劉玟宏，王海江，宋 靜，倪進(jìn)寶

(成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

溫度是現(xiàn)代社會(huì)中無處不在的物理量，工業(yè)中對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，糧食倉庫中對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)也非常重要，溫度的高低對(duì)某些化學(xué)變化起著決定性的作用，工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域溫度的監(jiān)測(cè)都占有十分重要的地位[1]。因此對(duì)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控更是具有實(shí)踐性的意義。

傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，一般都需要人力去觀測(cè)系統(tǒng)測(cè)量溫度的值，對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地方，這不僅耗費(fèi)人力物力，而且耗費(fèi)財(cái)力[2－3]。隨后又產(chǎn)生了基于無線模塊的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，相對(duì)于人力去觀測(cè)溫度值的方式有所改善，但一般無線模塊的傳輸距離有限，在幾十米到幾百米不等。根據(jù)目前GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)[4－8]，系統(tǒng)通過日常生活中人手一部的手機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，通過發(fā)送短信來獲取溫度的報(bào)警信息。這使得該系統(tǒng)使用性高、成本低、后期的維護(hù)成本低，具有一定的使用價(jià)值[9－12]。

研究的目標(biāo)是:首先通過溫度傳感器對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過液晶1602顯示出當(dāng)前溫度，當(dāng)溫度超過某一設(shè)定溫度時(shí)，由單片機(jī)控制GSM模塊向指定戶發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過課題可以將單片機(jī)與日臻完善的GSM網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫度。同時(shí)也是對(duì)生活中的節(jié)能提出了一種解決途徑。特別是對(duì)于那些對(duì)溫度數(shù)據(jù)要求高的偏遠(yuǎn)地方，設(shè)計(jì)提出一種能更好節(jié)省人力和物力的理念。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

方案使用單片機(jī)STC89C52作為控制核心芯片，STC89C52的功能足以完成設(shè)計(jì)的要求[13－15]。溫度采集是用的DS18B20作為溫度采集的部件，利用它對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量。采用GSM作為通信模塊，GSM模塊通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信到指定的用戶，其中單片機(jī)STC89C52和GSM模塊之間通過9針串口線連接。單片機(jī)的IO口連接到液晶顯示器1602的數(shù)據(jù)口及控制接口上面。系統(tǒng)大致可以分為3部分:一是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度采集，由溫度傳感器DSl8B20實(shí)現(xiàn)。二是溫度的顯示，通過液晶顯示器1602顯示出溫度。三是發(fā)送短信部分，主要通過GSM無線通信模塊(TC35)、和接收短信的手機(jī)實(shí)現(xiàn)。該方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.2 方案介紹

采用DS18B20作為溫度采集模塊，DS18B20數(shù)字溫度傳感器只有3只線接線方便 ，封裝后的DS18B20可用于室內(nèi)測(cè)溫，電纜溝測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，糧食倉庫測(cè)溫，計(jì)算機(jī)機(jī)房測(cè)溫等。按照DS18B20的通信協(xié)議，由主機(jī)向DS18B20發(fā)送命令，讀取DS18B20的轉(zhuǎn)換溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量。GSM模塊采用的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的TC35模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊，開發(fā)人員使用單片機(jī)通過RS232串口與GSM模塊通信，故使用很方便，通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。設(shè)計(jì)的TC35模塊通過與MAX232連接即可以實(shí)現(xiàn)TTL電平的轉(zhuǎn)換，然后接在一個(gè)9針串口的接口上。GSM模塊圖如圖2所示。

圖2 GSM模塊圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)作為設(shè)計(jì)中重要的芯片，對(duì)其選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是功能滿足、穩(wěn)定性好、操作方便，通過仔細(xì)對(duì)比，選擇了STC89C52作為設(shè)計(jì)中使用的主控芯片。設(shè)計(jì)采用的是基于一款帶有RS232串行接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主體部分。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路三大部分。單片機(jī)最小系統(tǒng)部分原理圖如圖3所示。

2.2 GSM工作原理及發(fā)送短信控制

西門子公司的TC35是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。在GSM網(wǎng)絡(luò)日臻完善的今天，TC35秉承了西門子一貫的優(yōu)秀品質(zhì)，GSM網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)有很多年的歷史，技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)中已經(jīng)非常成熟，所以使用發(fā)送短信報(bào)警也是比較可靠的手段。TC35功能框圖如圖4所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

