當(dāng)今現(xiàn)代化建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，社會(huì)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境意識(shí)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(chǔ)等領(lǐng)域?qū)貪穸纫灿兄^高的要求。因此，對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)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(yuǎn)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(cè)系統(tǒng)，采用MSP430單片機(jī)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(shí)時(shí)的對(duì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件用C++編程實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)?shù)據(jù)采集終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成
本方案針對(duì)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(cè)中心，無需公網(wǎng)IP地址，也無需申請(qǐng)APN專線，采用兩個(gè)GPBS無線模塊進(jìn)行發(fā)送和接收，通過GPRS內(nèi)網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)TCP連接即可完成數(shù)據(jù)通信。
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端兩部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端由一個(gè)GPRS無線模塊作為接收端，將接收到的數(shù)據(jù)傳給監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)，通過上位機(jī)軟件分析處理，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件即數(shù)據(jù)采集終端，以MSP430單片機(jī)為核心，包括一個(gè)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(jī)由I/O口采集數(shù)字溫濕度傳感器AM2303的信號(hào)，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。
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(jī)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(shí)現(xiàn)；對(duì)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(dá)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。
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(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，ASCII編碼和正負(fù)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(shí)間5 ms左右，主機(jī)(MCU)發(fā)送一次開始信號(hào)后，AM2303從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后，AM2303發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40 bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集。AM2303通信時(shí)序如圖7所示。
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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。
校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中可隨時(shí)調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。AM2303采用單線制串行接口，系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單。測(cè)溫與測(cè)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(dá)10個(gè)。該模塊內(nèi)部還集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)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(jī)通過發(fā)送AT指令與SIM300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。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件由下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩部分組成，下位機(jī)軟件即數(shù)據(jù)采集終端的軟件采用C語言編寫，上位機(jī)軟件即監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端軟件采用Bodand公司的C++Builder作為開發(fā)平臺(tái)。
3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)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(cè)試程序等若干部分。總體程序流程圖如圖5所示。
MSP430單片機(jī)通過RS-232串口以AT指令形式與SIM300無線模塊進(jìn)行通信。若單片機(jī)發(fā)送指令正確，則SIM300模塊將返回“OK”，錯(cuò)誤則返回“ERROR”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，直到成功連接上GPRS網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)連接程序流程圖如圖6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，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(jìn)行本地設(shè)置，發(fā)起連接。
3.2 監(jiān)測(cè)中心服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)
本文中監(jiān)測(cè)中心軟件開發(fā)平臺(tái)采用C++Builder進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在服務(wù)端外接一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)可對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、實(shí)時(shí)顯示及圖形化顯示，還可控制數(shù)據(jù)采集終端的采集時(shí)間間隔，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。監(jiān)測(cè)中心軟件還建立了數(shù)據(jù)庫(kù)，可調(diào)用和查看存盤的數(shù)據(jù)及圖形記錄，并進(jìn)行打印。軟件界面由實(shí)時(shí)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(cè)中心界面如圖8所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
使用本系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的溫度源及濕度源進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖9、圖10所示。
從圖中數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)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(shí)際應(yīng)用的需求。同時(shí)通過長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性試驗(yàn)，長(zhǎng)期采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，掉線率低，且因?yàn)闆]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(gè)月數(shù)據(jù)流量不超過45M。
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)主要針對(duì)沒有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的監(jiān)測(cè)中心，硬件接入簡(jiǎn)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，同時(shí)具備掉線自動(dòng)重連，電池電量監(jiān)測(cè)等功能，能夠廣泛應(yīng)用于各種溫濕度監(jiān)測(cè)環(huán)境。