曾素瓊，宋亮興

(嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015)

基于手機(jī)短信的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾素瓊，宋亮興

(嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，廣東 梅州 514015)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)利用STC89C52單片機(jī)控制，基于GSM通信、手機(jī)短信方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫濕度的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)與控制;監(jiān)測(cè)空間一旦溫度或濕度超過閾值，系統(tǒng)會(huì)通過GSM模塊發(fā)送短信到管理員手機(jī)顯示溫度、濕度數(shù)據(jù)，管理員可通過手機(jī)短信遠(yuǎn)程操控繼電器工作，進(jìn)而啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備升溫、降溫、加濕、去濕等工作;通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)溫度、濕度的遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)與控制;系統(tǒng)具有準(zhǔn)確度高、體積小、性能穩(wěn)定、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居、農(nóng)作物管理、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

溫濕度檢測(cè);溫濕度監(jiān)控;GSM短消息

0 引言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人類與溫濕度的關(guān)系越來越緊密。在傳統(tǒng)的溫濕度控制領(lǐng)域，是以人力為主，浪費(fèi)了人力物力資源，使得管理成本很大。采用基于手機(jī)短信的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能讓室內(nèi)的溫濕度監(jiān)測(cè)及管理更加簡(jiǎn)單有效，且管理的成本降低，能讓資源得到更好的運(yùn)用。系統(tǒng)在智能家居、安防監(jiān)控、農(nóng)作物管理、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

1 基于手機(jī)短信的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，使用溫濕度傳感器采集待測(cè)室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，使用AT24C02存儲(chǔ)溫濕度的閾值，若溫濕度超過設(shè)置的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警且會(huì)發(fā)信息給管理員手機(jī)報(bào)告目前溫濕度數(shù)據(jù)，管理員根據(jù)信息回復(fù)針對(duì)性的操作，系統(tǒng)收到信息啟動(dòng)相應(yīng)的工作。溫濕度恢復(fù)正常后工作自動(dòng)停止，停止報(bào)警。采集的溫濕度數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。

圖1 無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片、溫濕度檢測(cè)、顯示及無線通信芯片選擇

系統(tǒng)選用STC89C52單片機(jī)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(chǔ)空間、512B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、4kB的 EEPROM存儲(chǔ)空間，下載時(shí)，使用串口能直接方便地下載[1-2]。

系統(tǒng)的溫濕度采集模塊采用DHT11溫濕度傳感器。DHT11是數(shù)字溫濕度一體的傳感器，含電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件各一個(gè)，它具有穩(wěn)定性高和反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，它的校準(zhǔn)系數(shù)儲(chǔ)存在內(nèi)存中，在處理信號(hào)時(shí)它會(huì)調(diào)用這些系數(shù)[3]，具有體積小，功耗低，信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)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(jī)相連簡(jiǎn)易方便[4]。

系統(tǒng)的GSM模塊設(shè)計(jì)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(dòng)應(yīng)用的物理接口為68個(gè)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(diào)試串口可以幫助用戶輕松地進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。 SIM900A內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用時(shí)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(nèi)溫濕度情況，能讓管理員能更加直觀的了解室內(nèi)溫濕度情況。LCD1602是慢顯示器件，它在執(zhí)行每條指令之前，要先判斷模塊的忙標(biāo)志是否為低電平，否則該指令會(huì)無效。需要顯示字符之前，應(yīng)先輸入顯示字符的地址[8]。

2.2 系統(tǒng)的主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，單片機(jī)STC89C52作主控模塊，它控制系統(tǒng)的運(yùn)行，用其各個(gè)接口控制其他模塊。單片機(jī)主控模塊讀取來自DHT11傳感器的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將其發(fā)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(fù)位電路[9]及上拉電阻。晶振電路使用12MHz的晶振，給單片機(jī)提供工作信號(hào)(12 MHz)的脈沖，晶振兩端各接一個(gè)30 pF的電容來減小諧波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響。復(fù)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開機(jī)自動(dòng)復(fù)位。

圖2 系統(tǒng)電路的硬件連接框圖

3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 閾值設(shè)置及存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

閾值設(shè)置模塊采用AT24C02及按鍵組成。AT24C02是一個(gè)2k位串行COMS E2PROM，內(nèi)部大小為256B，使用COMS技術(shù)降低了產(chǎn)品的功耗，它有一個(gè)16B的寫緩沖，通過集成電路總線接口進(jìn)行操作[10]。溫濕度的閾值存儲(chǔ)在AT24C02中，通過S1～S4按鍵調(diào)節(jié)并保存，其中S1為設(shè)置鍵(SET)，S2為提升閾值鍵(ADD)，S3為降低閾值鍵(SUB)，S4為確認(rèn)鍵(OK)，S1～S4按鍵分別連接至單片機(jī)的P2.0～P2.3端，當(dāng)按鍵按下時(shí)，單片機(jī)引腳接口會(huì)接收到低電平，程序上監(jiān)測(cè)到低電平，則會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。

