數據透明傳輸。同時結合電源管理電路，實現了最大電壓輸入范圍的兼容。

2.3　電源穩壓及電源管理電路

本電路采用TI公司的LM2596系列的電源IC作為電源穩壓芯片，采用英集芯科技的IP5306電源管理芯片為電源管理電路的核心IC。

穩壓芯片能為最小系統電路提供正3.3V的電源電壓，為GPRS通信電路提供正3.9V電源電壓。為了讓系統持續得到供電，還采用IP5306對鋰電的充放電進行管理。既保證系統供電的可持續性，還提升了設備在野外的可靠性。

3　系統軟件部分

軟件部分包含數據采集終端軟件、服務器通信腳本軟件以及面向用戶的WEB站點。EM50采集器通過獲取ECH2O傳感器傳回的數據，處理后將數據推向數據采集終端，再通過與EM50的命令交互進行數據采集間隔、波特率等的參數設定。當采集完后，會通過GPRS通信電路將數據上傳至云服務器。云服務器通過服務器通信腳本軟件接收數據，并以數據庫的方式存儲管理數據[4]。用戶通過登陸我們搭建的WEB站點后，可設定參數、查看數據和遠程控制。

3.1　數據終端和服務器腳本軟件

上電后，數據終端軟件進行初始化操作并工作。完成一次數據采集后，將數據按規定的通信格式進行打包處理，然后通過GPRS通信電路把數據上傳到云服務器上。

服務器腳本軟件采用套接字多進程并發、短連接的方式進行數據通信。初始化后，便創建套接字連接，并對連接進行監聽。當連接有請求時，就生成子進程對連接請求進行處理。在處理請求中，先對數據進行解析，剔除不符合數據通信格式的數據，將符合數據通信格式的數據入庫。

3.2　WEB站點開發

用戶通過訪問站點，站點將指定節點的歷史數據展示在網頁上。在站點，用戶不僅可查看任意節點的歷史數據，還可對數據采集終端的工作參數進行設置。

4　系統測試

在野外，影響電子設備的主要因素是溫度、濕度、設備的耐酸堿性能。為克服這些因素，系統采用了南大703硅橡膠涂覆，元件選型也采用軍工級別標準。本系統在開發完成后，硬件部分直接放到捷盛DW-45W108低溫冰柜中進行測試，測試環境溫度設定為零下40度，測試48小時后硬件部分以及系統功能沒有出現任何異常，此時元件表面已經形成0.8mm厚的冰塊。將硬件部分取出后，冰塊開始融化，繼續測試，待板子融化的雪水風干后，系統仍然沒有出現任何異常。

5　結束語

本文設計的一種針對EM50/R/G數據采集器的遠程遙測系統，能夠通過GPRS無線通信技術遠程控制EM50/R/G數據采集器的工作狀態，并且能將EM50/R/G數據采集器采集到的傳感器數據進行實時、靈活、穩定以及可靠的傳輸至云服務器；通過搭建的云服務器可以對數據采集終端上傳的數據進行接收和存儲；通過搭建的WEB站點可以對當前數據以及歷史數據進行展現。本系統以野外惡劣氣候條件為背景進行設計，整個系統已投入使用且在實際使用中穩定、可靠，增強了EM50/R/G數據采集器在中國境內數據傳輸的安全性、穩定性、實時性以及可靠性。