基于GSM短消息的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

1 引言

溫室環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)是否符合規(guī)定要求需進(jìn)行檢測得知，而科技的發(fā)展為溫室環(huán)境的監(jiān)測自動(dòng)化、高效化提供了重要條件。GSM短信息以其覆蓋區(qū)域廣、快捷、高效、準(zhǔn)確、費(fèi)用低廉、受環(huán)境影響小等特點(diǎn)．逐步應(yīng)用于工業(yè)控制、移動(dòng)作業(yè)環(huán)境、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中?？呻S時(shí)隨地通過GSM模塊以短消息方式發(fā)送和接收現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，便于數(shù)據(jù)信息的集中管理和遠(yuǎn)程控制。采用 MSP430F149單片機(jī)和TC35i作為核心器件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境中溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。并將測得數(shù)據(jù)定時(shí)以GSM 短消息的方式發(fā)送到手機(jī)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，也可設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境參數(shù)。當(dāng)環(huán)境參數(shù)不符合環(huán)境要求時(shí)向手機(jī)發(fā)送警報(bào)。因此，該系統(tǒng)是一種低成本、體積小、可移動(dòng)、方便操作的新型環(huán)境監(jiān)測儀。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

該系統(tǒng)主要由兩大部分組成：環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)監(jiān)測終端。環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分主要由環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器、單片機(jī)MSP430F149和GSM無線收發(fā)模塊等組成。其中環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2濃度傳感器，主要完成環(huán)境信息的采集。MSP430F149是一款超低功耗單片機(jī)，能夠在1．8～3．6V電壓、1 MHz的時(shí)鐘下運(yùn)行，具有5種節(jié)電模式；具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，主要控制環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和GSM無線收發(fā)模塊兩者有序工作，它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分，一方面進(jìn)行用戶鑒權(quán)，另一方面將獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GSM短信模式，并控制TC35i收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。GSM無線收發(fā)模塊即 TC35i，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收短信，它可以向用戶監(jiān)測終端發(fā)送檢測到的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)也接收用戶監(jiān)測終端發(fā)來的命令短信。數(shù)據(jù)監(jiān)測終端可以是手機(jī)終端或計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。

圖1為系統(tǒng)整體框圖，整個(gè)電路采用MSP430F149結(jié)合外同電路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。系統(tǒng)循環(huán)監(jiān)控環(huán)境，若出現(xiàn)問題，單機(jī)片立即通過AT命令RS232異步串行接口與GSM收發(fā)模塊進(jìn)行通信，并利用該模塊向手機(jī)終端或計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心發(fā)送短信息。監(jiān)測者可用短信命令設(shè)置智能模塊，或發(fā)送短消息查詢命令查詢其監(jiān)控情況，從實(shí)現(xiàn)到無線監(jiān)測。該方式無需撥號(hào)，短信收發(fā)模塊直接把傳輸?shù)膬?nèi)容和終端號(hào)碼傳送給SMSC，再由 SMSC發(fā)送給接收終端。如果發(fā)送失敗，網(wǎng)絡(luò)保留消息重新發(fā)送。

圖1　環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1 GSM收發(fā)模塊TC35i

TC35i是一款工業(yè)級(jí)GSM模塊，集成有射頻單元和基帶處理器，可工作于900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真功能。TC35i模塊的正常運(yùn)行需要相應(yīng)外圍電路的配合。TC35i共有40個(gè)引腳，通過零阻插座ZIF (Zero Insertion Force)連接器分別與電源、啟動(dòng)與關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)通信、語音通信、SIM卡、指示燈等電路連接。啟動(dòng)電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。TC35i上電1Oms后(電池電壓須大于3V)，為使之正常工作，必須在引腳IGT加時(shí)長至少為100 ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿的時(shí)間小于1 ms。啟動(dòng)后，該引腳信號(hào)應(yīng)保持高電平。TC35i的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU2T，RS232接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMO電平(2165 V]，數(shù)據(jù)接口配置為8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位，可以在300 b／s～115 Kb／s的波特率下運(yùn)行。支持的自動(dòng)波特率為418～115 Kb／s。TC35i模塊還支持RTSO／CTSO的硬件握手和Xon／Xoff的軟件流控制，串口RS232通信采用MAX3238器件實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。

