大气固定污染源连续监测数据采集及通信系统
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摘 要
大气环境保护是我国的一项基本国策，大气监测则是大气治理中的一个重要环
节。上海市为进一步提高环境监管水平，适应环境管理的更高要求，决定建设大
气固定污染源连续排放监测系统。本课题是为了配合上海建设大气固定污染源连
续排放监测系统而研究的。
本课题设计了一种可以应用于环境监测子站系统（EMS）或污染源监测子站系
统（CEMS）的数据采集仪。该数据采集仪主要适用于省、地市、区县等各级环保
局、环境监控站、排污企业。本文研究的主要内容如下：
数据采集部分首先通过合适的传感器、数据采集卡以及工控机的选择等构成硬
件系统，然后确定要监测的污染因子，最后进行数据读取以及信号处理等。在传
感器组网上使用了 ZigBee 无线网络，创新性地将 ZigBee 无线网络应用到大气监测
上。数据库部分设计了基于 SQL Server 2000 的数据库，其中包括数据库表格的设
计和表格的生成，数据的存取等。报表部分主要包括小时、日、周、月、年报告，
子站参数报告，通道参数报告，烟道时序报告，校准时序报告等的设计与实现。
软件部分主要包括参数设置部分、查询显示部分和通信部分等，在通信部分中，
设计了分别基于 Internet 和GPRS 两种通信网络，符合 HJ/T212-2005 国家标准的
通信协议的设计与实现，具有填补空白的性质。最后，以美国热电子公司的 CEMS
为例说明对上海市现有系统的改造与兼容。
关键词：大气监测、ZigBee、SQL Server、VC++、通信协议、改造
与兼容
ABSTRACT
The air environment protection is one of our country's basic policies. Air
pollution monitoring plays an important role in the air pollution control. To raise
the level of environmental monitoring and to comply with higher requirements of
environmental management, Shanghai government decides to construct continuous
emissions monitoring system (CEMS) of air pollution emitted from stationary
sources. The paper is studied for this plan.
The paper designs one kind of data acquisition instrument which is used in the
environmental monitoring sub-station system or CEMS of flue gas emitted from
stationary sources. This data acquisition instrument is suitable for environmental
protection bureaus, the environment monitoring stations and the pollution
discharge enterprises.
The primary work and innovation of this paper are as follows:
In the data acquisition part, establish hardware configuration by selecting the
appropriate sensor, the data acquisition card and the industrial computer firstly.
Then select monitored pollution factors, acquire data and do signal processing.
Design the wireless sensor network based on ZigBee, and innovatively apply the
ZigBee wireless network in the air pollution monitoring. In the database part,
design database based on SQL Server 2000, including designing tables, building
tables and data deposit and so on. The reports part mainly includs the hour, the date,
the week, the month, the year report, the sub-station parameter report, the channel
parameter report, the flue succession report and the calibration succession report.
Design and realization of the software, including design and realization of the
setting part, the inquiry and display part and the communication part. Design and
realization of communication. Communication protocol, which conforms to the
HJ/T212-2005 national standard communication protocol, is able to fill blank. The
Internet and GPRS communication network design. At last, take CEMS of Thermal
for an example to explain original system's transformation and compatible in
Shanghai.
