一種無線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

王　盟　馬艷崢　徐曉輝　王治學(xué)

摘 要：介紹一種以C8051F020單片機(jī)為微控制器的環(huán)境參數(shù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。包括其硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程的設(shè)計。系統(tǒng)通過微控制器控制無線模塊PTR8000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā),從而完成數(shù)據(jù)的采集、存儲；并可以通過由TC35i構(gòu)成的GSM MODEM實(shí)現(xiàn)GSM短消息的報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本低,功耗低,適用于對野外或其他不便于鋪設(shè)線纜的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：TC35i;GSM;PTR8000;C8051F020;無線數(shù)據(jù)采集;遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-030-03

Design of Wireless Data Acquisition and Remote Monitoring System

WANG Meng,MA Yanzheng,XU Xiaohui,WANG Zhixue

(Information Engineering College,Hebei University of Technology,Tianjin,300401,China)

Abstract：The paper introduces a design of wireless data acquisition and remote monitoring system using C8051F020 as controller,including the structure of hardware and the flow of software.The system can complete the acquisition and storage of temperature,humidity,illuminance and other environmental parameters,realize wireless sending and receiving of data through PTR8000 and GSM short message alarm and remote monitoring through TC35i modules.With the simple structure,low cost and power dissipation,this system can be applied to field and other areas which are inconvenient to lay cables for data acquisition and remote monitoring.

Keywords：TC35i;GSM;PTR8000;C8051F020;wireless data acquisition;remote monitoring

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,對于采集數(shù)據(jù)的傳輸大多采用有線方式,因?yàn)橛芯€方式的傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率以及抗干擾能力都要優(yōu)于無線方式；然而對于在野外或者不便于鋪設(shè)線纜的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸時,采用有線方式就受到了限制。針對這一特點(diǎn),設(shè)計了采用無線傳輸方式的無線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)選用Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)作為微控制器,集數(shù)據(jù)采集、存儲、無線傳輸為一體,并實(shí)現(xiàn)通過GSM短消息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和報警的功能。整體

結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分,從機(jī)將從傳感器上采集的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)單元發(fā)送給主機(jī),主機(jī)收到數(shù)據(jù)后,將其在顯示單元顯示并存儲到存儲器理。除此之外,主機(jī)模塊還含有GSM短消息單元,通過該單元可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與GSM網(wǎng)內(nèi)手機(jī)的短消息通信。GSM網(wǎng)手機(jī)用戶可以通過短消息提出查詢請求,主機(jī)收到短消息的請求后進(jìn)行相應(yīng)的處理,最終以短消息的形式回復(fù)該查詢請求。另外,主機(jī)可以事先設(shè)定所采集數(shù)據(jù)的臨界值,當(dāng)達(dá)到該值時主機(jī)會向事先設(shè)定好的手機(jī)號碼發(fā)送報警短消息,從而達(dá)到報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。

1.2 系統(tǒng)主要芯片的選擇

系統(tǒng)的主控芯片采用Cygnal公司的C8051F020單片機(jī),該單片機(jī)采用高速8051微控制器內(nèi)核,速度可達(dá)25 MIPS,具有8個I/O口,5個通用定時器,5個捕捉/比較模塊及專用看門狗定時器,可同時使用SMBus,SPI及2個UART串口,內(nèi)置64 KB高速存儲器。模擬外設(shè)方面,芯片具有1個12位ADC,1個8位ADC,2個12位DAC及2個模擬比較器［1］。芯片內(nèi)部的這些數(shù)字和模擬外設(shè)將使系統(tǒng)的設(shè)計更加簡單,集成度更高。

無線收發(fā)單元采用PTR8000無線收發(fā)模塊［ 2-5 ］。PTR8000是高性能嵌入式無線收發(fā)模塊,它的核心芯片是挪威Nordic VLSI ASA公司的nRF905。具有可選頻道多,功耗低,抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),其特性如下：433/868/915 MHz多頻道多頻段,1.9～3.6 V低電壓工作,待機(jī)功耗2 μA；超小體積,內(nèi)置環(huán)形天線,性能穩(wěn)定,對電源不敏感,傳輸距離更遠(yuǎn)；最大發(fā)射功率 +10 dBm,高抗干擾GFSK調(diào)制?？商l通信,數(shù)據(jù)速率可達(dá)50 Kb/s；有獨(dú)特的載波檢測、地址匹配、數(shù)據(jù)就緒等輸出；內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC,通過SPI接口可以方便地完成所有的無線收發(fā)傳輸,使用簡單［6］。

GSM短消息單元,采用SIEMENS公司的GSM無線通信模塊TC35i,為其搭建外圍電路,構(gòu)成一個GSM MODEM,微控制器通過串口與其進(jìn)行通信,控制其工作［ 7-10 ］。GSM MODEM模塊電路簡圖如 圖2所示。

系統(tǒng)采用128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊作為顯示單元,鍵盤采用4×4鍵盤,顯示模塊支持漢字顯示,可以更好進(jìn)行人機(jī)交換,使用者可以更容易、直觀地和系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

存儲器部分,因?yàn)橄到y(tǒng)選用的C8051F020微控制器內(nèi)置64 KB高速存儲器,對于一般數(shù)據(jù)量的存儲已經(jīng)足夠。但是,考慮到特殊情況,系統(tǒng)還是設(shè)計了外部擴(kuò)展存儲器。外部存儲器采用Ramtron公司的一款低

