基于物联网及GPRS技术的远程环境监测系统

基于物联网及GPRS技术的远程环境监测系统

作者：张律

来源：《山东工业技术》2014年第20期

摘 要：本文探讨了将传感器技术、物联网技术、GPRS通讯技术及上位机软件技术结合起来实现远程环境参数监测的方案，提出了利用远程网络进行如空气质量检测、温湿度检测及其他需要进行环境参数检测的现场数据采集的途径。 关键词：传感器;物联网;GPRS;远程监测 1 概述

目前大多数环境监测系统中的数据传输方式采用有线数据传输或每个终端均配置运营商GPRS网络，工程费用及维持费用高昂，造成人力、物力、财力的大量浪费，将GPRS技术应用通信网关并与现场Zigbee传感网络融合，可以实现低成本并高效的现场环境参数远程实时监测。

本文针对范围广、布局杂的环境监测提出了将大量部署的具备传感功能的移动终端通过Zigbee通讯网络实现互联互通，进而经由网关并通过GPRS网络上传数据至上位机进行处理，实现实时在线监测功能，实现高效节能、安全环保、节约成本的将传感器技术、物联网技术、GPRS通讯技术及上位机软件技术结合起来的远程环境监测系统。整个系统的网络由底层Zigbee网络和移动GPRS组成双层通信，硬件系统由支持Zigbee的无线传感采集节点、Zigbee无线路由及GPRS通讯网关、中国移动网络及上位机组成。 整个远程监控系统实现原理拓扑图如图所示。 2 系统设计 2.1 数据采集终端

对于实行环境监测而言，数据采集点零散分布在较大范围内构成底层网络，单个节点信息量小且信息传输任务简单，但对传输实时性要求较高。传统环境监测系统采用的传感终端需要以有线方式连接到网关处理机，造成施工成本高、维护难度大;部分系统采用每个终端配置移动GPRS网络方式，虽然解决了有线传输问题，但大批量GPRS终端带来的通信费用却是不可忽视的。

本系统的监测终端采用支持Zigbee无线技术的传感模块，传感器仍然采用传统传感器如温度、湿度、光照、气体及其他通用传感器，但在终端设计上结合支持Zigbee的CC2530通信

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模块。ZigBee通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网的双向无线通讯技术，通过Zigbee自组网功能，无线传感网络可以实现大范围延伸。目前CC2530模块可以支持几十米至几公里的传输距离，两节高容量电池可以支持半年或采取自动充能技术，非常适合环境监测的实际应用场合。

各传感终端采集环境数据后通过Zigbee网络将数据最终汇聚到Zigbee无线网关路由器，路由器接收数据后可直接通过GPRS网络上传至上位机。 2.2 GPRS网络传输

GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，相比传统GSM具有高速传输、持久在线的优点。GPRS网络传输速率最高可达170kb/s，建立连接后一直在线，在分组交换模式下只在收发数据期间占用资源，支持多用户高效共享同一无线信道，GPRS特别适用于间断突发的或频繁少量的数据传输场景。

Zigbee路由器将无线传感网络汇聚的数据通过GPRS通信网络进行传送，把底层无线传感网络的低成本组网优势与GPRS持久稳定的通信特点有机结合，实现了组网快、成本低、覆盖广、安全高的优点。通信网关上电注册移动GPRS网络后作为客户端与作为服务端的后台中心建立SOCKET连接，监测中心后台通过通信网关进行双向无线数据传输从而实现无线远程监测。

2.3 上位机通信及数据处理

为了实时获取远程环境监测数据，可以借助高级编程语言如VB、VC、C++、C#、JAVA等构建远程监测上位机软件系统。通过将上位机通信接口与互联网链接，上位机可以接收远程数据信息，界面实时反映现场采集数据信息并实时或定时自动保存数据至数据库，以便随时调取实时曲线、历史曲线及报表供管理人员分析决策。

上位机系统在设计上一般采取C/S架构以保证稳定及安全，同时具备用户权限管理功能，通过设置多级权限实现多级控制。上位机不仅接收由远程GPRS网关上传的原始数据并分析分解为可读数据在上位机程序中显示，还具备状态图、趋势图、棒图等动态图表显示趋势，并对超过或低于预警阈值的突发情况进行实时循环报警直到故障排除。

在端口通信方面，如果条件允许，可以为上位机直接分配互联网固定IP地址直接接收上传数据;如果上位机必须放置于内网，则可在路由器上设置固定映射，将到某端口的数据由路由器直接转发至上位机，但这个方法不能实现在任何地方获取远程数据，只能固定在企业内部。

本文提出一种方案，远程监测数据通过GPRS网络上传至企业路由服务器，在其上开启VPN并为VPN用户分配固定内网IP，然后在服务器上做端口映射，将某端口接收数据转发至为VPN用户分配的固定IP。在此方案下，无论上位机在什么地方，只要上位机通过各种方式

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如通过公共场所WIFI或使用电信无线上网卡访问到互联网，即可直接向企业服务器进行VPN拨号并获取内网固定IP，在VPN通道上，发往服务器的GPRS数据会直接转发至异地VPN客户端，真正实现随时随地进行远程监测。 2.4 远程控制

对于需要进行远程控制的环境监测系统，可以将无线传感终端与采用PLC编程的相关控制器接驳，传感终端作为网络节点通过Zigbee网络实现各节点间、现场节点与网关间的信息传输，上行传输实现资源共享和集中管理，下行传输则延伸控制范围。在自动模式下，PLC根据预定流程对现场设备完全控制，上位机起监测作用，当检测到异常时产生报警信号;在远程模式下，控制人员在上位机上向传感终端发送控制信号，由传感终端转发控制信号至PLC以控制现场设备。 3 结束语

本文探讨了将传感器技术、物联网Zigbee通信技术、GPRS通讯技术及上位机软件技术结合起来实现远程环境参数监测的方案，为利用远程网络进行现场环境参数数据采集提供了优化途径。 参考文献：

[1]万宝春.GPRS通信与上位机编程[J].计算机工程，2012（09）. [2]曹丽君，周川.Zigbee通信协议与物联网[J].科技信息，2013（11）.