Key Word: Air Pollution Monitoring，ZigBee，SQL Server，VC++，
Communication Protocol，Transformation and Compatible
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论...................................................................................................................1
§1.1 概述................................................................................................................1
§1.2 大气固定污染源连续监测数据采集仪的概况............................................2
§1.3 本课题的主要工作........................................................................................2
§1.4 关键技术........................................................................................................3
第二章 系统整体结构与设计依据.................................................................................5
§2.1 系统整体结构................................................................................................5
§2.2 系统设计依据................................................................................................7
§2.3 主要被监测污染因子....................................................................................7
第三章 数据采集结构与程序设计.................................................................................9
§3.1 采样具体结构................................................................................................9
§3.2 传感器选型....................................................................................................9
§3.3 基于 ZigBee 的无线传感器网络设计 ........................................................10
§3.3.1 ZigBee 技术概述..............................................................................11
§3.3.2 无线传感器网络设计.......................................................................15
§3.3.3 接收程序设计...................................................................................16
§3.4 数据采集卡选型..........................................................................................17
§3.4.1 数据采集卡结构...............................................................................18
§3.4.2 主要技术指标...................................................................................18
§3.4.3 主要驱动函数...................................................................................19
§3.5 通道信号选择..............................................................................................21
§3.6 数据采集程序设计......................................................................................22
§3.6.1 数据采集程序流程...........................................................................22
§3.6.2 数据读取...........................................................................................23
§3.6.3 数字滤波...........................................................................................23
§3.6.4 量程转换...........................................................................................25
§3.6.5 数据审核...........................................................................................25
第四章 通信设计...........................................................................................................28
§4.1 数据通信网络架构......................................................................................28
§4.1.1 基于 Internet 的数据通信网络结构 ................................................ 28
§4.1.2 基于 GPRS 的数据通信网络结构...................................................29
§4.1.3 通信方式设置...................................................................................30
§4.1.4 基于 Socket 的通信程序设计.........................................................31
§4.2 符合国家标准 HJ/T212-2005 的通信设计................................................ 32
§4.2.1 应答模式...........................................................................................32
§4.2.2 超时重发机制...................................................................................32
§4.2.3 通信流程...........................................................................................33
§4.2.4 通信协议数据结构...........................................................................34
