郭 苧， 郭曉冉， 毛向東， 劉海濤

(中國人民解放軍63908部隊，河北 石家莊 050000)

?

基于GSM和WSNs的實驗室溫濕度采集報警系統(tǒng)設(shè)計

郭 苧， 郭曉冉， 毛向東， 劉海濤

(中國人民解放軍63908部隊，河北 石家莊 050000)

針對計量校準(zhǔn)實驗室嚴(yán)格的環(huán)境條件要求，設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的實驗室溫濕度采集報警系統(tǒng)。以STC12C5A60S2微處理器為控制核心，收集、處理和儲存各校準(zhǔn)實驗室內(nèi)傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息，并通過GTM900C模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸。當(dāng)實驗室內(nèi)溫濕度超出設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)可自動傳輸超限報警信息。系統(tǒng)精確度高、實用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確監(jiān)測、記錄實驗室的溫濕度，有效規(guī)避在環(huán)境不合格的條件下進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)及測試項目，具有很強(qiáng)的實際應(yīng)用價值。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)； 溫濕度采集； 全球移動通信系統(tǒng)

0 引 言

計量校準(zhǔn)對周圍環(huán)境因素的要求很高，尤其電子設(shè)備的校準(zhǔn)對環(huán)境的溫濕度非常敏感，為保證測量結(jié)果的有效性，并提供修正依據(jù)，環(huán)境必須受控[1]。目前，實驗室溫濕度主要依靠檢定員觀察、記錄放置于各實驗室內(nèi)的溫濕度計，記錄方法智能化程度低、記錄數(shù)據(jù)有限且難以保證連續(xù)記錄，導(dǎo)致各標(biāo)準(zhǔn)實驗室溫濕度數(shù)據(jù)無法合理匯總，查詢耗時費(fèi)力；若遇某標(biāo)準(zhǔn)需長時間校準(zhǔn)，或某段時間無人監(jiān)守，溫濕超限將無法知曉，從而難以保障試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠；受時空、環(huán)境等因素的制約，有線模式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)不能完全滿足所有條件下校準(zhǔn)任務(wù)的執(zhí)行，因此,通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式代替有線數(shù)據(jù)傳輸，成為解決此類問題的主要研究方向[2～6]。

針對校準(zhǔn)實驗室溫濕度數(shù)據(jù)受控的要求，根據(jù)nRF2401芯片和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)節(jié)點的特點[7,8]，采用模塊化設(shè)計方法，設(shè)計了實驗室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集與超限預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

實驗室溫濕度采集報警系統(tǒng)由信息采集和處理子系統(tǒng)，即WSNs節(jié)點及終端控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。信息采集和處理子系統(tǒng)直接與終端控制系統(tǒng)通過近距離無線網(wǎng)絡(luò)連接。為了得到實驗室內(nèi)溫濕度的有效信息，在室內(nèi)安放WSNs節(jié)點實時測量溫度、濕度。整個實驗樓有數(shù)個標(biāo)準(zhǔn)器實驗室，每個實驗室至少需要一個WSNs節(jié)點，將其按照一定順序編號，WSNs節(jié)點采集溫濕度信息并與設(shè)置的閾值對比，當(dāng)出現(xiàn)量值超標(biāo)時，節(jié)點本身聲光報警，同時會將報警信息傳至終端控制系統(tǒng)，并通過全球移動通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)模塊以短信形式發(fā)送報警信息至指定手機(jī)，以便及時采取有效措施。采集信息以分時掃描方式發(fā)送至終端控制系統(tǒng)并保存至存儲芯片內(nèi)，同時在LCD顯示屏上實時顯示，方便查看。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 WSNs節(jié)點硬件設(shè)計

WSNs節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊等部分組成。WSNs節(jié)點框圖如圖2所示。

