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【摘要】为了合理调控建筑物室内的温度，实现建筑节能的目标，设计了一种基于ARM处理器和4G无线数传模块的远程温度监测系统。系统选用DS18B20数字温度传感器实现温度的采集，采用S3C2440作为主控制芯片读取并存储温度数据，通过4G无线数传模块将温度数据传送到Internet网络中。该系统可实现实时、自动的对现场温度数据进行显示和存储，实现了对建筑室内温度的远程实时监测。
【关键词】ARM；数字温度传感器；4G无线数传模块；组态网
引言
在实际生活中，人们居住、办公的建筑内往往存在大量的能源浪费情况，通过对建筑物内的温度进行实时监测，进而对空调、暖气系统进行调节实现室内温度的合理控制，对建筑节能目标的实现具有重要的意义。基于ARM微处理器的嵌入式系统具有反应速度快，可移植性和扩展性强等优点，便于后期的系统升级。所以，开发基于ARM的嵌入式远程温度监测系统具有重要的实际应用价值。
1、系统总体设计
根据建筑节能温度检测的要求和特点，设计的建筑节能温度监测系统包括温度检测模块、ARM控制系统模块、无线数传模块和上位机监测软件四部分组成。其中，温度检测模块通过DS18B20数字温度传感器实现现场温度的采集，并将温度数据传输给ARM控制系统模块。ARM控制系统模块将温度传感器送来的数据进行处理，并通过RS232接口电路发送给4G无线数传模块。无线传输模块通过无线方式，将温度数据通过4G网络发送至Internet网络中。上位机利用组态网软件开发监测软件，对温度数据进行实时显示和后台存储，并实现温度超限报警的功能。本设计主要框架：温度检测
模块--ARM控制系统-4G无线数传模块-上位机监测系统。
2、系统硬件设计
2.1温度检测模块设计
系统选用DS18B20进行温度采集，DS18B20由温度传感器、ROM、报警触发器和配置寄存器组成[3]，其采集到的温度能够以数字信号的方式传送给ARM控制系统。DS18B20只有三个引脚：VDD、DQ、GND。VDD引脚为接电源端，GND为接地引脚，DQ引脚与控制芯片相连，进行数据通信，只通过DQ引脚进行数据的读写。由于DS18B20的单总线特性，使得ARM微控制器的一个GPIO接口上可以挂接多个DSl8B20，从而实现多点温度采集。
2.2ARM控制系统
考虑到系统的稳定性和今后大面积使用的性价比，本系统的ARM控制系统选用广州友善之臂公司生产的Mini2440 ARM9系统板，该板采用Samsung S3C2440微处理器，并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。Samsung S3C2440A，主频400MHz。本系统选用统宝3.5存真彩LCD触摸屏，分辨率240x320，可以满足系统在现场实时显示温度的要求。该板有3个RS232接口，可以选用其中1个与4G无线数传模块进行通信，传输检测的实时温度数据。
2.34G无线数传模块
系统选用厦门才茂通信公司生产的RS232接口4G DTU无线数传模块CAIMORE DTU（Data Transfer Unit），模块型号CM510-21T。该模块为用户提供高速、永远在线、TCP/UDP透明数据传输的工业级无线传输服务。产品采用高速高性能工业级ARM9嵌入式处理器，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，为用户提供高速，稳定可靠的无线透明传输功能。数据接口为标准RS232接口，硬件上仅需将ARM控制系统的RS232接口与之相连，并进行接收端IP地址的设置，即可实现温度数据的无线发送。
3、系统软件设计
3.1驱动程序的开发
对于本系统，DS18B20的驱动程序开发最为关键。DS18B20是单总线器件，因此对其的操作时序比较严格，驱动程序能否正常运行，关键在于能否正确地编写复位程序、位写程序、位读程序。对DS18B20进行读写之前要对其进行复位初始化，以检测DS18B20的存在。复位要求ARM微处理器将数据线下拉480～960us，再释放数据线，等待约60us。若ARM微处理器接收到DS18B20发出的存在低电平，则表示复位成功。
3.2驱动程序加载及测试