§4.2.5 通信协议程序设计...........................................................................38
§4.3 冗余循环校验（CRC）算法......................................................................44
§4.3.1 冗余循环校验原理...........................................................................44
§4.3.2 CRC 法的数学模型..........................................................................45
§4.3.3 冗余循环校验实现原理...................................................................46
§4.3.4 冗余循环校验程序设计...................................................................47
第五章 SQL server 2000 数据库设计与操作 .............................................................. 48
§5.1 SQL server 2000 数据库概述..................................................................... 48
§5.2 VC++对SQL Server 2000 的操作 ..............................................................49
§5.2.1 ADO 概述.........................................................................................49
§5.2.2 VC++中使用 ADO 操作 SQL Server 2000 ..................................... 50
§5.3 数据库主要表格设计..................................................................................52
第六章 软件功能介绍...................................................................................................58
§6.1 软件的系统构成..........................................................................................58
§6.2 系统管理模块..............................................................................................59
§6.3 数据采集模块..............................................................................................61
§6.3.1 子站参数的设置...............................................................................62
§6.3.2 通道参数的设置...............................................................................63
§6.4 查询显示模块..............................................................................................69
§6.4.1 查询显示设计...................................................................................69
§6.4.2 报告输出...........................................................................................69
§6.5 通信模块......................................................................................................76
第七章 对原有系统的兼容与改造设计.......................................................................77
§7.1 热电子公司 CEMS 子站系统及其通信方式简介.....................................77
§7.2 兼容与改造整体方案..................................................................................77
§7.3 虚拟 MODEM 通信设计 ............................................................................ 79
§7.3.1 MODEM 通信原理 .......................................................................... 79
§7.3.2 自制串口线连接方式.......................................................................81
§7.3.3 软件实现...........................................................................................82
§7.4 协议转换......................................................................................................85
第八章 结论与展望.......................................................................................................86
§8.1 论文的主要工作和结论..............................................................................86
§8.2 进一步的研究工作......................................................................................86
参考文献.........................................................................................................................87
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................89
致 谢...............................................................................................................................90
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
随着人类社会经济和生产生活的迅速发展与改善，人类在大量消耗能源的同
时，也将产生大量的废气和烟尘物质，严重影响大气环境的质量，特别是在人口
稠密的城市和工业区域。
当大气中污染物质的浓度达到有害程度，以致破坏生态系统和人类正常生存和
发展的条件，对人或物造成危害就造成了大气污染。目前国际社会最关心的全球
环境问题主要包括全球气候变暖、臭氧层破坏和酸雨等。由于这些污染问题的存
在，逐步表现出对各国社会经济发展的制约，世界各国对环境保护均给予了高度
的重视。大气环境保护是我国的一项基本国策，大气监测则是大气治理中的一个
重要环节，而其监测数据也是进行大气治理、环境评价和环境规划的重要依据[ 1]。
上海市为进一步提高环境监管水平，适应环境管理的更高要求，决定建设大气
