環境數據採集系統的任務是對環境各種參數進行採集，送入計算機，由計算機根據需要進行相應計算和處理，得到所需要的數據，同時將數據按要求進行顯示或列印。該系統分為兩部分：客戶端(終端)，伺服器。客戶端實現環境數據的採集並無線傳輸，伺服器則對客戶端上傳的數據進行保存並實現對多客戶的並發服務。
基本介紹
- 中文名：環境數據採集系統
- 外文名：Environment Data Acquisition System
- 系統結構：客戶端、伺服器
- 感測器：溫濕度感測器、粉塵感測器等
- 採集過程：信號的調理、採樣、量化等
- 所屬學科：信息科學
簡介,套用背景,基本理論,採樣過程,模/數轉換器,採樣方式,系統總體功能,系統設計,處理器,雷射粉塵感測器,定位模組,無線傳輸模組,圖像感測模組,
簡介
數據採集就是將被測對象的各種參量通過感測元件轉換為電信號，再經過信號的調理、採樣、量化、編碼、傳輸等步驟，送至控制器進行數據處理、分析或存儲記錄的過程。環境數據採集系統的任務是對環境各種參數進行採集，送入計算機，由計算機根據需要進行相應計算和處理，得到所需要的數據，同時將數據按要求進行顯示或列印。隨著計算機技術的快速發展，數據採集與監控系統在工業生產、生活中迅速地得到套用。
套用背景
霧霾是在一定的溫度，濕度及氣壓等氣象條件下與排放的顆粒物相互作用的結果，現實生活中，人類的活動必然會向空氣中排放大量細顆粒物，當排放的這些顆粒物的濃度超出了大氣的承載度和循環淨化能力，其濃度將逐漸升高，此時如果出現靜穩天氣，很容易爆發大範圍的霧霾；因此掌握當前氣象的狀況與當前顆粒物的狀況對治霾防霾、空氣品質信息發布和預測具有重要的指導意義。由於氣象環境的複雜性、多變性、局部性，就需要對相關的氣象數據進行長時間的、動態的、區域化的多點檢測。對於氣象數據的檢測，既可以在現場直接測定，也可以遠程測定；現場直接測定浪費人力物力，效率較低；遠程測定需使用無線通信技術，省時省力，便捷高效。
基本理論
採樣過程
為了對模擬信號用數字方法處理，應先將模擬信號數位化，即進行模/數(A/D)轉換。模/數轉換過程，包括三個內容：一是採樣，二是量化，三是編碼。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器，對信號進行調理，然後由採樣器在每個採樣時刻讀出一個數據；再由模數轉換器(ADC)量化為二進制數碼，數據最後保存到存儲器用於數位訊號處理。
模/數轉換器
模/數轉換器是整個數據採集系統的核心，它的性能直接限制系統的性能。要使設計的系統能滿足工作條件，首先要選對模/數轉換器。因此，有必要去了解模/數轉換器的發展狀況。
採樣方式
常見的採樣方式可分為“實時採樣”和“等效時間採樣”兩大類。
“實時採樣”是在信號存在期間對其採樣。按照採樣定理，採樣速率必須高於信號中最高頻率分量的 2 倍；對於周期性正弦信號，一個周期內應該至少有兩個採樣點。“實時採樣”除了通常使用的定時採樣外，還常常使用“等點採樣”，即“變步長採樣”。這種採樣方法不論被測信號頻率為多少，一個信號周期內均勻採樣的點數總共為 N 個。
系統總體功能
該系統分為兩部分：客戶端(終端)，伺服器。客戶端實現環境數據的採集並無線傳輸，伺服器則對客戶端上傳的數據進行保存並實現對多客戶的並發服務。具體功能如下：
(1) 客戶端具備環境的溫度、濕度、大氣壓力採集功能。
(2) 客戶端具有顆粒物檢測功能。
(3) 客戶端具有地理信息標識功能（GPS 定位功能）。
(4) 客戶端具有本地顯示及圖像信息捕獲功能。
(5) 客戶端具有無線網路傳輸功能。
(6) 伺服器是基於 TCP 協定的並發伺服器，套用多執行緒編程技術以實現多客戶並發訪問功能。
在客戶機/伺服器模式的系統中，存在大量的客戶機，而伺服器的數量視根據實際需要而定（一個或多個），在該設計中一個伺服器並發服務多個客戶機，在實際套用時多個客戶機分布在一個大區域的不同角落，各個客戶機應使用 GPS 模組標識自己的地理位置信息，同時，客戶機將所採集的環境數據通過移動公網接入 Internet 上傳到數據伺服器，系統的工作示意圖如圖所示。
系統設計