3．2 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，采集處理環(huán)境參數(shù)，將環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)存人存儲(chǔ)器，系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)帶有有線傳輸方式，通過RS232對(duì)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集與調(diào)試。 

3．2．1 光照強(qiáng)度傳感器

選用TSL230B測量周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度。該器件采用先進(jìn)的LinCMOSTM 工藝，由多晶硅光電二極管和單片CMOS電流頻率集成轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。它無需外接元件即可完成高分辨率的光照度／頻率轉(zhuǎn)換，把一定光譜的光轉(zhuǎn)換成電流。再由電流／頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖頻率。輸出方波或三角波的頻率完全由光照幅度決定，分辨率極高，可直接與微控制器相連，如圖2所示。S0、S1為靈敏度控制端，實(shí)際是通過改變其上方的感光面積來改變靈敏度；S2、S3為滿量程選擇端；OUT為頻率信號(hào)輸出端，進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入，通過計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差，便可以計(jì)算出輸出頻率值，最后根據(jù)TSL230B的頻率一能量關(guān)系曲線圖對(duì)照得到光線強(qiáng)度。

圖2　溫度濕度、光照傳感器連接電路

3．2．2 溫度濕度傳感器

溫度濕度的測量采用SHT11型智能化濕度／溫度傳感器，它采用CMOSens (Ce-mo-Sens)專利技術(shù)(CMOS和傳感器技術(shù)的融合)，體積小。SHT11主要包括相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(E2PROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、狀態(tài)寄存器、加熱器、低電壓檢測電路等部分，可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出，具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；具有數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。SHT11是采用I2C總線接口的傳感器，接口電路非常簡單，具有數(shù)字式輸出，免調(diào)試，免標(biāo)定，一致性好，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，圖2為其連接電路圖。

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3．2．3 CO2濃度傳感器

CO2的監(jiān)測采用6004型CO2濃度傳感器，該傳感器采用紅外線吸收散射式NDIR技術(shù)，靈敏度高，可重復(fù)性好，響應(yīng)時(shí)間快，預(yù)熱時(shí)間短，長期使用穩(wěn)定性能好。紅外CO2傳感器6004的測量范圍較寬。分別為0～2 000 pom,0～10 000 ppm，0～50 000 ppm，采用+5 V供電，平均電源損耗45 mA，最小電源損耗15 mA。工作環(huán)境為0～50°C，輸出電壓是在0～4 V變化的直流信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)6004的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣后，送到A/D轉(zhuǎn)換器處理。A／D轉(zhuǎn)換器采用帶有I2C總線的ADS1100，它具有分辨率、接口簡單、比例放大、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。ADS1100采用電源電壓為基準(zhǔn)電壓，可按比例進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換。同時(shí)帶有差分輸入且具有高達(dá)16位的分辨率，片內(nèi)可編程增益放大器(PGA)能提供高達(dá)8倍的增益，允許對(duì)小信號(hào)進(jìn)行測量。該傳感器使用壽命長(約10年)，對(duì)溫度和濕度依賴性比較小，可以明顯降低溫度的漂移所帶來的誤差。

3．3 存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器部分采用SST25VF040。它以SuperFlash技術(shù)為基礎(chǔ)，適用于外擴(kuò)存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)容量為4 MB，采用3．3 V單電源供電，無需額外高電壓，可通過一些特殊的命令字序列實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子模塊的讀寫和擦除。該器件功耗低，工作電流為7 mA，等待電流為3μA；時(shí)鐘頻率高達(dá)33 MHz，可快速編程、擦除、讀取，可重復(fù)10萬次以上，采用8引腳SOIC封裝及超薄型WSON封裝，可減少電路板空間、耗能及成本。提供最新自動(dòng)地址增值(AAI)資料寫入模式，相較于單一字節(jié)資料寫入模式，該模式將整個(gè)閃存的資料寫入時(shí)間減少50％。