在系统开发阶段采用动态加载方式，首先为DS18B20创建设备节点及主次设备号，然后加载DS18B20的驱动文件。
执行测试程序，驱动和测试程序可以正常运行，并且能显示当前温度信息。当驱动程序测试成功后，即可将其直接编译进内核中，系统启动后即可进行测温。现场温度可显示在ARM系统的液晶屏上。
3.3ARM与组态网之间的通信协议
下位机的基于ARM的温度监测系统与上位机的基于组态软件的监测软件之间通过RS232串口方式进行通信。由于选用的4G数传模块可以实现无线透明传输功能，所以在根据通信协议进行通信程序的编写时无需考虑网络传输过程中的TCP/IP协议。通信过程中下位机系统的数据传输波特率、数据位、停止位、奇偶校验等数据格式必须与组态软件中的设定保持一致。组态网通过通信协议决定上位机与单片机的通信方法，以数据包的形式进行。在数据包中除字头、字尾外，所有的数据字节均用两个ASCII码表示。数据包的构成结构可参见组态网帮助文件。通信过程主要利用如下4个函数完成：（1）字节拆分函数。（2）串口发送函数。（3）接收准备程序。（4）发送程序。四个程序完成。
4、上位机温度监测软件
现场采集到的温度数据由ARM控制系统通过RS232接口传递给4G数传模块，数传模块通过4G网络向上位机电脑主机的IP地址发送数据。上位机电脑通过Internet网络接收到温度数据后，由基于组态网软件开发的上位机监测软件进行数据显示。本系统所测温度为建筑室内温度，根据《公共建筑节能设计标准》中相关规定，公共建筑室内温度一般应在5摄氏度到20摄氏度范围内。当温度超过这个限度后，监测软件可实施报警。并可生成实时趋势曲线、实时数据报表、历史数据报表。在实际应用中也可根据应用场合的实际需求合理调整报警范围。
5、结论
采用4G数传模块替代传统的GPRS模块进行温度数据的远程传输，可以提高数据传输的实时性，并为今后传输现场视频数据做好基础准备工作。通过系统的实际测试验证，本系统稳定可靠，数据传输实时性好，可以在建筑节能检测领域发挥积极的作用。
参考文献
[1]康守和.从建筑设计及运行管理谈绿色建筑节能关键技术.山西建筑，2015，41（4）：203-204
[2]莫宏波，朱新宁，果敢等.LTE TDD与LTE FDD的关键过程差异分析.电信科学，2010，（2）：74-79
[3]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用.仪表技术，2010，（4）：68-70
【关键词】ARM；数字温度传感器；4G无线数传模块；组态网
引言
在实际生活中，人们居住、办公的建筑内往往存在大量的能源浪费情况，通过对建筑物内的温度进行实时监测，进而对空调、暖气系统进行调节实现室内温度的合理控制，对建筑节能目标的实现具有重要的意义。基于ARM微处理器的嵌入式系统具有反应速度快，可移植性和扩展性强等优点，便于后期的系统升级。所以，开发基于ARM的嵌入式远程温度监测系统具有重要的实际应用价值。
1、系统总体设计
根据建筑节能温度检测的要求和特点，设计的建筑节能温度监测系统包括温度检测模块、ARM控制系统模块、无线数传模块和上位机监测软件四部分组成。其中，温度检测模块通过DS18B20数字温度传感器实现现场温度的采集，并将温度数据传输给ARM控制系统模块。ARM控制系统模块将温度传感器送来的数据进行处理，并通过RS232接口电路发送给4G无线数传模块。无线传输模块通过无线方式，将温度数据通过4G网络发送至Internet网络中。上位机利用组态网软件开发监测软件，对温度数据进行实时显示和后台存储，并实现温度超限报警的功能。本设计主要框架：温度检测
模块--ARM控制系统-4G无线数传模块-上位机监测系统。
2、系统硬件设计
2.1温度检测模块设计
系统选用DS18B20进行温度采集，DS18B20由温度传感器、ROM、报警触发器和配置寄存器组成[3]，其采集到的温度能够以数字信号的方式传送给ARM控制系统。DS18B20只有三个引脚：VDD、DQ、GND。VDD引脚为接电源端，GND为接地引脚，DQ引脚与控制芯片相连，进行数据通信，只通过DQ引脚进行数据的读写。由于DS18B20的单总线特性，使得ARM微控制器的一个GPIO接口上可以挂接多个DSl8B20，从而实现多点温度采集。
2.2ARM控制系统
