基于手機短信的無線溫濕度監控系統設計

曾素瓊，宋亮興

(嘉應學院 電子信息工程學院，廣東 梅州 514015)

基于手機短信的無線溫濕度監控系統設計

曾素瓊，宋亮興

(嘉應學院 電子信息工程學院，廣東 梅州 514015)

系統設計利用STC89C52單片機控制，基于GSM通信、手機短信方式，實現了對室內溫濕度的遠距離監測與控制;監測空間一旦溫度或濕度超過閾值，系統會通過GSM模塊發送短信到管理員手機顯示溫度、濕度數據，管理員可通過手機短信遠程操控繼電器工作，進而啟動相關設備升溫、降溫、加濕、去濕等工作;通過實驗測試，系統實現了對室內溫度、濕度的遠距離監測與控制;系統具有準確度高、體積小、性能穩定、靈活方便等優點，在智能家居、農作物管理、倉儲等領域有廣泛的應用。

溫濕度檢測;溫濕度監控;GSM短消息

0 引言

隨著科技的發展和進步，人類與溫濕度的關系越來越緊密。在傳統的溫濕度控制領域，是以人力為主，浪費了人力物力資源，使得管理成本很大。采用基于手機短信的無線溫濕度監控系統能讓室內的溫濕度監測及管理更加簡單有效，且管理的成本降低，能讓資源得到更好的運用。系統在智能家居、安防監控、農作物管理、倉儲等領域有廣泛的應用。

1 基于手機短信的無線溫濕度監控系統總體設計

無線溫濕度監控系統框圖如圖1所示。系統以單片機為控制核心，使用溫濕度傳感器采集待測室內的溫濕度數據，使用AT24C02存儲溫濕度的閾值，若溫濕度超過設置的閾值，系統自動報警且會發信息給管理員手機報告目前溫濕度數據，管理員根據信息回復針對性的操作，系統收到信息啟動相應的工作。溫濕度恢復正常后工作自動停止，停止報警。采集的溫濕度數據顯示在顯示屏上。

圖1 無線溫濕度監控系統框圖

2 硬件設計

2.1 控制芯片、溫濕度檢測、顯示及無線通信芯片選擇

系統選用STC89C52單片機為主控芯片，STC89C52是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其主要特性：8kB程序存儲空間、512B數據存儲空間、4kB的 EEPROM存儲空間，下載時，使用串口能直接方便地下載[1-2]。

系統的溫濕度采集模塊采用DHT11溫濕度傳感器。DHT11是數字溫濕度一體的傳感器，含電阻式感濕元件和NTC測溫元件各一個，它具有穩定性高和反應快等優點，它的校準系數儲存在內存中，在處理信號時它會調用這些系數[3]，具有體積小，功耗低，信號傳輸距離長等優點，產品為 4 針單排引腳封裝。它的接口使用單線串行，它與單片機相連簡易方便[4]。

系統的GSM模塊設計采用SIM900A，SIM900A是雙頻GSM/GPRS、緊湊型、高可靠性的無線模塊[5]。模塊和用戶移動應用的物理接口為68個貼片焊盤，提供了模塊和客戶電路板的所有硬件接口，其主串口和調試串口可以幫助用戶輕松地進行開發應用。 SIM900A內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協議，這些在用戶做數據傳輸方面的應用時非常有用。該模塊有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短消息等。常用工作模式有正常工作、掉電模式、最小功能模式等模式[6-7]。

使用LCD1602液晶顯示屏顯示室內溫濕度情況，能讓管理員能更加直觀的了解室內溫濕度情況。LCD1602是慢顯示器件，它在執行每條指令之前，要先判斷模塊的忙標志是否為低電平，否則該指令會無效。需要顯示字符之前，應先輸入顯示字符的地址[8]。

2.2 系統的主控模塊設計

主控模塊結構框圖如圖2所示，單片機STC89C52作主控模塊，它控制系統的運行，用其各個接口控制其他模塊。單片機主控模塊讀取來自DHT11傳感器的數據，把數據進行處理后，將其發送給1602液晶顯示器，并連接其它部分模塊。STC89C52的P0口接晶振電路、復位電路[9]及上拉電阻。晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機提供工作信號(12 MHz)的脈沖，晶振兩端各接一個30 pF的電容來減小諧波對電路的穩定性的影響。復位電路采用RST引腳接10 uF電容到VCC端，下接10 kΩ電阻到GND端組成，來實現系統開機自動復位。

圖2 系統電路的硬件連接框圖

3 系統主要硬件電路設計

3.1 閾值設置及存儲模塊設計

閾值設置模塊采用AT24C02及按鍵組成。AT24C02是一個2k位串行COMS E2PROM，內部大小為256B，使用COMS技術降低了產品的功耗，它有一個16B的寫緩沖，通過集成電路總線接口進行操作[10]。溫濕度的閾值存儲在AT24C02中，通過S1～S4按鍵調節并保存，其中S1為設置鍵(SET)，S2為提升閾值鍵(ADD)，S3為降低閾值鍵(SUB)，S4為確認鍵(OK)，S1～S4按鍵分別連接至單片機的P2.0～P2.3端，當按鍵按下時，單片機引腳接口會接收到低電平，程序上監測到低電平，則會執行相應的控制程序。