圖4 TC35功能框圖

控制GSM模塊通信通過AT(Attention)命令實(shí)現(xiàn)，AT命令集一般用于 Terminal Equipment(終端設(shè)備)與PC(Personal Computer)之間的連接于通信。分別介紹幾條簡(jiǎn)單的AT指令:(1)AT+CMGF選擇消息格式。(2)AT+CMGS發(fā)送短消息。如表1、2所示。其余AT指令祥見西門子公司的TC35數(shù)據(jù)手冊(cè)只做簡(jiǎn)單介紹。

表1 AT+CMGF指令

表2 AT+CMGS指令

將TC35模塊通過RS232接口用串口線和電腦串口連接起來。用串口助手可以調(diào)試電腦與TC35之間的通信。簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)一條短信發(fā)送:(1)先運(yùn)行一個(gè)串口工具。(2)向串口輸入指令“AT+回車”。(3)輸入AT+CMGF=1按回車鍵后點(diǎn)“手動(dòng)發(fā)送”指令功能英文方式發(fā)送，狀態(tài)有 OK回復(fù)。(4)再輸入T+CMGS=“指定用戶手機(jī)號(hào)”再按回車鍵后點(diǎn)“手動(dòng)發(fā)送”指令功能向指定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送信息狀態(tài)有“＞”回復(fù)。經(jīng)過以上步驟就可以成功通過電腦串口控制GSM模塊向指定用戶發(fā)送短信。具體如圖5所示。

圖5 串口調(diào)試GSM模塊示意圖

GSM模塊與電腦通信調(diào)試好以后，單片機(jī)只需要通過串口向GSM模塊發(fā)送上述幾條指令即可實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信的功能。短息的格式采用text格式，也即文本格式。短信內(nèi)容可由用戶自行設(shè)定。需要注意的是選好串口號(hào)和波特率，其他不動(dòng)，如圖3中選擇串口為COM3，波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)位。單片機(jī)與GSM模塊之間通過9針串口線連接。

2.3 溫度采集和顯示部分

溫度采集是通過DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器采集當(dāng)前溫度，然后送到1602液晶顯示器顯示當(dāng)前溫度值。DS18B20主要由4部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。每一個(gè)DS18B20含有唯一的ROM序列號(hào)，當(dāng)采用多個(gè)DS18B20時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)的配置，設(shè)計(jì)只用到一個(gè)故采用默認(rèn)配置即可。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示2行，每行16個(gè)字符液晶模塊(顯示字符和數(shù)字)。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。

DS18B20采集溫度的步驟是:復(fù)位→忽略ROM匹配(0xcc)→溫度轉(zhuǎn)換(0x44)→延時(shí)→復(fù)位→忽略ROM匹配→讀指令→分別讀取溫度2個(gè)字節(jié)。1602的操作步驟是:復(fù)位→寫命令→讀地址和傳遞數(shù)據(jù)，初始化然后將溫度送到液晶的數(shù)據(jù)口。

溫度傳感器DS18B20是單總線器件，該傳感器只具有3只引腳，連接電路并不復(fù)雜，3個(gè)接口分別是VCC，GND，DB。其中VCC和 GND分別接到電源和地。DB(數(shù)據(jù)口)本身不具備輸出高電平的能力，所以需要在數(shù)據(jù)口上接一個(gè)上拉電阻在與單片機(jī)的IO口連接。

液晶的8位數(shù)據(jù)口分別于單片機(jī)的P0口連接，RS，E，R/W端口分別接上P2的一個(gè)IO口。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序?qū)崿F(xiàn)功能介紹

系統(tǒng)主要包括溫度的采集、溫度顯示、發(fā)送短信3個(gè)部分的程序組成。程序中需要設(shè)定一個(gè)報(bào)警溫度，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到當(dāng)前環(huán)境溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令。當(dāng)GSM收到AT指令后，它會(huì)執(zhí)行相關(guān)的短信發(fā)送操作，從而實(shí)現(xiàn)讓GSM模塊向指定用戶發(fā)送短信報(bào)警。

