劉筱萌，張 瞳

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)(2.天津港航安裝工程有限公司，天津 300456)

隨著工業(yè)生產(chǎn)力的持續(xù)提高，工廠(chǎng)大量排放廢水、廢氣，導(dǎo)致周邊環(huán)境嚴(yán)重污染[1-2]，為環(huán)境質(zhì)量和居民生活帶來(lái)了不可逆轉(zhuǎn)的影響。想要治理環(huán)境污染，提高環(huán)境質(zhì)量，首先要對(duì)環(huán)境污染數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后根據(jù)污染情況采取不同的治理與管控措施，由此可知，對(duì)環(huán)境污染數(shù)據(jù)的采集與傳輸至關(guān)重要[3]。吳洋、賈世海等[4-5]分別設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)。吳洋等[4]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過(guò)傳感器采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，首先使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)控制環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信傳輸時(shí)的時(shí)序，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，然后利用RS-232通信總線(xiàn)接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩?hù)的PC端內(nèi)，完成環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。但該系統(tǒng)在配置環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，容易受數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和時(shí)序的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)整體運(yùn)行速度較慢。而賈世海等[5]設(shè)計(jì)的系統(tǒng)則利用Qt框架結(jié)合C++編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集前端程序，并應(yīng)用千兆以太網(wǎng)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。但該系統(tǒng)在通信傳輸時(shí)的可擴(kuò)展通道數(shù)量較少，僅適用于小規(guī)模的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸。面對(duì)上述系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種新的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)存在的技術(shù)缺陷。

1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

依據(jù)B/S架構(gòu)，設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)由3個(gè)部分組成，分別為上位機(jī)、用5G通信基站搭建的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和傳感器數(shù)據(jù)采集端。其中上位機(jī)由若干硬件和軟件控制程序構(gòu)成，其通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與傳感器數(shù)據(jù)采集端相連，使用數(shù)據(jù)采集與傳輸協(xié)議控制傳感器采集當(dāng)前環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)。傳感器數(shù)據(jù)采集端由土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等組成，其受上位機(jī)控制，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1上位機(jī)

上位機(jī)是整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)的核心組件，以型號(hào)為XC3S250E的FPGA作為上位機(jī)的主體硬件。XC3S250E型FPGA的電源電壓為1.14～1.26 V[6]，安裝方式為便捷快速的Surface Mount方式，工作溫度最高可達(dá)85 ℃，封裝引腳為144個(gè)，具有較好的數(shù)據(jù)傳輸功能。利用XC3S250E型FPGA設(shè)計(jì)的上位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 上位機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA硬件接口電路

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的硬件，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選擇型號(hào)為AD7706的A/D轉(zhuǎn)換器，將其與FPGA硬件相連，負(fù)責(zé)將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。型號(hào)為AD7706的16位A/D轉(zhuǎn)換器由多路模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)字濾波器、基準(zhǔn)電壓、調(diào)制器等多個(gè)模塊構(gòu)成，并且具有2通道差分輸入功能，可以滿(mǎn)足大量環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨骩7-8]。A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA之間使用接口電路相連，二者之間的接口電路如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換器與FPGA硬件接口電路示意圖

1.2.3環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器通信節(jié)點(diǎn)硬件

環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器由土壤傳感器、蒸發(fā)傳感器、雨量傳感器等多種傳感器組成，因此其通信節(jié)點(diǎn)較為復(fù)雜。為充分保障其通信功能[9]，設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器通信節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器通信節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)示意圖

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)利用供電電源為傳感器提供穩(wěn)定的電壓[10]，環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器采集到當(dāng)前環(huán)境的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)傳感器接口和信號(hào)調(diào)理器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻/A轉(zhuǎn)換器。傳感器在進(jìn)行通信時(shí)，利用32位RISC CPU控制RAM、ROM對(duì)當(dāng)前的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，使用24 GHz功率放大器放大環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，經(jīng)由O-PQSK Modem和ZigBee協(xié)議棧以及128位AES加密加速器將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絉S-485總線(xiàn)，利用RS-485總線(xiàn)將其發(fā)送至上位機(jī)中，至此完成環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件設(shè)計(jì)

在Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境下，使用C++編程語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集與傳輸軟件程序，該程序運(yùn)行流程如圖5所示。

1.3.2基于一致度計(jì)算的多源數(shù)據(jù)整合

由于環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是由不同類(lèi)型的傳感器獲取的，因此其具備多源異構(gòu)的特征，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰獙?duì)不同類(lèi)型傳感器獲取的多源

環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，其詳細(xì)過(guò)程如下：

第一步，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一致度判斷。

令G(X,Y)表示環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的勢(shì)函數(shù)，其中X，Y表示環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)。G(X,Y)的輸出數(shù)值區(qū)間為[0,1]。當(dāng)兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)距離較小時(shí)，G(X,Y)的輸出數(shù)值較大，反之同理。當(dāng)兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在Y方向和X方向上出現(xiàn)重合時(shí)，則G(X,Y)的最大輸出數(shù)值為1。當(dāng)兩個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離為無(wú)窮大時(shí)，則G(X,Y)的輸出數(shù)值為0?；谏鲜龇治觯瑒t環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致度計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

式中：G為一致度；VA為輸出上限；α，β表示不同的函數(shù)分段，其中0～α為第一段，α～β為第二段，大于β的為第三段；λ為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)間的距離。λ的表達(dá)式如下：

λ=min(X,Y)/max(X,Y)

(2)

式中：min(X,Y)和max(X,Y)分別為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)最小值和最大值。

第二步，基于一致度的多源數(shù)據(jù)整合。

依據(jù)公式(1)得到環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的一致度后，對(duì)其重要程度進(jìn)行計(jì)算，以確定環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融合范圍。當(dāng)?shù)趇個(gè)傳感器獲取的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足正態(tài)分布時(shí)，則該傳感器獲得的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的密度為：

Ui(x)=N(αi,δi)

(3)

式中：Ui(x)為第i個(gè)傳感器獲取的第x個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)密度；αi，δi分別為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均數(shù)和方差；N為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的總數(shù)量。

依據(jù)公式(3)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同傳感器的支持度，其表達(dá)式如下：

(4)

式中：TP(x)為環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同傳感器的支持度；E為傳感器線(xiàn)性測(cè)量參數(shù)。

公式(4)中，環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)x位于一致度的最大值和最小值之間。

使用二階導(dǎo)數(shù)方法求解公式(4)，當(dāng)其結(jié)果大于閾值的80%時(shí)，即可將環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)歸為一類(lèi)，完成多源環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合，以提高數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)分析

本文以某工業(yè)區(qū)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在該區(qū)域內(nèi)安置若干個(gè)土壤溫度傳感器、空氣溫濕度傳感器、蒸發(fā)傳感器、雨量傳感器、光照傳感器和風(fēng)速傳感器，利用多個(gè)傳感器采集該工業(yè)區(qū)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)。應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)該工業(yè)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和傳輸，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。本文系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為：CPU為PIV2.0 GHz以上、硬盤(pán)容量為250 GB、內(nèi)存大小為512 MB、瀏覽器為IE9.0以上。

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)容易受不可控因素影響，出現(xiàn)自動(dòng)熱啟動(dòng)情況。以自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)作為衡量本文系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的指標(biāo)，測(cè)試在不同持續(xù)運(yùn)行時(shí)間時(shí)，本文系統(tǒng)出現(xiàn)自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)熱啟動(dòng)累計(jì)次數(shù)