系統(tǒng)閾值存儲(chǔ)電路圖中，AT24C02芯片的WP端接地，允許系統(tǒng)進(jìn)行讀/寫操作，SCL(串行時(shí)鐘)和SDA(串行數(shù)據(jù)/地址)分別與單片機(jī)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(hào)穩(wěn)定的作用[11]。

3.2 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

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(jī)系統(tǒng)的P2口(收發(fā)串行數(shù)據(jù))相連，發(fā)送串行數(shù)據(jù)，引腳2(DATA)還與一個(gè)10k的電阻相連并接電源，該電阻是上拉電阻，起到信號(hào)穩(wěn)定的作用。

DHT11的引腳DATA 用于DHT11與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，4 ms通訊一次并傳輸大小為40bit的數(shù)據(jù)，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。傳輸正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)=(8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù))的末八位。

3.3 基于繼電器模塊的負(fù)載控制電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的繼電器模塊設(shè)計(jì)采用電磁繼電器為核心設(shè)計(jì)電路，以動(dòng)、靜觸點(diǎn)的吸合、分離，實(shí)現(xiàn)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(dāng)單片機(jī)引腳接口輸出低電平，經(jīng)過大小為1 kΩ的限流電阻R7，使三極管Q1導(dǎo)通，線圈通電，使銜鐵的動(dòng)、靜觸點(diǎn)吸合，使電路導(dǎo)通。無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的降溫繼電器和去濕繼電器各自外接一個(gè)小風(fēng)扇降溫和去濕操作，升溫繼電器接一個(gè)加熱片，加濕繼電器接一個(gè)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(lián)一個(gè)2.2 k的分壓電阻，避免LED燈燒掉，當(dāng)繼電器斷開時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向的電動(dòng)勢(shì)，因此使用一個(gè)1N4148二極管與線圈并聯(lián)，通過二極管的分流達(dá)到保護(hù)電路的目的。

圖3 繼電器模塊電路

3.4 GSM模塊設(shè)計(jì)

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(lián)一個(gè)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(gè)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(wěn)定。SIM900A模塊的TXD與單片機(jī)的RXD相接，模塊的RXD與單片機(jī)的TXD相接，使單片機(jī)與模塊可相互讀寫。

圖4 GSM模塊電路

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括：主程序、溫濕度采集程序、GSM發(fā)送和處理短信程序、閾值設(shè)置程序、顯示程序[5]。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

主程序流程圖如圖5所示，程序設(shè)計(jì)時(shí)首先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化(包含定時(shí)器、串口、液晶顯示的初始化)，設(shè)置短信格式，清理GMS接收緩存區(qū)，顯示未讀短信；系統(tǒng)從EEPROM中讀取溫濕度上下限值，系統(tǒng)讀取從傳感器模塊采集到監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度信息，液晶顯示屏顯示溫濕度，同時(shí)系統(tǒng)判斷溫濕度是否超出閾值并執(zhí)行相應(yīng)命令；系統(tǒng)檢測(cè)按鍵是否按下，若按下執(zhí)行按鍵功能(測(cè)溫濕度、設(shè)置閾值等功能)，按鍵沒按下則繼續(xù)等待；等待并判斷是否接收短信，接收并處理短信，若系統(tǒng)判斷溫濕度超過上下限值，相應(yīng)標(biāo)志量置位，蜂鳴器報(bào)警、指示燈亮并向手機(jī)發(fā)送短信，若溫濕度不超限，則關(guān)閉蜂鳴器、指示燈，并取消超上限置位標(biāo)志。

GSM發(fā)送和處理短信程序流程圖如圖6所示。GSM短信發(fā)送過程：GMS發(fā)送開始，發(fā)送信息、指令和電話號(hào)碼，程序作一定的延時(shí)，溫濕度超過閾值時(shí)，即檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)包含“>”時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向管理員手機(jī)發(fā)送短信，短信內(nèi)容包含當(dāng)前溫濕度情況及繼電器情況；檢測(cè)接收數(shù)據(jù)是否包含“ERROR” 、“OK”字段，是“ERROR”則返回錯(cuò)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(cè)接收數(shù)據(jù)是否包含“kan”，若包含“kan”則向指定手機(jī)號(hào)發(fā)送溫濕度閾值和繼電器狀態(tài)，若不包含“kan”則檢測(cè)接收數(shù)據(jù)是否包含“JD”，若包含“JD”則根據(jù)JD后面的4個(gè)數(shù)控制繼電器開關(guān)，若不包含“JD”則終止短信處理。管理員可發(fā)短信“JDxxxx”(x為0或1，0為開，1為關(guān))來控制繼電器的開關(guān)。平時(shí)管理員想了解室內(nèi)溫濕度情況也可發(fā)短信“kan”到系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回復(fù)當(dāng)前溫濕度情況給管理員。