圖2 WSNs節(jié)點框圖

微處理器模塊采用STC12C2052AD單片機(jī)[9]，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點。無線通信芯片nRF2401采用全球開放的2.4 GHz頻段，有125個頻道，可滿足多點跳頻需要，傳輸速率1Mb/s，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)計，電壓范圍為1.9～3.6 V，滿足低功耗設(shè)計要求，內(nèi)置CRC糾錯硬件電路和協(xié)議，支持點對多點通信地址控制，能夠滿足無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計要求。溫濕度傳感器選擇SHT11，內(nèi)置已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部集成了溫度傳感器、濕度傳感器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口及CRC發(fā)生器，電源電壓范圍為2.4～5.5 V，濕度測量范圍為0 %～100 %RH，分辨率為0.3 %RH，溫度范圍為-40～123.8 ℃，分辨率為0.01 ℃，能夠滿足測量范圍和精度要求。能量供應(yīng)模塊設(shè)計兩種供電方式：由干電池供電，適合WSNs節(jié)點自由移動，任意擺放；由市電通過適配器供電，適合WSNs長期固定在室內(nèi)某個區(qū)域?；趯嶒炇椰F(xiàn)狀優(yōu)先選用第二種供電方式。

2.2 終端控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

終端控制系統(tǒng)由中央處理單元、存儲單元、顯示單元、GSM模塊、無線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊6部分組成，如圖3所示。

圖3 終端控制系統(tǒng)硬件框圖

中央處理單元采用STC12C5A60S2[10]單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點，完全滿足系統(tǒng)要求。為了存儲采集的數(shù)據(jù)信息，以便查詢，終端控制系統(tǒng)采用可編程存儲器AT24C512存儲采集的信息，并通過LCD實時顯示。GSM模塊選用GTM900C無線模塊。收發(fā)模塊采用與無線傳感器節(jié)點相同的芯片NRF2401，保證終端控制系統(tǒng)與信息采集和處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 WSNs構(gòu)建

構(gòu)建的WSNs包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務(wù)管理節(jié)點[11]，傳感器節(jié)點布置于各標(biāo)準(zhǔn)室、儀器庫等房間，負(fù)責(zé)收集房間內(nèi)溫濕數(shù)據(jù)，經(jīng)STC12C2052AD處理，通過nRF2401傳送數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點放置于該樓層中間的會議室，將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STC12C5A60S2處理存儲至存儲器或通過串口將數(shù)據(jù)傳送至電腦儲存，并將超限數(shù)據(jù)通過GSM模塊傳送至指定手機(jī)(任務(wù)管理節(jié)點)實現(xiàn)報警，任務(wù)管理節(jié)點亦可實時主動獲取任意傳感器節(jié)點溫濕度信息。WSNs體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 WSNs體系結(jié)構(gòu)

3.2 信息采集和處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件功能需求：單片機(jī)控制溫濕度傳感器采集并讀取當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)并與閾值對比，將超限數(shù)據(jù)提取并生成警報，然后通過單片機(jī)軟件模擬SPI將數(shù)據(jù)和超限警報發(fā)給NRF2401，并配置NRF2401到發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。流程如圖5所示。

各節(jié)點溫濕度閾值可以通過節(jié)點系統(tǒng)本身設(shè)置，也可由手機(jī)編輯短信經(jīng)GSM—終端控制系統(tǒng)—節(jié)點控制器設(shè)置，該設(shè)計使各節(jié)點閾值更改方便，通用性更強(qiáng)。

3.3 終端控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件功能需求：單片機(jī)控制接收器接收各節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)和報警信息，分別存儲各節(jié)點信息并在LCD循環(huán)顯示各標(biāo)準(zhǔn)室閾值及實時測試值，當(dāng)有超限報警時，報警模塊發(fā)出警報、LCD顯示報警并通過GSM將超限詳細(xì)信息傳送至手機(jī)終端。流程如圖6所示。

圖5 傳感器節(jié)點工作流程

終端控制系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)有限，系統(tǒng)通過串口與電腦相連可定期轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)至電腦；終端控制系統(tǒng)警報可通過手機(jī)發(fā)送命令短信關(guān)閉。

