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【摘 要】提出了基于GPRS的环境温湿度监控系统的设计方案，该系统由一个主机和多个从机组成，其中从机采集温度、湿度数据通过无线模块NRF905传给主机、并能接收主机发送过来的控制命令，使主机对从机进行远程控制；主机接收到从机传来的数据，经由GPRS无线模块将数据传输给用户显示，实现远距离的数据传输。该系统利用软件对无线收发芯片工作状态进行监控，提高了系统的可靠性，实践证明该系统体积小、功耗低、精度较高、数据传输可靠性高、功能易扩展，适于林区、仓库等多种应用领域。
【关键词】GPRS 温湿度监测 无线收发 远程控制
在工农业生产和日常生活中，为保证各项工作在某恒定的温度和湿度范围内安全进行，对温湿度的测量及控制具有极其重要的意义。比如电力、电信设备及各类运输工具组件的过热故障预知监控，化工、机械、温室、大棚等设备温湿度监控等，对这些场合的温湿度监控，如果采用人工方式，不仅耗费大量的人力、物力，而且实时性差，准确度低，特别在一些存在热源的生产基地，在短时间内温湿度可能发生剧烈的变化，无法采用人工进行准确测量和管理，否则可能造成重大事故。本系统采用无线方式可以实现对多点温湿度实时监控，具有可无人值守，节约资源，可靠性高，成本低，工作频率稳定可靠，功耗低，外围器件少，便于扩展节点数等优点。
一、系统总体设计方案
MSP430微控制器MCU（Micro Controller Unit）是TI公司推出的一款具有片上外围的超低功耗16位FLASH型混合信号处理器。该系统与传统的温湿度控制器相比，选择了MSP430微控制器，它充分运用各种低功耗设计手段，使芯片的电流极小，在超低功耗时可达0.1μA。整个系统在平时处于低功耗状态，每隔1 min自动从低功耗下唤醒，进行温度和湿度测量，数据发送。
本系统由监控主机和数据采集终端（从机）共同组成，结构框图如图 1 所示。监控主机由主控制器MSP430F149、无线通信模块NRF905、温湿度显示模块12864、数据存储模块EEPROM及输入输出设备构成，实现对各监控点数据的集中显示，并根据所设阈值判断监控点温湿度是否超限，超限则向数据采集终端（从机）发出控制信号，命令数据采集终端控制现场温湿控制装置，使得温湿度重新进入阈值范围之内，同时通过GPRS网络将报警信息发送给用户。
二、系统硬件设计
（一）温度传感器模块
该系统使用的温度传感器利用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20可编程单线数字式温度传感器，具有以下特点（1）单线接口，只有一根线与CPU连接，支持总线模式，通过一个IPO口，可以进行多点温度测量。（2）用户可以根据需要自己设定非易失的报警上下限值以及分辨率。（3）每一个数字温度传感器内均有唯一的64位地址序列号（最低8位是产品代码，其后48位是器件序列号，最后8位是前56位循环冗余校验码），用戶可以对特定地址序列号的传感器进行操作，在多传感器系统中将它们一一识别，实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（二）湿度传感器
HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。它需要接入555震荡电路，才能实现湿度测量的功能。随着环境湿度的改变，HS1101的电容值也会发生变化，从而555振荡电路输出的矩形波频率也会发生变化。通过单片机测出矩形波的频率，利用算式R=H（f）（R表示湿度值，f表示矩形波的频率），即可精确地测出当前湿度值。具体电路如图2所示。
（三）NRF905无线模块
NRF905是工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道的单片射频收发器，它由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。
（四）GPRS无线模块