固定污染源连续排放监测系统，利用网络通信、数据库、GIS、Internet/Intranet、
客户/服务器、智能化数据分析等当今计算机先进技术，通过从数据采集、传输、
处理、计算、分析、输出、共享等全过程的数字化管理。对大气固定污染源自动
监测（监控）数据收集、统一存储、查询检索、统计报表、网络化发布、GIS 分析
表达等，实现对全市主要大气固定污染源的污染物排放浓度、排放量等信息的完
整收集、快速传递、充分共享。
本课题是为了配合上海建设大气固定污染源连续排放监测系统而研究的。本课
题设计了一种可以应用于环境监测子站系统（EMS）或污染源监测子站系统
（CEMS）的数据采集仪。该数据采集仪主要适用于省、地市、区县等各级环保局、
环境监控站、排污企业。通过该采集仪建立起实用性强、覆盖面广、灵活性好的
污染源在线监测监控系统，可以实现以下功能：第一，满足政府环保相关部门对
环境监测信息的需求，实现信息共享；第二，规范企业排污行为，改善区域内整
体环境质量，加快现代化生态城市建设步伐，促进经济与环境协调发展；第三，
保护合法排污企业，促进经济可持续发展；第四，保障公众参与环保，创建和谐
社会，市民可以了解所处环境质量的好坏，增强环保意识，使环境保护工作透明
化。
本课题设计的数据采集仪基于 Internet 和无线网络的分布式监测技术。随着
Internet 和无线网络在全世界的迅速发展和普及，网络技术已经开始在各个领域中
广泛应用。把 Internet 和无线网络应用于环境保护是国际上最近几年出现的一个新
大气固定污染源连续监测数据采集及通信系统
2
趋势，但是现有的网络监测技术基本上是局限于通过电话线的点对点式的通讯，
地区之间缺少通过 Internet 或无线网络实现企业之间及企业和环保局之间的纵、横
向联系。因此，开发基于 Internet 和无线网络的分布式监测技术势在必行。
§1.2 大气固定污染源连续监测数据采集仪的概况
目前，我国正在运行的大气固定污染源自动监测系统基本上靠引进国外技术和
设备[2]，也有少数是近几年来国内生产的产品，但国内研发水平和能力有限，系统
良莠不齐；引进设备又往往与我国的具体实际结合不够，尤其是在系统结构、数
据采集、远程控制与诊断方面与实际需求相差较远。这些空气质量自动监测系统
基本上采用传统的专用数据采集传输系统，中心站的微机通过调制解调器用拨号
方式与子站连通并下载采集器中的数据。
这种系统虽然结构简单、造价低，但也存在大量问题：
1) 由于地理环境、位置等因素，存在线路申请难、施工难和维护难等问题，
且存在设备易遭雷击的安全隐患；
2) 传统拨号网络存在拨号连接时间长，效率不高的缺陷；
3) 难以做到所有监测点实时在线；
4) 通信线路易受到人为干扰；
5) 无法实现通信线路的多线程，数据采集效率低；
6) 无法提供监测点处理实时监测，无法为维护提供及时准确的维护数据，影
响日常维护工作；
7) 其可扩展性和监测能力有限。随着子站数目的增加，子站监测的数据量的
扩大，中心管理系统与各个监测现场单元通过电话线传输数据的方式，就会造成
数据传输拥挤，数据传输速度慢，安全性差。
§1.3 本课题的主要工作
本课题是上海市大气固定污染源连续排放监测系统的一部分。上海市大气固定
污染源连续排放监测系统从底层逐级向上可分为现场数据采集（现场机）、通信网
络及监控中心（上位机）三个层：
数据采集监测层作为系统最基本的部分，安装于各企业监测点的现场，它包括
一次仪表、现场数据采集通信等设备。
通信网络层是将现场采集的数据通过数据通信网络传输至监控中心。
监控中心向各监测点发布监测及通信命令；收集处理监测数据；监督或控制设
备的运行。
其体系结构如图 1-1 所示。
第一章 绪论
3
图1-1 大气污染物排放连续监测系统体系结构
本课题主要研究数据采集监测层和通信网络层，监控中心层暂不做讨论。另外，
本课题还将研究对上海市原有监测系统的兼容与通信方式的改造。
现将本课题的主要工作总结如下：
1) 硬件选择、数据采集和信号处理。首先通过合适的传感器、数据采集卡以
及工控机的选择等构成硬件系统，然后确定要监测的污染因子，最后进行数据读
取以及信号处理等。
2) 基于 ZigBee 的无线传感器网络设计。
3) 数据库设计。其中包括数据库表格的设计，表格的生成和数据的存取等。
4) 报表设计与实现。其中包括小时、日、周、月、年报告，子站参数报告，
通道参数报告，烟道时序报告，校准时序报告等的设计与实现。
5) 软件设计与实现。其中包括参数设置部分、查询显示部分和通信部分等。
6) 通信设计。符合 HJ/T212-2005 国家标准的通信协议的设计与实现。
Internet
和GPRS 两种通信网络设计。
7) 对原有系统的改造与兼容。以美国热电子公司的 CEMS 为例，说明对原有
系统的改造与兼容。
§1.4 关键技术
本课题的关键技术和难点如下：
1) 主要大气污染因子数据采集及信号处理；
大气固定污染源连续监测数据采集及通信系统
4
2) 基于 ZigBee 的传感器无线网络设计
3) 基于 Micro SQL server2000 的大气数据库设计；
4) 报表的设计与实现；
5) 具有 C/S 功能的数据采集仪软件设计；
6) 虚拟 MODEM 的设计与通信；
7) 符合 HJ/T212-2005 国家标准的通信设计。
第二章 系统整体结构与设计依据
5
第二章 系统整体结构与设计依据
§2.1 系统整体结构
通过对现有监测系统的结构分析，并根据大气污染的监测方法和特点，在总体
结构上本文采用基于 GPRS 和Internet 网络的分布式远程监控方式。大气连续监测
系统的整体结构主要由现场数据采集监测层，通信网络层和监控中心层三部分组
成，如图 2-1 所示，本设计主要研究前两部分。
------------
…………
现场数据
采集监测层
监控中心层 公网
Internet
通信网络层
中心站
子站 子站 子站
===
GPRS模块
===
GPRS模块
由局域网
接入Internet
由局域网
接入Internet
===
GPRS模块 由局域网
接入Internet
…………
GPRS
图2-1 大气连续监测系统整体结构图
其中监测子站中主要包括数据采集仪、各类监测传感器和无线模块等。各类监
测传感器可以根据情况直接或通过 ZigBee 无线模块将监测数据传输给数据采集
仪，由数据采集仪对数据进行读取，处理及储存等操作，在子站接入 Internet 较为
方便的情况下，可直接通过 Internet 和中心站进行连接，当子站没有 Internet 可以
接入时，可以通过 GPRS 无线工业传输模块将数据信息通过 GPRS 网络传输到接
入Internet 公网的中心站。子站系统结构图如图 2-2 所示。
其中被监测参数是要选择确定的，传感器或分析仪也要选择合适的品牌和型
号。数据采集仪是本课题研究的重点，本课题用工业计算机作为数据采集仪的主
体，数据采集部分的主要任务包括数据采集卡的选择，数据的读取，信号处理，
操作软件的设计与实现，通信协议的设计与实现，子站数据库设计等。
大气固定污染源连续监测数据采集及通信系统
6
数据采集仪
由局域网
接入Internet
RS232
......传感器或分析仪 传感器或分析仪传感器或分析仪
被监
测污
染物
因子
被监
测污
染物
因子
被监
测污
染物
因子
......
GPRS无线模块
子站
== ==
zigBee中心模块
RJ45
ZigBee网络
zigBee无线终端
图2-2 子站系统结构图
在数据通讯部分中通过 GPRS 无线网络和 Internet 网络使监测子站和监测管理
中心建立起 Socket 连接，监测管理中心下发的命令或监测子站上传的数据都按照
TCP/IP 协议通过该 Socket 连接进行传输。通信协议严格遵守国家污染源在线自动
监控（监测）系统数据传输标准（HJ/T 212-2005）和《上海市固定污染源烟气排
放连续监测系统通信规范（试行）》。
本文的数据工作流程为：中心的应用服务器层向监测子站发出数据请求，监测
子站通过传感器采集、数字化并进行相关的处理，将大气污染数据及监测仪器的
运行状态数据输入现场机，现场机对数据做出简单分析、监测数据图表及报表的
生成等处理工作，这些处理分析处理结果供本地查看，同时现场机根据中心站的
数据请求命令内容将监测的数据通过 Internet 传回到监测中心。
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摘要大气环境保护是我国的一项基本国策，大气监测则是大气治理中的一个重要环节。上海市为进一步提高环境监管水平，适应环境管理的更高要求，决定建设大气固定污染源连续排放监测系统。本课题是为了配合上海建设大气固定污染源连续排放监测系统而研究的。本课题设计了一种可以应用于环境监测子站系统（EMS）或污染源监测子站系统（CEMS）的数据采集仪。该数据采集仪主要适用于省、地市、区县等各级环保局、环境监控站、排污企业。本文研究的主要内容如下：数据采集部分首先通过合适的传感器、数据采集卡以及工控机的选择等构成硬件系统，然后确定要监测的污染因子，最后进行数据读取以及信号处理等。在传感器组网上使用了ZigBee无线...
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