基于EM50/R/G数据采集器的远程遥测系统设计

杨柳，母佳鑫，赵晨峰，尚洁

（成都理工大学，四川成都，610059）

0　引言

随着计算机技术、智能控制技术以及通信技术的发展[1]，万物互联的需求日趋强烈。EM50/R/G是美国Decagon公司生产的三款五通道数据采集器，可与其生产的土壤湿度传感器，环境传感器等配合使用。EM50/R/G数据采集器凭借其优越的稳定性、可靠性以及高精度，在国内抢占了大量的市场份额，特别是野外数据采集器市场。

虽然目前Em50G已经支持远程遥测，但是该数据采集器的服务器部署在国外，这给国内的使用者带来了诸多不便。这样的远程测控方案不仅数据容易被劫持，特别是一些比较关键、敏感的监测点，而且其传输速度极慢，稳定性不高。因此，本文针对EM50/R/G数据采集器在国内的不足，设计了一种针对EM50/R/G数据采集器的远程遥测系统，通过在国内的实际应用表明，相比于现有的EM50/R/G数据采集方案具有更高的安全性、稳定性、可靠性以及灵活性。

1　系统设计方案

本系统总体架构如图1所示。数据采集终端通过串口通信方式与EM50/R/G数据采集器进行交互，并将采集到的数据通过GPRS无线通信技术上传至搭建的云服务器，云服务器接收到数据后对数据进行解析并入库。用户可通过WEB站点查看采集到的数据和远程控制数据采集器。

如图2所示，远程遥测系统由十个部分组成：ECH2O土壤水分传感器、Em50/R/G数据采集器、STM32F103CBT6最小系统、SIM800C模组、云服务器、UI交互、电源供电端口、电源稳压电路、锂电充放电管理电路、锂电池组。

图1　系统总体架构

用户通过WEB端的UI界面对数据采集器的采集频度、采集通道、波特率等进行设定，并设定最小系统对数据的上传频度、上传格式。上电后，最小系统和数据采集器根据预先设定好的参数进行工作。数据采集器会将采集到的数据发送给最小系统，最小系统就会进行数据的容错、打包处理，SIM800C模组将按照指定的数据格式以TCP/IP的通信方式上传数据。此时云服务器采用多并发的方式进行数据接收，收到后进行数据的拆包、入库操作。然后WEB站点对入库的信息进行展示。

2　系统硬件部分

硬件部分的主要任务是完成供电、数据的采集、数据的发送[2]。该电路由三个模块组成：STM32F103CBT6最小系统电路、GPRS通信电路、电源稳压及电源管理电路。

2.1　最小系统电路

STM32F103CBT6微控制器不仅处理能力强，还有优越的稳定性和超低功耗等优点，非常适合做野外设备的主控IC。根据本系统的设计要求，最小系统电路除了包含晶振、复位、烧录口、BOOT选择电路外，还包含RTC实时时钟电路、W25Q128存储器电路、串口通信电路。

图2　远程遥测系统

实时时钟电路主要用于系统的时间管理，可根据用户需求灵活的设定数据上传时间间隔，同时也可记录数据采集的时间。存储器电路主要用于GPRS通信不成功时存储数据，以保证数据在时间轴上的完整性。

2.2　通信电路

GPRS通讯网络覆盖全国各地，通过认证接入可实现通讯[3]，本电路采用芯讯通无线科技（上海）有限公司提供的SIM800C通信模组。采用串口方式与微控制器进行通信和命令交互，能实现微控制器到云服务器的双向数据透明传输。同时结合电源管理电路，实现了最大电压输入范围的兼容。

2.3　电源稳压及电源管理电路

本电路采用TI公司的LM2596系列的电源IC作为电源稳压芯片，采用英集芯科技的IP5306电源管理芯片为电源管理电路的核心IC。

稳压芯片能为最小系统电路提供正3.3V的电源电压，为GPRS通信电路提供正3.9V电源电压。为了让系统持续得到供电，还采用IP5306对锂电的充放电进行管理。既保证系统供电的可持续性，还提升了设备在野外的可靠性。

3　系统软件部分

软件部分包含数据采集终端软件、服务器通信脚本软件以及面向用户的WEB站点。EM50采集器通过获取ECH2O传感器传回的数据，处理后将数据推向数据采集终端，再通过与EM50的命令交互进行数据采集间隔、波特率等的参数设定。当采集完后，会通过GPRS通信电路将数据上传至云服务器。云服务器通过服务器通信脚本软件接收数据，并以数据库的方式存储管理数据[4]。用户通过登陆我们搭建的WEB站点后，可设定参数、查看数据和远程控制。

3.1　数据终端和服务器脚本软件

上电后，数据终端软件进行初始化操作并工作。完成一次数据采集后，将数据按规定的通信格式进行打包处理，然后通过GPRS通信电路把数据上传到云服务器上。

服务器脚本软件采用套接字多进程并发、短连接的方式进行数据通信。初始化后，便创建套接字连接，并对连接进行监听。当连接有请求时，就生成子进程对连接请求进行处理。在处理请求中，先对数据进行解析，剔除不符合数据通信格式的数据，将符合数据通信格式的数据入库。

3.2　WEB站点开发

用户通过访问站点，站点将指定节点的历史数据展示在网页上。在站点，用户不仅可查看任意节点的历史数据，还可对数据采集终端的工作参数进行设置。

4　系统测试

在野外，影响电子设备的主要因素是温度、湿度、设备的耐酸碱性能。为克服这些因素，系统采用了南大703硅橡胶涂覆，元件选型也采用军工级别标准。本系统在开发完成后，硬件部分直接放到捷盛DW-45W108低温冰柜中进行测试，测试环境温度设定为零下40度，测试48小时后硬件部分以及系统功能没有出现任何异常，此时元件表面已经形成0.8mm厚的冰块。将硬件部分取出后，冰块开始融化，继续测试，待板子融化的雪水风干后，系统仍然没有出现任何异常。

5　结束语

本文设计的一种针对EM50/R/G数据采集器的远程遥测系统，能够通过GPRS无线通信技术远程控制EM50/R/G数据采集器的工作状态，并且能将EM50/R/G数据采集器采集到的传感器数据进行实时、灵活、稳定以及可靠的传输至云服务器；通过搭建的云服务器可以对数据采集终端上传的数据进行接收和存储；通过搭建的WEB站点可以对当前数据以及历史数据进行展现。本系统以野外恶劣气候条件为背景进行设计，整个系统已投入使用且在实际使用中稳定、可靠，增强了EM50/R/G数据采集器在中国境内数据传输的安全性、稳定性、实时性以及可靠性。