系統閾值存儲電路圖中，AT24C02芯片的WP端接地，允許系統進行讀/寫操作，SCL(串行時鐘)和SDA(串行數據/地址)分別與單片機的P1.0和P1.1口相連，SCL和SDA兩端各接10 kΩ的上拉電阻，起到信號穩定的作用[11]。

3.2 溫濕度傳感器模塊設計

5 V電源電壓與引腳1(VDD)相接；引腳4(GND)接地；引腳2(DATA)與單片機系統的P2口(收發串行數據)相連，發送串行數據，引腳2(DATA)還與一個10k的電阻相連并接電源，該電阻是上拉電阻，起到信號穩定的作用。

DHT11的引腳DATA 用于DHT11與單片機之間的數據傳送，4 ms通訊一次并傳輸大小為40bit的數據，高位先出。數據格式：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據數據+8bit校驗和。傳輸正確時校驗和數據=(8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據)的末八位。

3.3 基于繼電器模塊的負載控制電路設計

系統的繼電器模塊設計采用電磁繼電器為核心設計電路，以動、靜觸點的吸合、分離，實現接通和斷開溫濕度控制電路[11]。

繼電器模塊電路如圖3所示,當單片機引腳接口輸出低電平，經過大小為1 kΩ的限流電阻R7，使三極管Q1導通，線圈通電，使銜鐵的動、靜觸點吸合，使電路導通。無線溫濕度監控系統的降溫繼電器和去濕繼電器各自外接一個小風扇降溫和去濕操作，升溫繼電器接一個加熱片，加濕繼電器接一個加濕器。D1是LED燈(額定電壓為3 V)，而電源電壓為5 V，因此串聯一個2.2 k的分壓電阻，避免LED燈燒掉，當繼電器斷開時，會產生反向的電動勢，因此使用一個1N4148二極管與線圈并聯，通過二極管的分流達到保護電路的目的。

圖3 繼電器模塊電路

3.4 GSM模塊設計

GSM模塊電路如圖4所示，由于SIM900A模塊供電電壓為3.4～4.5 V[5]，而電源電壓為5 V，因此引腳1(VCC)串聯一個1N4007二極管，該二極管的管壓降為0.7 V，降低后的電壓為4.3 V，正好給模塊供電。引腳1(VCC)還與一個大小為470 μF的濾波電容相連，該電容使電路工作性能更加穩定。SIM900A模塊的TXD與單片機的RXD相接，模塊的RXD與單片機的TXD相接，使單片機與模塊可相互讀寫。

圖4 GSM模塊電路

4 軟件設計

軟件設計包括：主程序、溫濕度采集程序、GSM發送和處理短信程序、閾值設置程序、顯示程序[5]。

圖5 系統主程序流程圖

主程序流程圖如圖5所示，程序設計時首先對整個系統進行初始化(包含定時器、串口、液晶顯示的初始化)，設置短信格式，清理GMS接收緩存區，顯示未讀短信；系統從EEPROM中讀取溫濕度上下限值，系統讀取從傳感器模塊采集到監控現場的溫濕度信息，液晶顯示屏顯示溫濕度，同時系統判斷溫濕度是否超出閾值并執行相應命令；系統檢測按鍵是否按下，若按下執行按鍵功能(測溫濕度、設置閾值等功能)，按鍵沒按下則繼續等待；等待并判斷是否接收短信，接收并處理短信，若系統判斷溫濕度超過上下限值，相應標志量置位，蜂鳴器報警、指示燈亮并向手機發送短信，若溫濕度不超限，則關閉蜂鳴器、指示燈，并取消超上限置位標志。

GSM發送和處理短信程序流程圖如圖6所示。GSM短信發送過程：GMS發送開始，發送信息、指令和電話號碼，程序作一定的延時，溫濕度超過閾值時，即檢測到接收數據包含“>”時，系統自動向管理員手機發送短信，短信內容包含當前溫濕度情況及繼電器情況；檢測接收數據是否包含“ERROR” 、“OK”字段，是“ERROR”則返回錯誤代碼，是“OK”則返回成功代碼。GSM短信處理過程：GSM短信處理開始，檢測接收數據是否包含“kan”，若包含“kan”則向指定手機號發送溫濕度閾值和繼電器狀態，若不包含“kan”則檢測接收數據是否包含“JD”，若包含“JD”則根據JD后面的4個數控制繼電器開關，若不包含“JD”則終止短信處理。管理員可發短信“JDxxxx”(x為0或1，0為開，1為關)來控制繼電器的開關。平時管理員想了解室內溫濕度情況也可發短信“kan”到系統，系統會自動回復當前溫濕度情況給管理員。

