劉承橋，張耀南，馮克庭，李柏年，楊永如

（1.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州730000；2.中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所；3.甘肅省資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心）

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和各種大數(shù)據(jù)中心的建立，各種數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)特別是無(wú)線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其中，無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是一種非常具有代表性的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖然，無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都很簡(jiǎn)單，但是，其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作中，具有很高的使用價(jià)值。目前，無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由中心控制單元、溫濕度采集單元和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元構(gòu)成。其中，中心控制單元大都采用8位單片機(jī)作為主控制器，如51單片機(jī)、AVR單片機(jī)、PIC單片機(jī)等；溫濕度采集單元一般采用濕敏電阻和熱敏電阻，或者采用集成溫濕度傳感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元多采用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

這種系統(tǒng)成本較低、性能穩(wěn)定，能夠滿足人們的基本需求。但是隨著社會(huì)和科技的快速發(fā)展，這種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)精確度、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)功耗方面已經(jīng)逐漸不能滿足人們的需求。如今，隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，各種處理速度更快、功耗更低的單片機(jī)（如MSP430F149）在微控制系統(tǒng)中得到廣泛使用，測(cè)量范圍更寬、精度更高、功耗更低的集成溫濕度傳感器（如SHT21）越來(lái)越受到人們的青睞。此外，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷成熟，特別是GPRS的問(wèn)世，使數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸變得簡(jiǎn)單可靠[1，2]。本文闡述了基于低功耗單片機(jī)MSP430F149、高精度低功耗溫濕度傳感器SHT21和GPRS的無(wú)線溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控制器、時(shí)鐘單元、報(bào)警單元、溫濕度測(cè)量單元和數(shù)據(jù)傳輸單元5部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器

系統(tǒng)選用低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控制器。MSP430F149單片機(jī)是TI公司推出的一款16位微處理器，支持1.8～3.6 V電壓供電，全速運(yùn)行時(shí)的電流僅為280μA，休眠狀態(tài)微處理器的電流只有0.1μA；支持5種省電模式，同時(shí)具有很快的喚醒速度，喚醒時(shí)間僅為6μs；片內(nèi)集成12位A/D轉(zhuǎn)換器、2種定時(shí)器、2個(gè)UART通信端口以及比較器。MSP430F149單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，只有簡(jiǎn)潔的27條指令，大量的指令均為模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)、運(yùn)行速度快；采用Flash型程序存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，這就使得開(kāi)發(fā)工具變得簡(jiǎn)便且價(jià)格相對(duì)低廉，還能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程。MSP430F149單片機(jī)的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40～＋85℃[3-4]。

與傳統(tǒng)8位微處理器相比，MSP430F149單片機(jī)功耗低得多，處理能力強(qiáng)大得多，開(kāi)發(fā)環(huán)境更加方便高效。此外，MSP430F149單片機(jī)還具有高性能模擬技術(shù)和更為豐富的片上外圍模塊，工作穩(wěn)定。用MSP430F149單片機(jī)作為主控制器，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功耗和處理速度都有很大的改善，而且大大縮短了開(kāi)發(fā)周期。

1.2 時(shí)鐘單元

時(shí)鐘單元的主要功能是計(jì)時(shí)，為整個(gè)系統(tǒng)工作提供一個(gè)系統(tǒng)時(shí)間，系統(tǒng)采用時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563計(jì)時(shí)。PCF8563是Philips公司推出的一款工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，含I2C總線接口，功耗極低，具有報(bào)警功能、定時(shí)功能、時(shí)鐘輸出功能和中斷輸出功能，能夠完成各種復(fù)雜的定時(shí)任務(wù)。該系統(tǒng)主要用到PCF8563的時(shí)鐘輸出功能。

1.3 溫濕度測(cè)量單元

溫濕度測(cè)量單元的功能是測(cè)量系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度。系統(tǒng)采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT21測(cè)量溫濕度。SHT21是Sensirion公司生產(chǎn)的一款高性能、高精度的數(shù)字溫濕度傳感器，包含一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元。SHT21的供電電壓為3.3 V，工作溫度范圍為-40～＋125℃；溫度測(cè)量范圍為-40～＋125℃，靈敏度為0.01℃，測(cè)量精度為±0.3℃（25～＋42℃）[5-6]；濕度靈敏度為0.04%RH，測(cè)量精度為±2%RH（20%～80%RH）[5-6]。正常工作情況下，SHT21的功耗只有0.9μW[5]。

SHT21是命令觸發(fā)型傳感器，當(dāng)主控制器向其發(fā)送0x F3時(shí)，觸發(fā)其測(cè)量溫度，而當(dāng)主控制器向其發(fā)送0x F5時(shí)，觸發(fā)其測(cè)量濕度[5]。SHT21輸出的是經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)I2C總線格式。主控制器可直接通過(guò)I2C總線向SHT21發(fā)送命令或者從SHT21讀取數(shù)據(jù)，操作比較方便。

與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器相比，SHT21的量程更大、精度更高、功耗更低、操作更簡(jiǎn)便。使用SHT21測(cè)量溫濕度，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，降低了系統(tǒng)的功耗，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.4 報(bào)警單元

報(bào)警單元的功能是，當(dāng)系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度超出系統(tǒng)預(yù)設(shè)置的溫濕度的上限值時(shí)，發(fā)出急促的報(bào)警聲響，主要元件是蜂鳴器。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元的功能是當(dāng)系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度超出系統(tǒng)設(shè)置的溫濕度閾值時(shí)，將測(cè)得的溫濕度的值及測(cè)量時(shí)間發(fā)送到移動(dòng)終端（如手機(jī)），告知使用者被監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫濕度超限，需要及時(shí)處理。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