3.2 軟件設(shè)計(jì)流程圖

首先是系統(tǒng)上電，然后緊接著是系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)初始化包括單片機(jī)串行口初始化、溫度傳感器初始化、液晶初始化等。再接著是溫度的采集部分，單片機(jī)讀出溫度傳感器采集的溫度，送到液晶數(shù)據(jù)口顯示出當(dāng)前環(huán)境溫度值，并隨時(shí)判斷溫度值是否超過系統(tǒng)設(shè)定的溫度值，如果超過該值，則單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送AT指令，最后再次進(jìn)入溫度采集循環(huán)部分。如果沒超過溫度上限，則程序回到采集部分。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)通過對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了能夠準(zhǔn)確發(fā)送短信，達(dá)到通知用戶報(bào)警的目的。研究結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠通過發(fā)送短信來對(duì)溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)成本不高，實(shí)現(xiàn)了合理利用現(xiàn)有的非常成熟的技術(shù)對(duì)生活提出了一種更加安全、便捷節(jié)能的方法，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。但本設(shè)計(jì)只是提出了一個(gè)大致，用于具體的實(shí)踐還需做很多修改。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的報(bào)警溫度是28℃，用手捏溫度傳感器，使其溫度快速達(dá)到上限溫度，然后手機(jī)收到報(bào)警短信，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的短息內(nèi)容是英文短信“temperature exceed”為實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖7～9所示。

圖7 手動(dòng)升溫

圖8 收到報(bào)警短信

圖9 收到短息內(nèi)容

表3是將系統(tǒng)同基于無線模塊的測(cè)溫系統(tǒng)和傳統(tǒng)的人工溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的比較。

表3 同以往溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一些比較

首先在成本方面GSM測(cè)溫系統(tǒng)成本比傳統(tǒng)的稍微高一點(diǎn);其次是在獲取溫度時(shí)間方面本系統(tǒng)獲取溫度的時(shí)間應(yīng)該是最少的，因?yàn)樗梢园l(fā)送短信到我們隨身攜帶的手機(jī)上面;再次是在有效距離方面無線模塊測(cè)溫系統(tǒng)范圍有限，最后是在便利性方面GSM測(cè)溫系統(tǒng)是最方便的。所以綜合所有的優(yōu)缺點(diǎn)，系統(tǒng)能夠很好的監(jiān)測(cè)溫度。將系統(tǒng)放在不同的環(huán)境溫度下測(cè)試溫度，然后與實(shí)際環(huán)境溫度比較，得到測(cè)溫誤差隨溫度變化的關(guān)系如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測(cè)溫誤差

圖10中帶有“*”的曲線為該系統(tǒng)測(cè)溫誤差，帶有“.”的曲線為傳統(tǒng)測(cè)溫誤差。從曲線彎曲程度分析可以看出系統(tǒng)的總體測(cè)溫誤差小于傳統(tǒng)的DS18B20測(cè)溫誤差。當(dāng)溫度在5℃以下以及快到30℃時(shí)，誤差較大，產(chǎn)生的原因可能是當(dāng)溫度太低時(shí)測(cè)溫系統(tǒng)的靈敏度降低，當(dāng)溫度接近30℃時(shí)，可能是由于系統(tǒng)自身發(fā)熱導(dǎo)致溫度的偏差。但是在正常溫度下該系統(tǒng)測(cè)溫還是比較精確的，其誤差都在0.4左右。當(dāng)環(huán)境溫度超過30℃時(shí)，可以通過將溫度傳感器的讀取值減去1來提高測(cè)量精度。將系統(tǒng)分別放在不同的地點(diǎn)判斷發(fā)送短信的準(zhǔn)確率以及發(fā)送短信的延遲時(shí)間如表4所示。

表4 一些測(cè)試數(shù)據(jù)

對(duì)表3的分析，發(fā)送短信和GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋程度有很大關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)在野外和山區(qū)時(shí)，應(yīng)該是由于GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率不是那么好所以導(dǎo)致了有些短信的漏發(fā)，而在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好的市區(qū)和郊區(qū)可以達(dá)到100%。從短信的延遲可以看出在市區(qū)手機(jī)用戶較多導(dǎo)致了手機(jī)信道的擁塞，所以收到短信的延遲時(shí)間較長(zhǎng)。然而在郊區(qū)、山區(qū)、野外在考慮收到短信的條件下其延遲時(shí)間普遍較正常。能夠得出該系統(tǒng)是能夠進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控的。

5 結(jié)束語

課題的創(chuàng)新點(diǎn)是提出一種基于單片機(jī)遠(yuǎn)程的監(jiān)控思想，達(dá)到節(jié)能的目的，又使對(duì)溫度的監(jiān)控更加方便，隨時(shí)隨地的監(jiān)控溫度。對(duì)以后現(xiàn)代社會(huì)中工業(yè)，農(nóng)業(yè)，家庭，辦公室等的節(jié)能可以發(fā)揮較好的作用。認(rèn)為系統(tǒng)的進(jìn)一步改進(jìn)和完善地方首先是用戶可以發(fā)送短信給系統(tǒng)去獲取系統(tǒng)任意時(shí)刻的溫度值，其次是主要研究對(duì)象可以向濕度、氣壓、等方面考慮。

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