《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
電子設(shè)計工程
顧 簡,施云波,修德斌,馮僑華,胡霸橋,王立權(quán)
摘要: 摘要:提出了基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。針對對溫度濕度有要求的環(huán)境,通過帶有高精度溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集終端采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),后經(jīng)由GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室電腦實時顯示。采用TCP點對
Abstract:
Key words :

摘要:提出了基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。針對對溫度濕度有要求的環(huán)境,通過帶有高精度溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集終端采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),后經(jīng)由GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室電腦實時顯示。采用TCP點對點入網(wǎng)連接方式,主要針對沒有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)控中心,客戶無需申請公網(wǎng)IP地址或開通專用APN,只需在監(jiān)控端接上一個接收模塊,即可方便地實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸。整個數(shù)據(jù)采集終端由MSP-430單片機進行控制,不用改動硬件,只通過對軟件的修改調(diào)整,即可滿足不同GPRS入網(wǎng)方式下的通信,擁有良好的擴展性能。實驗測試表明,該系統(tǒng)精度高,運行穩(wěn)定,滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞:溫濕度監(jiān)測;GPRS;SIM300;430單片機

    當今現(xiàn)代化建設(shè)和國民經(jīng)濟發(fā)展迅速,社會對生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境意識的要求也越來越高。人們的日常生活和周圍環(huán)境的溫濕度息息相關(guān),石油、化工、航天、制藥、檔案保管、糧食存儲等領(lǐng)域?qū)貪穸纫灿兄^高的要求。因此,對溫濕度的監(jiān)測和控制已成為生產(chǎn)過程中非常重要的技術(shù)。無線網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展使得遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)玫綇V泛的應(yīng)用,GPRS通信技術(shù)以其不需要架設(shè)通信線路、組網(wǎng)靈活方便、覆蓋面廣等獨特的優(yōu)勢使其在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中越來越被重視。
    為此,本文提出了一種基于GPRS的環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng),采用MSP430單片機及SIM300無線通信模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端,能夠連續(xù)實時的對監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境溫濕度進行監(jiān)控,監(jiān)控中心的上位機軟件用C++編程實現(xiàn),能夠?qū)?shù)據(jù)采集終端進行遠程控制。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成
    本方案針對沒有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,或者網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定,無法直接接入Intemet的監(jiān)測中心,無需公網(wǎng)IP地址,也無需申請APN專線,采用兩個GPBS無線模塊進行發(fā)送和接收,通過GPRS內(nèi)網(wǎng)的點對點TCP連接即可完成數(shù)據(jù)通信。
    監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)測中心服務(wù)端兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集終端負責溫濕度數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。監(jiān)測中心服務(wù)端由一個GPRS無線模塊作為接收端,將接收到的數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測中心PC機,通過上位機軟件分析處理,實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件即數(shù)據(jù)采集終端,以MSP430單片機為核心,包括一個高精度的溫濕度傳感器AM2303,電源模塊,串口模塊,GPRS通信模塊SIM-300等。MSP430單片機由I/O口采集數(shù)字溫濕度傳感器AM2303的信號,經(jīng)分析處理,再通過RS-232串口將溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給SIM300無線模塊由其通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心服務(wù)端。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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2.1 電源模塊
    系統(tǒng)外部輸入電壓為5 V,由于溫濕度傳感器AM2303供電電壓為3.3~6V,MSP430單片機工作電壓為3.3 V,GPBS無線模塊SIM300工作電壓為4.2 V,因此本系統(tǒng)需要提供3.3 V和4.2 V電壓。溫濕度傳感器AM2303直接采用5 V輸入電壓:3.3 V電源部分采用SM公司的SM1117芯片來實現(xiàn);對于SIM300模塊采用的4.2 V供電,由于該電源部分的輸出電流必須達到2 A,因此采用MICREL公司的MIC29302芯片。具體電路圖分別如圖3、圖4所示。

