一種無線數據采集及遠程監測系統的設計

王　盟　馬艷崢　徐曉輝　王治學

摘 要：介紹一種以C8051F020單片機為微控制器的環境參數采集及遠程監測系統。包括其硬件結構及軟件流程的設計。系統通過微控制器控制無線模塊PTR8000實現數據的無線收發,從而完成數據的采集、存儲；并可以通過由TC35i構成的GSM MODEM實現GSM短消息的報警和遠程監測。系統結構簡單,成本低,功耗低,適用于對野外或其他不便于鋪設線纜的地區進行數據采集及遠程監測。

關鍵詞：TC35i;GSM;PTR8000;C8051F020;無線數據采集;遠程監測

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：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

在工農業生產中,對于采集數據的傳輸大多采用有線方式,因為有線方式的傳輸距離、數據傳輸速率以及抗干擾能力都要優于無線方式；然而對于在野外或者不便于鋪設線纜的地區進行數據采集傳輸時,采用有線方式就受到了限制。針對這一特點,設計了采用無線傳輸方式的無線數據采集及遠程監測系統。系統選用Cygnal公司的C8051F020單片機作為微控制器,集數據采集、存儲、無線傳輸為一體,并實現通過GSM短消息進行遠程監測和報警的功能。整體

結構框圖如圖1所示。

1 系統總體結構及硬件設計

1.1 系統結構

如圖1所示,系統分為主機和從機兩部分,從機將從傳感器上采集的數據通過無線收發單元發送給主機,主機收到數據后,將其在顯示單元顯示并存儲到存儲器理。除此之外,主機模塊還含有GSM短消息單元,通過該單元可以實現主機與GSM網內手機的短消息通信。GSM網手機用戶可以通過短消息提出查詢請求,主機收到短消息的請求后進行相應的處理,最終以短消息的形式回復該查詢請求。另外,主機可以事先設定所采集數據的臨界值,當達到該值時主機會向事先設定好的手機號碼發送報警短消息,從而達到報警和遠程監測的目的。

1.2 系統主要芯片的選擇

系統的主控芯片采用Cygnal公司的C8051F020單片機,該單片機采用高速8051微控制器內核,速度可達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,內置64 KB高速存儲器。模擬外設方面,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］。芯片內部的這些數字和模擬外設將使系統的設計更加簡單,集成度更高。

無線收發單元采用PTR8000無線收發模塊［ 2-5 ］。PTR8000是高性能嵌入式無線收發模塊,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,抗干擾能力強的優點,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,待機功耗2 μA；超小體積,內置環形天線,性能穩定,對電源不敏感,傳輸距離更遠；最大發射功率 +10 dBm,高抗干擾GFSK調制?？商l通信,數據速率可達50 Kb/s；有獨特的載波檢測、地址匹配、數據就緒等輸出；內置完整的通信協議和CRC,通過SPI接口可以方便地完成所有的無線收發傳輸,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,構成一個GSM MODEM,微控制器通過串口與其進行通信,控制其工作［ 7-10 ］。GSM MODEM模塊電路簡圖如 圖2所示。

系統采用128×64點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,可以更好進行人機交換,使用者可以更容易、直觀地和系統進行信息交互。

存儲器部分,因為系統選用的C8051F020微控制器內置64 KB高速存儲器,對于一般數據量的存儲已經足夠。但是,考慮到特殊情況,系統還是設計了外部擴展存儲器。外部存儲器采用Ramtron公司的一款低

電壓鐵電存儲芯片FM24C512。其工作電壓為2.7～ 3.6 V,適合在低功耗的單片機系統中應用。由于采用了鐵電體技術,該芯片的數據交換速度極高,數據線可以支持的頻率最高達到1 MHz,因此微控制器向FM24C512寫入數據時一般無須加延時,并且使用壽命沒有限制。系統主機電路簡圖如圖2所示。

2 系統軟件設計

2.1 系統工作流程

系統分為主機和從機。主機只有一個,從機數量可以為一個,也可為多個。在整個系統中,無論主機還是從機都有惟一地址表明其各自的身份。系統上電后,根據事先設定的時間,不同的從機會按時向主機發送采集的數據（發送時間間隔根據不同的應用場合可以事先設定）。主機收到數據后,將數據及其所屬地址實時的顯示在液晶顯示模塊上,并將其存儲到存儲器里。

在系統無人值守狀態,可以事先通過鍵盤和液晶顯示模塊等設備對主機其進行設置,設定報警閾值、報警人的手機號碼等信息。當采集到的數據到達或超過閾值時,主機會通過GSM模塊向預先設定的手機號碼發送報警信息,并在液晶顯示模塊上顯示報警標識。除此之外,任何GSM網手機用戶都可以通過短消息的形式向GSM模塊提出數據查詢請求,GSM模塊收到請求后將其送給微處理器進行處理,最終將所查詢的數據以短消息的形式回復給查詢者,從而達到在無人值守情況下的遠程監測和報警的目的［7,9,10］。

2.2 系統的軟件設計

根據上述系統工作流程,系統在軟件設計上主要分為數據的無線傳輸、存儲和GSM短消息的遠程監測及報警兩部分。其中,數據的無線傳輸、存儲涉及主機和從機,而GSM短消息的遠程監測及報警只涉及到主機。

考慮到野外應用,系統可能長期使用而很少有機會維護,從而對系統在傳輸可靠性和功耗上提出了較高的要求。所以,在數據無線傳輸的軟件設計上,采用定時發送數據的方法,不同從機按照事先設定的時間間隔進行數據的發送,發送完畢并收到主機的回復信息后,從機進入待機模式。這樣就保證了從機工作的大部分時間處于待機模式,有效地節約了電能。數據傳輸的可靠性方面,系統采用了主從響應式傳輸機制,主機收到數據后進行數據和校驗,然后向從機發送數據正確或錯誤的回復信息,如果從機收到了數據錯誤的回復信息或沒有收到回復信息,從機將重新發送上一次的數據直到收到正確的回復。

遠程監測及報警的設計,由TC35i及其外圍電路構成的GSM模塊通過單片機串口中斷提出處理要求,當GSM模塊收到短消息后會馬上觸發串口中斷提出請求,單片機會在中斷服務程序里對其進行處理。當需要發送報警信息時,單片機通過串口和GSM模塊進行通信并最終完成報警短消息的發送。系統整體軟件設計流程圖如圖3所示。

3 結 語

隨著工農業現代化的不斷發展,以及新技術的不斷產生,無線數據采集和遠程監測技術正在進入一個高速發展的階段。該系統為無線數據采集和遠程監測的通信系統提供了一個新穎實用的解決方案。系統能夠監測實時參數,當某一項或多項參數出現異常時,處理器調用報警程序通過GSM模塊發送報警信息。通過使無線收發模塊處于待機狀態,有效地降低了模塊的功耗。由于該系統采用了短距離無線通信技術,而無須關心數據是如何具體傳送的,因此,很多基于有線通訊的類似系統很容易就被該系統所替代。該模塊單元有較強的可移植能力,通過更換測量單元傳感器的類型,可以應用于工業數據采集、環境監測、海洋石油、無線抄表、智能小區、安防、智能家電等領域。

參考文獻

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［10］ Siemens Ltd.TC35i Hardware Interface Description Version 00.03.2003.

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的研究。

徐曉輝 男,研究員、碩士生導師。主要從事敏感器件和傳感器的研究。

王治學 男,1983年出生,碩士研究生。主要從事傳感器及傳輸系統的研究。