圖6 GSM發(fā)送和處理短信程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

系統(tǒng)測(cè)試包括：溫濕度測(cè)試及精準(zhǔn)度分析，顯示界面是否正常，溫濕度閾值設(shè)置及控制是否正常，繼電器開關(guān)工作是否正常，短信發(fā)送、接收及短信處理(即系統(tǒng)接收信息后工作)是否正常。

系統(tǒng)溫濕度閾值設(shè)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(jìn)行溫濕度閾值設(shè)置，確定后按下“ok”按鈕即可。若系統(tǒng)溫濕度均沒超出閾值，顯示屏第二行顯示“Goodenviroment”，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)閾值設(shè)置功能及顯示界面正常。系統(tǒng)采集的室內(nèi)溫濕度超過閾值時(shí)，顯示屏的第二行顯示“It’sveryhot!”，蜂鳴器報(bào)警，且系統(tǒng)會(huì)發(fā)送短信到管理員手機(jī)顯示當(dāng)前溫濕度及繼電器情況。系統(tǒng)發(fā)送短信給管理員后，管理員可根據(jù)溫濕度情況，以系統(tǒng)回復(fù)短信的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度。溫度超過閾值后系統(tǒng)發(fā)送短信給管理員。

繼電器開關(guān)控制模塊中，“JW”為降溫繼電器開關(guān)，“SW”為升溫繼電器開關(guān)，“QS”為去濕繼電器開關(guān)，“JS”為加濕繼電器開關(guān)。管理員通過按下“+”按鈕進(jìn)行開關(guān)繼電器操作，繼電器開啟，“JW”從“OFF”變?yōu)椤癘K”，風(fēng)扇開啟，經(jīng)測(cè)試?yán)^電器開關(guān)控制系統(tǒng)及顯示界面正常。

系統(tǒng)收到管理員短信后會(huì)自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，例如溫度太高，系統(tǒng)接受短信后，降溫風(fēng)扇開啟，直至溫濕度達(dá)到閾值范圍內(nèi)，繼電器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。平時(shí)管理員也可發(fā)短信“kan”給系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回復(fù)當(dāng)前溫濕度情況給管理員。

系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，無線監(jiān)控各功能正常，只要有GSM信號(hào)的地方，管理員均能通過GSM無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)能正常采集溫濕度數(shù)據(jù)，溫度測(cè)量精度為±1℃，溫濕度情況液晶顯示界面正常；溫濕度閾值設(shè)置及控制、繼電器開關(guān)工作正常，短信發(fā)送、接收及系統(tǒng)收信息后工作正常。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)是以STC89C52單片機(jī)為核心的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，管理員可遠(yuǎn)程即時(shí)查看室內(nèi)溫濕度情況，當(dāng)室內(nèi)溫度或濕度超過系統(tǒng)設(shè)置的閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警，且系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)短信給管理員報(bào)告當(dāng)前室內(nèi)的溫濕度情況。管理員可根據(jù)具體情況通過發(fā)短信指令給系統(tǒng)的方式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)進(jìn)行加溫，降溫，加濕，去濕等操作，直到室內(nèi)溫濕度重新回歸正常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止報(bào)警，并且會(huì)自動(dòng)終止管理員的操作指令。系統(tǒng)具有體積小、性能穩(wěn)定、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于在智能家居、農(nóng)作物管理、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域。

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

[2] 申忠如,張 倩.單片微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2013.

[3] 程 軍.傳感器與實(shí)用檢測(cè)技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[4] 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試(第三版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

[5] 王明新.基于SIM900A的GSM遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].網(wǎng)絡(luò)通訊及安全,2014(15):26-43.

[6] 熊志金.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的列車貨物安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2012,20(8):2102-2104.

[7] 紀(jì)文義,張繼成,鄭 萍,等.基于無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,35(10):171-173.

[8] 于志贛,劉國(guó)平,張旭斌.液顯LCD1602模塊的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用,2009,(3):35-46.

[9] 曾素瓊,黃華杰.基于單片機(jī)和LabVIEW的無線火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,196(1):43-45.

[10] 宋德杰.AT24C02在單片機(jī)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用,2014,(4):36-47.

[11] 于 眉.電磁繼電器知識(shí)及其應(yīng)用[J].名師導(dǎo)學(xué),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(yīng)學(xué)院質(zhì)量工程項(xiàng)目(415B0252)；2015年嘉應(yīng)學(xué)院教改重點(diǎn)項(xiàng)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(tǒng)、檢測(cè)與自動(dòng)控制及電子技術(shù)應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)03-0060-03

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

TP3

A