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2.2 溫濕度傳感器模塊
    AM2303數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件,并與一個高性能8位單片機相連接。
    校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中,傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中可隨時調(diào)用這些校準系數(shù)。AM2303采用單線制串行接口,系統(tǒng)集成簡單。測溫與測濕的范圍分別為-40~125℃和0~99%RH。
2.3 GPRS無線模塊
    GPRS無線模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊,SIM300是一款三頻段GSM/GPBS模塊,能夠提供GPRS多信道類型多達10個。該模塊內(nèi)部還集成了TCP/IP協(xié)議棧,并且擴展了TCP/IP AT指令,便于用戶開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。系統(tǒng)采用ZIF連接器外接SIM卡,單片機通過發(fā)送AT指令與SIM300進行通信,實現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件由下位機軟件和上位機軟件兩部分組成,下位機軟件即數(shù)據(jù)采集終端的軟件采用C語言編寫,上位機軟件即監(jiān)測中心服務(wù)端軟件采用Bodand公司的C++Builder作為開發(fā)平臺。
3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計
    整個數(shù)據(jù)采集終端軟件部分包括初始化程序、數(shù)字溫濕度傳感器采集程序、串口程序、網(wǎng)絡(luò)連接命令收發(fā)程序、測試程序等若干部分??傮w程序流程圖如圖5所示。

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    MSP430單片機通過RS-232串口以AT指令形式與SIM300無線模塊進行通信。若單片機發(fā)送指令正確,則SIM300模塊將返回“OK”,錯誤則返回“ERROR”或者其他格式的指令,單片機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,直到成功連接上GPRS網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接程序流程圖如圖6所示。

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    本系統(tǒng)采用TCP點對點連接方式進行GPRS連接,數(shù)據(jù)采集終端需要先獲得服務(wù)端的IP地址,所以服務(wù)端以短信形式發(fā)送本地IP給數(shù)據(jù)采集終端,數(shù)據(jù)采集終端提取IP地址后再進行本地設(shè)置,發(fā)起連接。
    數(shù)據(jù)采集程序部分由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集從傳感器獲得40 bit溫濕度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換主要進行十進制轉(zhuǎn)換,ASCII編碼和正負溫度判定。溫濕度傳感器AM2303采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通信時間5 ms左右,主機(MCU)發(fā)送一次開始信號后,AM2303從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機開始信號結(jié)束后,AM2303發(fā)送響應(yīng)信號,送出40 bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集。AM2303通信時序如圖7所示。

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3.2 監(jiān)測中心服務(wù)端軟件設(shè)計
    本文中監(jiān)測中心軟件開發(fā)平臺采用C++Builder進行編程設(shè)計。在服務(wù)端外接一個GPRS無線模塊作為接收端,使用C++Bulkler中的MSCOMM串口控件完成串口通信,進行數(shù)據(jù)讀取,同時可對回傳數(shù)據(jù)進行分析、實時顯示及圖形化顯示,還可控制數(shù)據(jù)采集終端的采集時間間隔,達到遠程監(jiān)控的目的。監(jiān)測中心軟件還建立了數(shù)據(jù)庫,可調(diào)用和查看存盤的數(shù)據(jù)及圖形記錄,并進行打印。軟件界面由實時監(jiān)控單元、歷史數(shù)據(jù)單元和GPRS連接單元3部分組成。監(jiān)測中心界面如圖8所示。

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4 實驗結(jié)果與分析
    使用本系統(tǒng)對標準的溫度源及濕度源進行測量,測量結(jié)果如圖9、圖10所示。

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    從圖中數(shù)據(jù)可以看出,測溫誤差不超過±0.2℃,濕度誤差在25℃的理想條件下不超過±2%RH,在低溫環(huán)境下不超過3%RH,能滿足實際應(yīng)用的需求。同時通過長時間穩(wěn)定性試驗,長期采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定,掉線率低,且因為沒有直接接入Internet,流量少,若每隔一分鐘采集一次數(shù)據(jù),連續(xù)采集一個月數(shù)據(jù)流量不超過45M。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)主要針對沒有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)測中心,硬件接入簡單。通過對軟件的修改也可滿足不同GPRS接入方式的應(yīng)用,擴展性能較好,同時具備掉線自動重連,電池電量監(jiān)測等功能,能夠廣泛應(yīng)用于各種溫濕度監(jiān)測環(huán)境。

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