對(duì)采集的數(shù)據(jù)通過SPI串行通信存儲(chǔ)到SST25VF040，也可通過SPI串行通信讀取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，從而便于查詢、分析、處理采集的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)電路連接如圖3所示。通過上拉電阻將CE、SO引腳的初始狀態(tài)置為高電平，寫保護(hù)始終為高電平。相應(yīng)的輸入輸出端、時(shí)鐘信號(hào)端和使能端分別和單片機(jī)接口相連。

3．4 時(shí)鐘模塊

系統(tǒng)采用DS1302器件作為時(shí)鐘電路。該器件低功耗，可通過串行方式與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，能夠向單片機(jī)提供包括秒、分、時(shí)、日、月、年等在內(nèi)的實(shí)時(shí)時(shí)間信息，并且具有月末日期、閏年的補(bǔ)償功能；還有用于主電源和備份電源的雙電源引腳，在主電源關(guān)閉時(shí)，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送依靠CE、I／O、SCLK 3根端線即可完成。其工作過程為：首先CE引腳驅(qū)動(dòng)至高電平，然后再作用于SCLK時(shí)鐘脈沖，通過I／O引腳向DS1302輸入地址／命令字節(jié)，隨后再在 SCLK時(shí)鐘脈沖的配合下，從I／O引腳寫入或讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)字節(jié)。因此，DS1302與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送是十分容易實(shí)現(xiàn)的。如圖3所示。 

 圖3　存儲(chǔ)、時(shí)鐘模塊的連接電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序采用C語言編寫。主要分為兩大部分：一是對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行判別、檢查和存儲(chǔ)，包含采集中斷、時(shí)鐘讀取子程序、存儲(chǔ)程序、短信收發(fā)、串行通信中斷等程序組成；二是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析。系統(tǒng)除接收正常的測量數(shù)據(jù)．還對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，監(jiān)控者也可隨時(shí)查詢所監(jiān)測的各項(xiàng)參數(shù)，短信收發(fā)模塊對(duì)接收到查詢指令的用戶進(jìn)行鑒權(quán)。如果是非法用戶則不處理該指令，同時(shí)也可檢查各監(jiān)測數(shù)據(jù)的時(shí)鐘和日歷設(shè)置、各采集終端，分析數(shù)字化采集狀態(tài)的信號(hào)裝置，并隨時(shí)校正。定時(shí)向檢測者發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，到系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間時(shí)，將自動(dòng)發(fā)送最新的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

單片機(jī)和TC35i模塊之間采用AT指令通信。TC35i提供的命令接口符合GSM 07．05和GSM 07．07規(guī)范。GSM07．07中定義的AT命令提供一種移動(dòng)平臺(tái)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口，數(shù)據(jù)終端設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令與GSM網(wǎng)絡(luò)引擎相互通信、交換數(shù)據(jù)。對(duì)SMS的控制主要采用3種模式：Block、基于AT指令的Text和基于AT指令的PDU。該監(jiān)測系統(tǒng)采用PDU模式接收和發(fā)送短消息。系統(tǒng)軟件采用模塊化方式設(shè)計(jì)，主要有主程序和溫度濕度、光照強(qiáng)度、CO7濃度等數(shù)據(jù)采集子程序，主程序開始后，先初始化單片機(jī)、GSM短信收發(fā)模塊驅(qū)動(dòng)、A／D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)等，其流程如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程

5 結(jié)束語

基于TC35i短信收發(fā)模塊的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。采用一種成熟可靠、便捷的數(shù)據(jù)傳輸采集方式。進(jìn)一步開發(fā)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)基于普通手機(jī)的遠(yuǎn)程操作，可逐步替代移動(dòng)性不強(qiáng)的PC機(jī)，使遠(yuǎn)程控制更加便捷。