GPRS（General Packet Radio Service），通用分組無(wú)線服務(wù)網(wǎng)絡(luò)是在原有GSM基礎(chǔ)之上加入SGSN、GGSN和PCU而生成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。GPRS具有以下特點(diǎn)：

①利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，傳輸速率可以達(dá)到114 kbps[7]。

②采用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶可以同時(shí)占用多個(gè)無(wú)線信道，而每個(gè)無(wú)線信道又可同時(shí)被多個(gè)用戶共享，實(shí)現(xiàn)信道資源更加合理有效的利用[7]。

③具備立即聯(lián)機(jī)的性質(zhì)，即客戶建立一個(gè)新的連接，幾乎無(wú)需任何額外時(shí)間。也就是說(shuō)，用戶在利用手機(jī)網(wǎng)上沖浪或者進(jìn)行通話時(shí)，也能夠接收外界發(fā)來(lái)的短消息[7]。

④按數(shù)據(jù)量收費(fèi)[8]，用戶只有在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)資源，運(yùn)營(yíng)商才會(huì)收費(fèi)，數(shù)據(jù)量越大，收費(fèi)越多，反之越少。所以，用戶只需關(guān)心數(shù)據(jù)量的多少，而無(wú)需關(guān)心通信時(shí)間的長(zhǎng)短。本系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，費(fèi)用較低。

在硬件電路方面，絕大部分GPRS模塊向外提供RS-232C接口，用戶可以在嵌入式操作系統(tǒng)中編寫相應(yīng)的PPP腳本撥號(hào)程序，直接驅(qū)動(dòng)GPRS調(diào)制解調(diào)器連接上GPRS骨干網(wǎng)和Internet，這樣，所有采集到的數(shù)據(jù)就可以通過(guò)TCP/IP通道發(fā)送到任意一個(gè)具有GPRS網(wǎng)絡(luò)私有IP地址或公網(wǎng)IP地址的主機(jī)上去，從而實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸[9]。如今，隨著電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于GPRS的無(wú)線傳輸模塊逐漸得到了廣泛使用。這種模塊是在原有的GPRS模塊的基礎(chǔ)上加上外圍電路設(shè)計(jì)而成的，通過(guò)串口與控制器通信，其PPP腳本撥號(hào)程序已由開(kāi)發(fā)人員寫好。因此，使用者只需配置模塊的參數(shù)、正確操作串口，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)采用可調(diào)等時(shí)間間隔測(cè)量模式，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的靈活性。系統(tǒng)啟動(dòng)后，使用者根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定系統(tǒng)的測(cè)量間隔時(shí)間T和溫濕度的閾值。每隔時(shí)間T，系統(tǒng)會(huì)連續(xù)測(cè)量3次溫濕度，以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。之后，系統(tǒng)會(huì)將測(cè)量的溫濕度的值與預(yù)設(shè)的溫濕度的閾值進(jìn)行比較。如果所測(cè)得的溫濕度的值超過(guò)設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)會(huì)立即將機(jī)房編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、溫濕度值發(fā)送給移動(dòng)終端，并提示工作人員機(jī)房需要維護(hù)；否則，系統(tǒng)只在規(guī)定的時(shí)間將機(jī)房編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、溫濕度值和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給移動(dòng)終端。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

將該系統(tǒng)安裝在中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所大數(shù)據(jù)中心1號(hào)機(jī)房，測(cè)量間隔時(shí)間設(shè)置為10 s，溫度閾值為設(shè)定為40℃，濕度閾值設(shè)定為10%RH。若環(huán)境溫度未超過(guò)40℃且濕度未低于10%RH，則系統(tǒng)將會(huì)在上午十點(diǎn)將機(jī)房編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、溫濕度值和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)（“running！”）發(fā)送給移動(dòng)終端；否則，系統(tǒng)立即將機(jī)房編號(hào)、測(cè)量時(shí)間、溫濕度值和相關(guān)提示信息（“Please check！”）發(fā)送給移動(dòng)終端。系統(tǒng)運(yùn)行4個(gè)月，部分結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 移動(dòng)終端接收到的數(shù)據(jù)（1）

圖4 移動(dòng)終端接收到的數(shù)據(jù)（2）

結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)選用低功耗器件，采用可調(diào)等時(shí)間間隔測(cè)量模式，并利用GPRS技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、測(cè)量范圍寬、精確度較高、測(cè)量模式靈活、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，能為管理者提供較為精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，不僅可用于機(jī)房，還可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（比如溫室大棚）和工業(yè)生產(chǎn)（比如生產(chǎn)車間溫濕度監(jiān)控）。系統(tǒng)適用范圍較廣，具有一定的推廣和使用價(jià)值。

[1]馬洪偉，盛翊智.GPRS技術(shù)在無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)中的應(yīng)用[J].微機(jī)發(fā)展，2005，3（3）：101.

[2]劉國(guó)錦，劉新霞.GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應(yīng)用[J].信息化研究，2010，36（2）：1.

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[4]Texas Instruments.MSP430x13x，MSP430x14x，MSP430x14x1 MIXED SIGNALMICROCONTROLLER[EB/OL].[2014-11].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/slas2 72f/slas272f.pdf.

[5]Sensirion.Datasheet SHT21[EB/OL].[2014-11].http：//www.sensirion.com/fileadmin/user ＿upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion ＿ Humidity ＿SHT21＿Datasheet＿V4.pdf.

[6]Sensirion.SHT21數(shù)字濕度和溫度傳感器[J].傳感器世界，2010（5）：46.

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