基于GPRS的無線環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】提出了基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)組成，其中從機(jī)采集溫度、濕度數(shù)據(jù)通過無線模塊NRF905傳給主機(jī)、并能接收主機(jī)發(fā)送過來的控制命令，使主機(jī)對(duì)從機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；主機(jī)接收到從機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)由GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸給用戶顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)利用軟件對(duì)無線收發(fā)芯片工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)踐證明該系統(tǒng)體積小、功耗低、精度較高、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、功能易擴(kuò)展，適于林區(qū)、倉庫等多種應(yīng)用領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】GPRS 溫濕度監(jiān)測 無線收發(fā) 遠(yuǎn)程控制

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，為保證各項(xiàng)工作在某恒定的溫度和濕度范圍內(nèi)安全進(jìn)行，對(duì)溫濕度的測量及控制具有極其重要的意義。比如電力、電信設(shè)備及各類運(yùn)輸工具組件的過熱故障預(yù)知監(jiān)控，化工、機(jī)械、溫室、大棚等設(shè)備溫濕度監(jiān)控等，對(duì)這些場合的溫濕度監(jiān)控，如果采用人工方式，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力，而且實(shí)時(shí)性差，準(zhǔn)確度低，特別在一些存在熱源的生產(chǎn)基地，在短時(shí)間內(nèi)溫濕度可能發(fā)生劇烈的變化，無法采用人工進(jìn)行準(zhǔn)確測量和管理，否則可能造成重大事故。本系統(tǒng)采用無線方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有可無人值守，節(jié)約資源，可靠性高，成本低，工作頻率穩(wěn)定可靠，功耗低，外圍器件少，便于擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

MSP430微控制器MCU（Micro Controller Unit）是TI公司推出的一款具有片上外圍的超低功耗16位FLASH型混合信號(hào)處理器。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的溫濕度控制器相比，選擇了MSP430微控制器，它充分運(yùn)用各種低功耗設(shè)計(jì)手段，使芯片的電流極小，在超低功耗時(shí)可達(dá)0.1μA。整個(gè)系統(tǒng)在平時(shí)處于低功耗狀態(tài)，每隔1 min自動(dòng)從低功耗下喚醒，進(jìn)行溫度和濕度測量，數(shù)據(jù)發(fā)送。

本系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)和數(shù)據(jù)采集終端（從機(jī)）共同組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。監(jiān)控主機(jī)由主控制器MSP430F149、無線通信模塊NRF905、溫濕度顯示模塊12864、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊EEPROM及輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)的集中顯示，并根據(jù)所設(shè)閾值判斷監(jiān)控點(diǎn)溫濕度是否超限，超限則向數(shù)據(jù)采集終端（從機(jī)）發(fā)出控制信號(hào)，命令數(shù)據(jù)采集終端控制現(xiàn)場溫濕控制裝置，使得溫濕度重新進(jìn)入閾值范圍之內(nèi)，同時(shí)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送給用戶。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）溫度傳感器模塊

該系統(tǒng)使用的溫度傳感器利用了美國DALLAS公司最新推出的DS18B20可編程單線數(shù)字式溫度傳感器，具有以下特點(diǎn)（1）單線接口，只有一根線與CPU連接，支持總線模式，通過一個(gè)IPO口，可以進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量。（2）用戶可以根據(jù)需要自己設(shè)定非易失的報(bào)警上下限值以及分辨率。（3）每一個(gè)數(shù)字溫度傳感器內(nèi)均有唯一的64位地址序列號(hào)（最低8位是產(chǎn)品代碼，其后48位是器件序列號(hào)，最后8位是前56位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼），用戶可以對(duì)特定地址序列號(hào)的傳感器進(jìn)行操作，在多傳感器系統(tǒng)中將它們一一識(shí)別，實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。

（二）濕度傳感器

HS1101濕度傳感器采用專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)時(shí)間快、高可靠性和長期穩(wěn)定性特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性。HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個(gè)電容器Cx，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對(duì)濕度為0%-100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應(yīng)時(shí)間小于5s，溫度系數(shù)為0.04pF/℃。它需要接入555震蕩電路，才能實(shí)現(xiàn)濕度測量的功能。隨著環(huán)境濕度的改變，HS1101的電容值也會(huì)發(fā)生變化，從而555振蕩電路輸出的矩形波頻率也會(huì)發(fā)生變化。通過單片機(jī)測出矩形波的頻率，利用算式R=H（f）（R表示濕度值，f表示矩形波的頻率），即可精確地測出當(dāng)前濕度值。具體電路如圖2所示。

（三）NRF905無線模塊

NRF905是工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道的單片射頻收發(fā)器，它由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成， ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)），使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

（四）GPRS無線模塊

GPRS無線模塊采用華為公司的SIM900模塊，SIM900是一款三頻段GSM/GPRS模塊，能夠提供GPRS多信道類型多達(dá)10個(gè)。該模塊內(nèi)部還集成了TCP/IP協(xié)議，并且擴(kuò)展了TCP/IPAT指令，便于用戶開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。系統(tǒng)采用ZIP40連接器外接SIM卡，單片機(jī)通過串口發(fā)送AT指令與SIM900進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集終端（從機(jī)）軟件部分包括初始化程序、DS18B20采集程序、HS1101濕度傳感器采集程序NRF905無線收發(fā)程序等若干部分。

監(jiān)控主機(jī)軟件部分包括初始化程序、串口程序、網(wǎng)絡(luò)連接命令收發(fā)程序、NRF905無線收發(fā)程序、12864顯示程序等若干部分。總體程序流程圖如圖3所示。

監(jiān)控主機(jī)的程序采用事件觸發(fā)結(jié)構(gòu)，全部應(yīng)用程序在中斷中執(zhí)行，所用處理與響應(yīng)都在前臺(tái)中斷中執(zhí)行。程序只有在有時(shí)間發(fā)生的時(shí)候才響應(yīng)或處理，沒有任何額外的CPU時(shí)間被浪費(fèi)于等待、掃描、查詢等過程，極大的發(fā)揮了MSP430單片機(jī)低功耗的性能。

MSP430單片機(jī)通過RS-232串口以AT指令形式與SIM900無線模塊進(jìn)行通信，若單片機(jī)發(fā)送指令正確，則SIM900模塊將返回/OK0，錯(cuò)誤則返回/ERROR0或者其他格式的指令，單片機(jī)通過判斷無線模塊返回的指令來決定下一步執(zhí)行的程序，直到成功連接GPRS網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接程序流程圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用TCP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式進(jìn)行GPRS連接。

本系統(tǒng)主要針對(duì)沒有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)測中心，硬件接入簡單。通過對(duì)軟件的修改也可滿足不同GPRS接入方式的應(yīng)用，擴(kuò)展性能較好，利用MSP430超低功耗的性能及軟件設(shè)計(jì)，能夠廣泛應(yīng)用于各種溫濕度監(jiān)測環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

高琴（1982-）， 女， 碩士， 講師， 主要從事檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置的應(yīng)用研究。