考虑到系统的稳定性和今后大面积使用的性价比，本系统的ARM控制系统选用广州友善之臂公司生产的Mini2440 ARM9系统板，该板采用Samsung S3C2440微处理器，并采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性。Samsung S3C2440A，主频400MHz。本系统选用统宝3.5存真彩LCD触摸屏，分辨率240x320，可以满足系统在现场实时显示温度的要求。该板有3个RS232接口，可以选用其中1个与4G无线数传模块进行通信，传输检测的实时温度数据。
2.34G无线数传模块
系统选用厦门才茂通信公司生产的RS232接口4G DTU无线数传模块CAIMORE DTU（Data Transfer Unit），模块型号CM510-21T。该模块为用户提供高速、永远在线、TCP/UDP透明数据传输的工业级无线传输服务。产品采用高速高性能工业级ARM9嵌入式处理器，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈，为用户提供高速，稳定可靠的无线透明传输功能。数据接口为标准RS232接口，硬件上仅需将ARM控制系统的RS232接口与之相连，并进行接收端IP地址的设置，即可实现温度数据的无线发送。
3、系统软件设计
3.1驱动程序的开发
对于本系统，DS18B20的驱动程序开发最为关键。DS18B20是单总线器件，因此对其的操作时序比较严格，驱动程序能否正常运行，关键在于能否正确地编写复位程序、位写程序、位读程序。对DS18B20进行读写之前要对其进行复位初始化，以检测DS18B20的存在。复位要求ARM微处理器将数据线下拉480～960us，再释放数据线，等待约60us。若ARM微处理器接收到DS18B20发出的存在低电平，则表示复位成功。
3.2驱动程序加载及测试
在系统开发阶段采用动态加载方式，首先为DS18B20创建设备节点及主次设备号，然后加载DS18B20的驱动文件。
执行测试程序，驱动和测试程序可以正常运行，并且能显示当前温度信息。当驱动程序测试成功后，即可将其直接编译进内核中，系统启动后即可进行测温。现场温度可显示在ARM系统的液晶屏上。
3.3ARM与组态网之间的通信协议
下位机的基于ARM的温度监测系统与上位机的基于组态软件的监测软件之间通过RS232串口方式进行通信。由于选用的4G数传模块可以实现无线透明传输功能，所以在根据通信协议进行通信程序的编写时无需考虑网络传输过程中的TCP/IP协议。通信过程中下位机系统的数据传输波特率、数据位、停止位、奇偶校验等数据格式必须与组态软件中的设定保持一致。组态网通过通信协议决定上位机与单片机的通信方法，以数据包的形式进行。在数据包中除字头、字尾外，所有的数据字节均用两个ASCII码表示。数据包的构成结构可参见组态网帮助文件。通信过程主要利用如下4个函数完成：（1）字节拆分函数。（2）串口发送函数。（3）接收准备程序。（4）发送程序。四个程序完成。
4、上位机温度监测软件
现场采集到的温度数据由ARM控制系统通过RS232接口传递给4G数传模块，数传模块通过4G网络向上位机电脑主机的IP地址发送数据。上位机电脑通过Internet网络接收到温度数据后，由基于组态网软件开发的上位机监测软件进行数据显示。本系统所测温度为建筑室内温度，根据《公共建筑节能设计标准》中相关规定，公共建筑室内温度一般应在5摄氏度到20摄氏度范围内。当温度超过这个限度后，监测软件可实施报警。并可生成实时趋势曲线、实时数据报表、历史数据报表。在实际应用中也可根据应用场合的实际需求合理调整报警范围。
5、结论
采用4G数传模块替代传统的GPRS模块进行温度数据的远程传输，可以提高数据传输的实时性，并为今后传输现场视频数据做好基础准备工作。通过系统的实际测试验证，本系统稳定可靠，数据传输实时性好，可以在建筑节能检测领域发挥积极的作用。
参考文献
[1]康守和.从建筑设计及运行管理谈绿色建筑节能关键技术.山西建筑，2015，41（4）：203-204
[2]莫宏波，朱新宁，果敢等.LTE TDD与LTE FDD的关键过程差异分析.电信科学，2010，（2）：74-79
[3]张军.智能温度传感器DS18B20及其应用.仪表技术，2010，（4）：68-70