【摘要】為了合理調(diào)控建筑物室內(nèi)的溫度，實現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)，設(shè)計了一種基于ARM處理器和4G無線數(shù)傳模塊的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)溫度的采集，采用S3C2440作為主控制芯片讀取并存儲溫度數(shù)據(jù)，通過4G無線數(shù)傳模塊將溫度數(shù)據(jù)傳送到Internet網(wǎng)絡(luò)中。該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時、自動的對現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)進行顯示和存儲，實現(xiàn)了對建筑室內(nèi)溫度的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】ARM；數(shù)字溫度傳感器；4G無線數(shù)傳模塊；組態(tài)網(wǎng)

引言

在實際生活中，人們居住、辦公的建筑內(nèi)往往存在大量的能源浪費情況，通過對建筑物內(nèi)的溫度進行實時監(jiān)測，進而對空調(diào)、暖氣系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)室內(nèi)溫度的合理控制，對建筑節(jié)能目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要的意義?；贏RM微處理器的嵌入式系統(tǒng)具有反應(yīng)速度快，可移植性和擴展性強等優(yōu)點，便于后期的系統(tǒng)升級。所以，開發(fā)基于ARM的嵌入式遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的實際應(yīng)用價值。

1、系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)建筑節(jié)能溫度檢測的要求和特點，設(shè)計的建筑節(jié)能溫度監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度檢測模塊、ARM控制系統(tǒng)模塊、無線數(shù)傳模塊和上位機監(jiān)測軟件四部分組成。其中，溫度檢測模塊通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場溫度的采集，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸給ARM控制系統(tǒng)模塊。ARM控制系統(tǒng)模塊將溫度傳感器送來的數(shù)據(jù)進行處理，并通過RS232接口電路發(fā)送給4G無線數(shù)傳模塊。無線傳輸模塊通過無線方式，將溫度數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至Internet網(wǎng)絡(luò)中。上位機利用組態(tài)網(wǎng)軟件開發(fā)監(jiān)測軟件，對溫度數(shù)據(jù)進行實時顯示和后臺存儲，并實現(xiàn)溫度超限報警的功能。本設(shè)計主要框架：溫度檢測

模塊--ARM控制系統(tǒng)-4G無線數(shù)傳模塊-上位機監(jiān)測系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1溫度檢測模塊設(shè)計

系統(tǒng)選用DS18B20進行溫度采集，DS18B20由溫度傳感器、ROM、報警觸發(fā)器和配置寄存器組成[3]，其采集到的溫度能夠以數(shù)字信號的方式傳送給ARM控制系統(tǒng)。DS18B20只有三個引腳：VDD、DQ、GND。VDD引腳為接電源端，GND為接地引腳，DQ引腳與控制芯片相連，進行數(shù)據(jù)通信，只通過DQ引腳進行數(shù)據(jù)的讀寫。由于DS18B20的單總線特性，使得ARM微控制器的一個GPIO接口上可以掛接多個DSl8B20，從而實現(xiàn)多點溫度采集。

2.2ARM控制系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和今后大面積使用的性價比，本系統(tǒng)的ARM控制系統(tǒng)選用廣州友善之臂公司生產(chǎn)的Mini2440 ARM9系統(tǒng)板，該板采用Samsung S3C2440微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性。Samsung S3C2440A，主頻400MHz。本系統(tǒng)選用統(tǒng)寶3.5存真彩LCD觸摸屏，分辨率240x320，可以滿足系統(tǒng)在現(xiàn)場實時顯示溫度的要求。該板有3個RS232接口，可以選用其中1個與4G無線數(shù)傳模塊進行通信，傳輸檢測的實時溫度數(shù)據(jù)。

2.34G無線數(shù)傳模塊

系統(tǒng)選用廈門才茂通信公司生產(chǎn)的RS232接口4G DTU無線數(shù)傳模塊CAIMORE DTU（Data Transfer Unit），模塊型號CM510-21T。該模塊為用戶提供高速、永遠(yuǎn)在線、TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓I(yè)級無線傳輸服務(wù)。產(chǎn)品采用高速高性能工業(yè)級ARM9嵌入式處理器，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠的無線透明傳輸功能。數(shù)據(jù)接口為標(biāo)準(zhǔn)RS232接口，硬件上僅需將ARM控制系統(tǒng)的RS232接口與之相連，并進行接收端IP地址的設(shè)置，即可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1驅(qū)動程序的開發(fā)