圖6 GSM發送和處理短信程序流程圖

5 系統測試與分析

系統測試包括：溫濕度測試及精準度分析，顯示界面是否正常，溫濕度閾值設置及控制是否正常，繼電器開關工作是否正常，短信發送、接收及短信處理(即系統接收信息后工作)是否正常。

系統溫濕度閾值設置界面中，“TH”為溫度上限，“TL”為溫度下限，“HH”為濕度上限，“HL”為濕度下限，管理員可通過“+”，“-”按鈕進行溫濕度閾值設置，確定后按下“ok”按鈕即可。若系統溫濕度均沒超出閾值，顯示屏第二行顯示“Goodenviroment”，經測試系統閾值設置功能及顯示界面正常。系統采集的室內溫濕度超過閾值時，顯示屏的第二行顯示“It’sveryhot!”，蜂鳴器報警，且系統會發送短信到管理員手機顯示當前溫濕度及繼電器情況。系統發送短信給管理員后，管理員可根據溫濕度情況，以系統回復短信的方式進行遠程調節室內溫濕度。溫度超過閾值后系統發送短信給管理員。

繼電器開關控制模塊中，“JW”為降溫繼電器開關，“SW”為升溫繼電器開關，“QS”為去濕繼電器開關，“JS”為加濕繼電器開關。管理員通過按下“+”按鈕進行開關繼電器操作，繼電器開啟，“JW”從“OFF”變為“OK”，風扇開啟，經測試繼電器開關控制系統及顯示界面正常。

系統收到管理員短信后會自動執行相關指令，實現遠程控制，例如溫度太高，系統接受短信后，降溫風扇開啟，直至溫濕度達到閾值范圍內，繼電器會自動關閉。平時管理員也可發短信“kan”給系統，系統會自動回復當前溫濕度情況給管理員。

系統經測試，無線監控各功能正常，只要有GSM信號的地方，管理員均能通過GSM無線遠程監控系統。系統能正常采集溫濕度數據，溫度測量精度為±1℃，溫濕度情況液晶顯示界面正常；溫濕度閾值設置及控制、繼電器開關工作正常，短信發送、接收及系統收信息后工作正常。

6 結束語

系統是以STC89C52單片機為核心的無線溫濕度監控系統，管理員可遠程即時查看室內溫濕度情況，當室內溫度或濕度超過系統設置的閾值時，系統自動啟動報警，且系統自動發短信給管理員報告當前室內的溫濕度情況。管理員可根據具體情況通過發短信指令給系統的方式遠程控制系統，使得系統進行加溫，降溫，加濕，去濕等操作，直到室內溫濕度重新回歸正常，系統會自動停止報警，并且會自動終止管理員的操作指令。系統具有體積小、性能穩定、靈活方便等優點，可廣泛地應用于在智能家居、農作物管理、倉儲等領域。

[1] 薛 玲,孫 曼,張志會,等.基于單片機STC89C52的溫濕度控制儀[J].化工自動化及儀表,2010,37(7):66-69.

[2] 申忠如,張 倩.單片微型計算機原理與接口技術[M].西安:西安交通大學出版社,2013.

[3] 程 軍.傳感器與實用檢測技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

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[8] 于志贛,劉國平,張旭斌.液顯LCD1602模塊的應用[J].計算機技術應用,2009,(3):35-46.

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[11] 于 眉.電磁繼電器知識及其應用[J].名師導學,2009,(4):25-32.

Design of Wireless Temperature-Humidity Monitoring System Based on Text Messaging on Mobile Phones

Zeng Suqiong，Song Liangxing

(School of Electronics and Information Technology, Jiaying University, Meizhou 514015，China)

The system design using STC89C52 single-chip microcomputer control, based on GSM communication, mobile phone short message way, realized the remote monitoring and control of indoor temperature and humidity. Monitored space once temperature or humidity exceeds the threshold, the GSM module send text messages to mobile phone to display temperature and humidity data, the administrator can work through the SMS remote control relay, and then start the related equipment heating, cooling, humidification, dehumidification, etc. Through experimental test, the system realized the remote monitoring and control of indoor temperature and humidity. System has a high accuracy, small size, stable performance, convenient and flexible, in smart home, crop management, warehousing, and other fields have a wide range of applications.

temperature-humidity testing; temperature-humidity monitoring; GSM note

2016-09-28；

2016-11-02。

2015年嘉應學院質量工程項目(415B0252)；2015年嘉應學院教改重點項目(415B0361)。

曾素瓊(1967-)，女，廣東五華人，副教授，碩士，主要從事電路與系統、檢測與自動控制及電子技術應用方向的研究。

1671-4598(2017)03-0060-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.017

TP3

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