電壓鐵電存儲芯片F(xiàn)M24C512。其工作電壓為2.7～ 3.6 V,適合在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。由于采用了鐵電體技術(shù),該芯片的數(shù)據(jù)交換速度極高,數(shù)據(jù)線可以支持的頻率最高達(dá)到1 MHz,因此微控制器向FM24C512寫入數(shù)據(jù)時一般無須加延時,并且使用壽命沒有限制。系統(tǒng)主機(jī)電路簡圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)只有一個,從機(jī)數(shù)量可以為一個,也可為多個。在整個系統(tǒng)中,無論主機(jī)還是從機(jī)都有惟一地址表明其各自的身份。系統(tǒng)上電后,根據(jù)事先設(shè)定的時間,不同的從機(jī)會按時向主機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)（發(fā)送時間間隔根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以事先設(shè)定）。主機(jī)收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)及其所屬地址實(shí)時的顯示在液晶顯示模塊上,并將其存儲到存儲器里。

在系統(tǒng)無人值守狀態(tài),可以事先通過鍵盤和液晶顯示模塊等設(shè)備對主機(jī)其進(jìn)行設(shè)置,設(shè)定報警閾值、報警人的手機(jī)號碼等信息。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)到達(dá)或超過閾值時,主機(jī)會通過GSM模塊向預(yù)先設(shè)定的手機(jī)號碼發(fā)送報警信息,并在液晶顯示模塊上顯示報警標(biāo)識。除此之外,任何GSM網(wǎng)手機(jī)用戶都可以通過短消息的形式向GSM模塊提出數(shù)據(jù)查詢請求,GSM模塊收到請求后將其送給微處理器進(jìn)行處理,最終將所查詢的數(shù)據(jù)以短消息的形式回復(fù)給查詢者,從而達(dá)到在無人值守情況下的遠(yuǎn)程監(jiān)測和報警的目的［7,9,10］。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)工作流程,系統(tǒng)在軟件設(shè)計上主要分為數(shù)據(jù)的無線傳輸、存儲和GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及報警兩部分。其中,數(shù)據(jù)的無線傳輸、存儲涉及主機(jī)和從機(jī),而GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及報警只涉及到主機(jī)。

考慮到野外應(yīng)用,系統(tǒng)可能長期使用而很少有機(jī)會維護(hù),從而對系統(tǒng)在傳輸可靠性和功耗上提出了較高的要求。所以,在數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)能浖O(shè)計上,采用定時發(fā)送數(shù)據(jù)的方法,不同從機(jī)按照事先設(shè)定的時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,發(fā)送完畢并收到主機(jī)的回復(fù)信息后,從機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式。這樣就保證了從機(jī)工作的大部分時間處于待機(jī)模式,有效地節(jié)約了電能。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫?系統(tǒng)采用了主從響應(yīng)式傳輸機(jī)制,主機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)和校驗(yàn),然后向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)正確或錯誤的回復(fù)信息,如果從機(jī)收到了數(shù)據(jù)錯誤的回復(fù)信息或沒有收到回復(fù)信息,從機(jī)將重新發(fā)送上一次的數(shù)據(jù)直到收到正確的回復(fù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)測及報警的設(shè)計,由TC35i及其外圍電路構(gòu)成的GSM模塊通過單片機(jī)串口中斷提出處理要求,當(dāng)GSM模塊收到短消息后會馬上觸發(fā)串口中斷提出請求,單片機(jī)會在中斷服務(wù)程序里對其進(jìn)行處理。當(dāng)需要發(fā)送報警信息時,單片機(jī)通過串口和GSM模塊進(jìn)行通信并最終完成報警短消息的發(fā)送。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

3 結(jié) 語

隨著工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展,以及新技術(shù)的不斷產(chǎn)生,無線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)正在進(jìn)入一個高速發(fā)展的階段。該系統(tǒng)為無線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測的通信系統(tǒng)提供了一個新穎實(shí)用的解決方案。系統(tǒng)能夠監(jiān)測實(shí)時參數(shù),當(dāng)某一項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)異常時,處理器調(diào)用報警程序通過GSM模塊發(fā)送報警信息。通過使無線收發(fā)模塊處于待機(jī)狀態(tài),有效地降低了模塊的功耗。由于該系統(tǒng)采用了短距離無線通信技術(shù),而無須關(guān)心數(shù)據(jù)是如何具體傳送的,因此,很多基于有線通訊的類似系統(tǒng)很容易就被該系統(tǒng)所替代。該模塊單元有較強(qiáng)的可移植能力,通過更換測量單元傳感器的類型,可以應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、海洋石油、無線抄表、智能小區(qū)、安防、智能家電等領(lǐng)域。

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作者簡介王 盟 男,1983年出生,碩士研究生。主要從事傳感器及傳輸系統(tǒng)的研究。

馬艷崢 女,1983年出生,碩士研究生。主要從事傳感器及傳輸系統(tǒng)的研究。

徐曉輝 男,研究員、碩士生導(dǎo)師。主要從事敏感器件和傳感器的研究。

王治學(xué) 男,1983年出生,碩士研究生。主要從事傳感器及傳輸系統(tǒng)的研究。