1 引言
基于GPRS和MCS-51單片機的數據采集器是一種實時在線環境監測系統，它采用分組無線業務GPRS將實時在線檢測到的環境狀況通過Internet傳到環保部門監測信息處理中心，監測信息實時處理軟件通過對采集來的數據進行整理分析，使環保機關足不出戶即能掌握轄區監測點和污染源的監測指標信息，從而使環保機關的管理在機制上實現從人工化向信息化的轉變，克服了過去對各項環境指標的檢測主要靠環保人員到現場手工取樣，帶回實驗室分析后再作出結論的周期長、效率低的問題;還可以提高對環境的監測頻次，克服過去由于監測頻次低，總結出來的環境質量和污染源監測信息可信度較低的問題。
2 監測系統的工作過程
整個系統的具體工作過程見圖1。數據采集器單元將流量計、PH計、COD計等各個現場測量儀器輸出的標準4~20mA的電流信號轉變成數字信號，并對采集數據進行內部保存，然后通過GPRS模塊采用無線傳輸方式發送給監控中心，由運行在監控中心計算機中的“監測信息實時處理系統”軟件進行監測數據的集中處理和分析，監控中心人員就可以根據處理和分析后的數據了解采集點出的環境質量狀況。
3 數據采集器硬件結構
采集器采用雙CPU結構，主CPU專門負責與監測軟件之間的數據通訊傳輸和量程設置及參數顯示;從CPU專門負責各自通道的數據采集、轉換及存儲，這樣可以避免各通道切換帶來數據信號的干擾，保證數據測量的精確可靠。從CPU用兩種方式(RS-485串行通訊方式及4～20mA電流環方式)來接收或轉換各個在線監測儀器的數據(見圖2)。從功能上，采集器電路劃分為以下幾個組成部分：
(1)單片機控制單元電路
單片機控制單元電路包括兩片單片機AT89S52(分別用主CPU和從CPU表示)、高速1K雙口靜態RAMIDT7130、E2PROMAT24C512等器件。MASTERCPU主要用來控制、通訊(與上位機遠程通訊，與SLAVECPU進行數據的接受和發送命令等通訊操作);SLAVECPU主要用來對采集來的數據進行數據轉換，并與MASTERCPU進行數據傳遞。AT89S52內含8K的FLASH作為程序存儲器。高速1K雙口靜態RAMIDT7130作為MASTERCPU和SLAVECPU通訊的共享RAM。
參數數據存儲采用外部擴展一片64K的E2PROM(AT24C512)，用于數據存儲，并根據需要將數據送去顯示或上傳。
(2)A/D轉換電路
A/D轉換電路采用MAX197,用于將監測儀器送來的4～20mA的模擬信號轉換成數字信號送至單片機進行處理。MAX197芯片是美國MAXIM公司近年的新產品，是多量程(±10V,±5V,0～10V,0～5V)、8通道、12位高精度的A/D轉換器。它采用逐次逼近工作方式，有標準的微機接口。三態數據I/O口用做8位數據總線，數據總線的時序與絕大多數通用的微處理器兼容。全部邏輯輸入和輸出與TTL/CMOS電平兼容。新型A/D轉換器芯片MAX197與一般A/D轉換器芯片相比，具有極好的性能價格比，僅需單一+5V供電，且外圍電路簡單，可簡化電路設計。
在此采集器系統選用從CPU與其聯接。使AT89C52的P0.0～P0.7與MAX197的D0～D7相連。P2.7作片選信號，MAX197的地址分配為7000H。選擇MAX197為軟件設置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平，本例采用內部基準電壓，所以REF、REFDJ均通過電容接地。用P1.7腳用做判讀高、低位數據的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳與從CPU的P1.6相連，作為轉換識別信號。
(3)通訊傳輸單元
由于環境監測點地理位置比較分散、偏僻、自然條件較差，采用有線傳輸需要架設專線，成本太高。無線傳輸因組網迅速靈活、建設周期短、成本低，特別適合條件差的野外使用環境和跨區域的應用。特別是隨著移動通訊技術的發展，采用無線網絡方式來傳輸數據已成為新的發展趨勢。這里采用了深圳宏電公司的GPRS無線數據終端單元(DTU)作為監測數據的傳輸單元，其主要技術特點有：
一是透明數據傳輸。H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口，使用簡單、方便，為用戶的數據設備提供透明的傳輸通道;二是后臺計算機支持經。普通GPRSModem通常需要附著在PC機上虛擬撥號上網，利用PC機的資源進行數據收發和協議轉換;而H7100GPRSDTU內置自動網絡連接和協議處理模塊，無須后臺計算機支持;三是點、點對多點、對等、實時數據傳輸。H7100GPRSDTU可以實現點~點、點~多點、中心~多點的對等數據傳輸，傳輸時延一般小于1s;四是永遠在線。H7100GPRSDTU一開機就能自動附著在GPRS網絡上，并與數據中心建立通訊鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據。由于H7100GPRSDTU直接提供RS485或RS232接口，因此和主CPU之間的通訊電路采用兩種串行通訊方式：即RS-485和RS-232方式。分別采用MAXIM公司的MAX1487和MAX202E通訊芯片來實現，通過內定的通訊協議及GPRS數據傳輸單元與遠程的監測信息處理中心進行數據傳輸。
(4)按鍵、顯示電路
本采集器采用比高科技公司的BC7281芯片來實現采集器上的相關參數輸入及數據顯示。該芯片可驅動8位或16位數碼管顯示，具有64鍵鍵盤接口，內含去抖功能，具有2種鍵盤工作模式，適應不同應用要求，獨具光柱譯碼方式，可獨立控制兩條64段光柱顯示，段尋址功能便于控制獨立的LED,16位均均可獨立控制閃爍屬性，閃爍速度軟件可調，段驅動極性及移位脈沖時序均可控，可配合各種形式的驅動電路，鍵盤部分具有鍵值鎖存功能，內部顯示寄存器和控制寄存器的內容均可讀出，且采用2線制的高速串行接口與CPU連接，大大簡化了電路設計，編程較為方便。
4 采集器控制程序流程
5 結語
本文介紹的數據采集器具備對多路模擬量(4~20mA信號)的自動連續采集、轉換、存儲及數據傳輸功能，能自動保存最近6-30天檢測數據。由于具備RS-232和RS-485通訊接口，可以方便地外接其他的檢測模塊。另外該采集器還使用了GPRS無線傳輸模塊。