圖6 終端控制系統(tǒng)工作流程

4 實驗結(jié)果

隨機(jī)選擇6個標(biāo)準(zhǔn)室布置WSNs節(jié)點和經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度計，對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，將終端控制系統(tǒng)布置會議室，對采集的數(shù)據(jù)存儲和顯示，對超限數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)警。利用空調(diào)和加濕器對室內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，待制冷、加濕一段時間后記錄溫濕度計和終端控制系統(tǒng)上LCD顯示值，數(shù)據(jù)如表1所示(溫濕度值均取到小數(shù)點后一位，小數(shù)點后第二位數(shù)據(jù)時刻變動，無實際意義)。

表1 實驗室溫濕度測試結(jié)果

可以得出：WSNs節(jié)點與經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度計測得的溫濕度值基本一致，最大溫度差為0.5 ℃，最大濕度差為0.8 %RH，誤差范圍小，能夠滿足實驗室要求；其中，標(biāo)準(zhǔn)室1鑒定規(guī)程要求溫度19～21 ℃、相對濕度45～65 %RH；標(biāo)準(zhǔn)室6鑒定規(guī)程要求溫度17～21 ℃、相對濕度小于等于80 %RH。由監(jiān)測結(jié)果可知兩標(biāo)準(zhǔn)室濕度、溫度分別超差，系統(tǒng)聲光報警，LCD超差結(jié)果顯示，同時手機(jī)也接收到超差報警信息。

5 結(jié) 論

設(shè)計的實驗室溫濕度采集報警系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠性強(qiáng)，軟件設(shè)計合理、效率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實時性好，且易擴(kuò)展、易安裝，滿足實驗室溫濕度監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集及超限報警要求。

[1] 閆宇華，李 誼，黃 寧，等.GJB 2725A—2001.測試實驗室和校準(zhǔn)實驗室通用要求[S].北京：中國人民解放軍總裝.

[2] 唐希浪，肖明清，宋海方，等.基于WSNs的軍用機(jī)場倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015,34(10)：96-99.

[3] 朱嶸濤，葉傳濤.基于nRF2401和STC15F2K61S2的無線溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].石油儀器，2014,28(1)：29-31,34.

[4] 施云波，周 磊，修德武，等.基于GSM的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(4)：96-98.

[5] 朱慧彥，林 林.基于MCU和nRF2401的無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電子·電路，2012,25(4)：81-83,91.

[6] 鮮曉東，常 超，胡 穎，等.基于WSNs和GSM的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(6)：141-144.

[7] 孫利民，李建中，陳 渝，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005:391-402.

[8] 陳遠(yuǎn)波，李 青，王燕杰，等.基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(2)：120-122,129.

[9] 宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列單片機(jī)器件手冊[M].深圳:宏晶科技有限公司，2011.

[10] 宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊[M].深圳：宏晶科技有限公司，2011.

[11] 王 殊 閻毓杰 胡富平，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

Design of laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system based on GSM and WSNs

GUO Ning， GUO Xiao-ran， MAO Xiang-dong， LIU Hai-tao

(Troops 63908,People's Liberation Army,Shijiazhuang 050000,China)

A laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system is designed based on wireless sensor networks(WSNs)for the strict requirements of environmental conditions in the calibration laboratory.System uses STC12C5A60S2 microprocessor as controlcore to collect,process and store each sensor node data in the calibration laboratories,and realize remote transmission of data through GTM900C module.When temperature and humidity exceed a set threshold,the system can automatically transmit the alarm message.System has high precision,strong practicability,stability and reliability,which can accurately monitor and record the temperature and humidity.System avoids the verification, calibration and test items in substandard conditions effectively,which has a strong practical application value.

wireless sensor networks(WSNs); temperature and humidity collection; global system for mobile communication(GSM)

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0092—03

2016—08—31

TP 212

A

1000—9787(2017)08—0092—03

郭 苧(1989-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備與電子元器件環(huán)境試驗及可靠性設(shè)計，以及數(shù)字表、示波器、頻譜儀、時頻等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計量校準(zhǔn)工作。