套用嵌入式技術與無線網路通信技術相結合，設計了客戶機（client）/伺服器(server)架構下的嵌入式環境數據採集系統。該系統分為兩部分：客戶端與伺服器；客戶端，即終端通過氣壓計、溫度感測器、濕度感測器、顆粒物感測器對環境數據進行定時採集，並使用移動無線通信技術將數據上傳到伺服器，同時為了便於直觀的感受區域點的實時環境狀態圖像信息，套用 USB Camera 對環境圖像進行捕獲並上傳至伺服器，伺服器接收相關數據並存儲。 該系統可以在大區域內實現長時間的、動態的、區域化的多點檢測；同時該系統也可以作為大數據時代下的重要數據來源，通過對相關氣象數據進行建模統計，以掌握相關指標的發展趨勢，對環境信息發布及預測具有重要的指導意義。
處理器
S3C2440 處理器採用基於先進的哈佛匯流排結構的 ARM920T 核心，由韓國 Samsung公司製造，其最高工作頻率可達 400MHz，該處理器片上資源十分豐富，使用它僅需要很少的外圍電路便可以完成一個系統設計。
溫濕度感測器與氣壓計
SHT20 溫濕度感測器由瑞士 Sensirion 公司製造，該感測器精度高、穩定性好。SHT20可以同時測量空氣溫度（Temperature），相對濕度(Relative Humidity )。在測量相對濕度時其測量的溫度可以對濕度進行補償，因此精確度較高，SHT20 具有如下特點：
(1) 完全標定，解析度可程式 RH(8～12bit)，T(11～14bit)。
(2) 數字輸出，I2C 匯流排接口。
(3) CMOS 電平，3.3V 單電壓供電。
(4) 低功耗以及長期的穩定性。
BMP180 氣壓計也是 I2C 匯流排接口，輸出完全標定，3.3V 單電源供電，氣壓解析度可程式(16～19bit)，其內部由感測單元、ADC 轉換器、控制邏輯及EEPROM組成；BMP180 輸出未經補償的壓力數據，EEPROM 中存儲著 22bit 感測器校正數據，在操作BMP180 獲取數據之前，應先讀取 EEPROM 中的數據，然後對 BMP180 輸出的數據進行校正，可以得到準確的數值。
雷射粉塵感測器
PMS3003 為第三代雷射粉塵感測器，它採用雷射散射原理，利用空氣中的懸浮顆粒物對雷射產生散射，並在某一特定角度收集散射光線，從而得到散射光強隨時間變化的曲線。該感測器的微處理器利用米氏(MIE)理論算法，計算出顆粒物的等效直徑，及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量。該感測器可以有效檢測微小顆粒，檢出感度0.3μm，能有效的檢測 PM1.0，PM2.5，PM10 等顆粒物，感測器使用 5V 供電，串口輸出(3.3V TTL 電平)，由於 S3C2440 為 3.3V CMOS 電平，根據 CMOS 電平可以直接驅動TTL 電平，但是 TTL 電平不能直接驅動 CMOS 電平的原則，需要對 PMS3003 感測器的串口輸出電平進行電平轉換，在此使用 SP3232 將兩接口電平均轉換為 RS232 電平。
定位模組
GPS 是 Global Positioning System 的簡稱，起源於美國軍方項目，現已廣泛民用、商用，用戶只需要購買相應的定位設備即可。GPS 定位模組採用 U-Blox 公司的 NEO-5晶片設計，該晶片內部集成定位算法，通過外接電源和天線，便可以輸出 NMEA(National Marine Electronics Association )-0183 格式的定位信息。該芯可以以多種接口形式輸出定位信息，如串列接口 UART，USB 接口，本設計中使用串口對定位信息進行輸出，因此需要配置 CFG_COM0，該引腳主要是設定串列通信的波特率，設計中RXD與TXD兩引腳為TTL電平，需要使用 SP3232電壓轉換晶片，將其轉換中 RS232 電平。
無線傳輸模組
GPRS 模組採用內置 TCP/IP 協定棧的 SIM900A 晶片，模組通過串口與 S3C2440 進行通信，GPRS 模組在系統中主要實現數據的無線傳輸功能。GPRS 網路是在 GSM 網路上通過引入 GPRS 服務支持節點(SGSN)和 GPRS 網關支持節點(GGSN)而來的，它採用分組交換技術，即每次傳輸的是一個數據的分組。在傳輸分組數據時，GPRS 終端通過基站(BTS)連線到 SGSN，再由 SGSN 與 GGSN 進行通信，GGSN 對分組數據進行傳送到其他 GPRS 網路或者 Internet，其通信過程如下圖。