分析圖6可知，本文系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)，在第90天發(fā)生一次自動(dòng)熱啟動(dòng)情況，在第120天自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)上升到2次，然后在180天內(nèi)本文系統(tǒng)的自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)始終保持在該數(shù)值。但在運(yùn)行天數(shù)為210天至270天時(shí)，本文系統(tǒng)的自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)上升到了6次。在持續(xù)運(yùn)行天數(shù)為300天時(shí)，本文系統(tǒng)的自動(dòng)熱啟動(dòng)次數(shù)為9次。從本文系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí)自動(dòng)熱啟動(dòng)出現(xiàn)的概率來(lái)看，其運(yùn)行天數(shù)為300天時(shí)出現(xiàn)自動(dòng)熱啟動(dòng)概率僅為0.03%，該數(shù)值表明本文系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中較為穩(wěn)定，出現(xiàn)中斷情況的概率較低。

2.2 通信性能測(cè)試

利用環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸頻譜效率作為驗(yàn)證本文系統(tǒng)通信性能的指標(biāo)，測(cè)試本文系統(tǒng)在導(dǎo)頻數(shù)量不同時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的頻譜效率情況，結(jié)果如圖7所示。

圖7 通信性能測(cè)試結(jié)果

分析圖7可知，本文系統(tǒng)在傳輸不同數(shù)據(jù)量的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，其導(dǎo)頻數(shù)量越大，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的頻譜效率越低。但在環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量小于40 MB且導(dǎo)頻數(shù)量為3和5時(shí)，本文系統(tǒng)的通信頻譜效率與理想頻譜效率完全一致。隨著環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量的增加和導(dǎo)頻數(shù)量增大，本文系統(tǒng)傳輸環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的頻譜效率與理想頻譜效率出現(xiàn)一定距離。但當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量超過(guò)140 MB時(shí)，本文系統(tǒng)傳輸環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的頻譜效率與理想頻譜效率逐漸重合。

使用上位機(jī)向環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器發(fā)送環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集命令是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)，以環(huán)境數(shù)據(jù)采集命令連通次數(shù)為衡量指標(biāo)，測(cè)試不同登錄用戶(hù)數(shù)量下本文系統(tǒng)的采集命令連通情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

分析表1可知，本文系統(tǒng)發(fā)送環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)命令的連通次數(shù)受登錄用戶(hù)數(shù)量影響，登錄用戶(hù)數(shù)量越多，則環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集命令連通次數(shù)與命令發(fā)送次數(shù)的差值越大。當(dāng)?shù)卿浻脩?hù)數(shù)量小于80個(gè)時(shí)，本文系統(tǒng)的命令發(fā)送次數(shù)與命令連通次數(shù)完全相同，說(shuō)明此時(shí)本文系統(tǒng)并未受到登錄用戶(hù)數(shù)量的影響。當(dāng)?shù)卿浻脩?hù)數(shù)量為90個(gè)和100個(gè)時(shí)，本文系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集命令連通次數(shù)與命令發(fā)送次數(shù)分別出現(xiàn)2次和4次命令未連通情況，二者的命令成功連通的概率分別為99.79%和99.61%。

表1 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集命令測(cè)試結(jié)果

2.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集效果呈現(xiàn)

使用本文系統(tǒng)采集該工業(yè)區(qū)域環(huán)境溫度、濕度和降水量數(shù)據(jù)，并用上位機(jī)呈現(xiàn)給用戶(hù)，結(jié)果如圖8所示。

圖8 環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集效果

分析圖8可知，在本文系統(tǒng)的用戶(hù)端頁(yè)面內(nèi)可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)置和用戶(hù)權(quán)限管理，以及查看當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)等，且從其獲取的環(huán)境氣溫、濕度和降雨量等來(lái)看，本文系統(tǒng)可以用圖表的形式呈現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具備較好的美觀(guān)度和交互性。綜上所述，本文系統(tǒng)功能較為全面，且可充分展現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具備良好的應(yīng)用性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到某工業(yè)區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中。該系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，在通信時(shí)受通信導(dǎo)頻數(shù)量影響較小，且對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集命令的反饋較好，具備良好的數(shù)據(jù)傳輸性能，即本文系統(tǒng)可以滿(mǎn)足環(huán)境數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊蟆?/p>