對于本系統(tǒng)，DS18B20的驅(qū)動程序開發(fā)最為關(guān)鍵。DS18B20是單總線器件，因此對其的操作時序比較嚴(yán)格，驅(qū)動程序能否正常運行，關(guān)鍵在于能否正確地編寫復(fù)位程序、位寫程序、位讀程序。對DS18B20進行讀寫之前要對其進行復(fù)位初始化，以檢測DS18B20的存在。復(fù)位要求ARM微處理器將數(shù)據(jù)線下拉480～960us，再釋放數(shù)據(jù)線，等待約60us。若ARM微處理器接收到DS18B20發(fā)出的存在低電平，則表示復(fù)位成功。

3.2驅(qū)動程序加載及測試

在系統(tǒng)開發(fā)階段采用動態(tài)加載方式，首先為DS18B20創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點及主次設(shè)備號，然后加載DS18B20的驅(qū)動文件。

執(zhí)行測試程序，驅(qū)動和測試程序可以正常運行，并且能顯示當(dāng)前溫度信息。當(dāng)驅(qū)動程序測試成功后，即可將其直接編譯進內(nèi)核中，系統(tǒng)啟動后即可進行測溫?，F(xiàn)場溫度可顯示在ARM系統(tǒng)的液晶屏上。

3.3ARM與組態(tài)網(wǎng)之間的通信協(xié)議

下位機的基于ARM的溫度監(jiān)測系統(tǒng)與上位機的基于組態(tài)軟件的監(jiān)測軟件之間通過RS232串口方式進行通信。由于選用的4G數(shù)傳模塊可以實現(xiàn)無線透明傳輸功能，所以在根據(jù)通信協(xié)議進行通信程序的編寫時無需考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的TCP/IP協(xié)議。通信過程中下位機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等數(shù)據(jù)格式必須與組態(tài)軟件中的設(shè)定保持一致。組態(tài)網(wǎng)通過通信協(xié)議決定上位機與單片機的通信方法，以數(shù)據(jù)包的形式進行。在數(shù)據(jù)包中除字頭、字尾外，所有的數(shù)據(jù)字節(jié)均用兩個ASCII碼表示。數(shù)據(jù)包的構(gòu)成結(jié)構(gòu)可參見組態(tài)網(wǎng)幫助文件。通信過程主要利用如下4個函數(shù)完成：（1）字節(jié)拆分函數(shù)。（2）串口發(fā)送函數(shù)。（3）接收準(zhǔn)備程序。（4）發(fā)送程序。四個程序完成。

4、上位機溫度監(jiān)測軟件

現(xiàn)場采集到的溫度數(shù)據(jù)由ARM控制系統(tǒng)通過RS232接口傳遞給4G數(shù)傳模塊，數(shù)傳模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)向上位機電腦主機的IP地址發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機電腦通過Internet網(wǎng)絡(luò)接收到溫度數(shù)據(jù)后，由基于組態(tài)網(wǎng)軟件開發(fā)的上位機監(jiān)測軟件進行數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)所測溫度為建筑室內(nèi)溫度，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定，公共建筑室內(nèi)溫度一般應(yīng)在5攝氏度到20攝氏度范圍內(nèi)。當(dāng)溫度超過這個限度后，監(jiān)測軟件可實施報警。并可生成實時趨勢曲線、實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表。在實際應(yīng)用中也可根據(jù)應(yīng)用場合的實際需求合理調(diào)整報警范圍。

5、結(jié)論

采用4G數(shù)傳模塊替代傳統(tǒng)的GPRS模塊進行溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，并為今后傳輸現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。通過系統(tǒng)的實際測試驗證，本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸實時性好，可以在建筑節(jié)能檢測領(lǐng)域發(fā)揮積極的作用。

參考文獻

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