GPRS无线模块采用华为公司的SIM900模块，SIM900是一款三频段GSM/GPRS模块，能够提供GPRS多信道类型多达10个。该模块内部还集成了TCP/IP协议，并且扩展了TCP/IPAT指令，便于用户开发数据传输设备。系统采用ZIP40连接器外接SIM卡，单片机通过串口发送AT指令与SIM900进行通信，实现连接网络、数据发送等功能。
三、系统软件设计
系统软件采用模块化设计，整个数据采集终端（从机）软件部分包括初始化程序、DS18B20采集程序、HS1101湿度传感器采集程序NRF905无线收发程序等若干部分。
监控主机软件部分包括初始化程序、串口程序、网络连接命令收发程序、NRF905无线收发程序、12864显示程序等若干部分。总体程序流程图如图3所示。
监控主机的程序采用事件触发结构，全部应用程序在中断中执行，所用处理与响应都在前台中断中执行。程序只有在有时间发生的时候才响应或处理，没有任何额外的CPU时间被浪费于等待、扫描、查询等过程，极大的发挥了MSP430单片机低功耗的性能。
MSP430单片机通过RS-232串口以AT指令形式与SIM900无线模块进行通信，若单片机发送指令正确，则SIM900模块将返回/OK0，错误则返回/ERROR0或者其他格式的指令，单片机通过判断无线模块返回的指令来决定下一步执行的程序，直到成功连接GPRS网络。网络连接程序流程图如图3所示。本系统采用TCP点对点连接方式进行GPRS连接。
本系统主要针对没有网络环境的监测中心，硬件接入简单。通过对软件的修改也可满足不同GPRS接入方式的应用，扩展性能较好，利用MSP430超低功耗的性能及软件设计，能够广泛应用于各种温湿度监测环境。
参考文献：
[1]顾简，施云波.基于GPRS的环境温温度监测系统设计[J].电子设计工程.2011，28（3）：35-37
[2]冯达，张震坤.实验室环境温湿度无线监测系统设计[J].实验室研究与探索.2012，10（2）：13-14
[3]王树刚，夏明娜.基于NRF905无线收发模块的温湿度监控系统设计[J].硅谷.2013，25（7）：42-45
作者简介：
高琴（1982-）， 女， 硕士， 讲师， 主要从事检测技术与自动化装置的应用研究。
【关键词】GPRS 温湿度监测 无线收发 远程控制
在工农业生产和日常生活中，为保证各项工作在某恒定的温度和湿度范围内安全进行，对温湿度的测量及控制具有极其重要的意义。比如电力、电信设备及各类运输工具组件的过热故障预知监控，化工、机械、温室、大棚等设备温湿度监控等，对这些场合的温湿度监控，如果采用人工方式，不仅耗费大量的人力、物力，而且实时性差，准确度低，特别在一些存在热源的生产基地，在短时间内温湿度可能发生剧烈的变化，无法采用人工进行准确测量和管理，否则可能造成重大事故。本系统采用无线方式可以实现对多点温湿度实时监控，具有可无人值守，节约资源，可靠性高，成本低，工作频率稳定可靠，功耗低，外围器件少，便于扩展节点数等优点。
一、系统总体设计方案
MSP430微控制器MCU（Micro Controller Unit）是TI公司推出的一款具有片上外围的超低功耗16位FLASH型混合信号处理器。该系统与传统的温湿度控制器相比，选择了MSP430微控制器，它充分运用各种低功耗设计手段，使芯片的电流极小，在超低功耗时可达0.1μA。整个系统在平时处于低功耗状态，每隔1 min自动从低功耗下唤醒，进行温度和湿度测量，数据发送。
本系统由监控主机和数据采集终端（从机）共同组成，结构框图如图 1 所示。监控主机由主控制器MSP430F149、无线通信模块NRF905、温湿度显示模块12864、数据存储模块EEPROM及输入输出设备构成，实现对各监控点数据的集中显示，并根据所设阈值判断监控点温湿度是否超限，超限则向数据采集终端（从机）发出控制信号，命令数据采集终端控制现场温湿控制装置，使得温湿度重新进入阈值范围之内，同时通过GPRS网络将报警信息发送给用户。
二、系统硬件设计
（一）温度传感器模块
该系统使用的温度传感器利用了美国DALLAS公司最新推出的DS18B20可编程单线数字式温度传感器，具有以下特点（1）单线接口，只有一根线与CPU连接，支持总线模式，通过一个IPO口，可以进行多点温度测量。（2）用户可以根据需要自己设定非易失的报警上下限值以及分辨率。（3）每一个数字温度传感器内均有唯一的64位地址序列号（最低8位是产品代码，其后48位是器件序列号，最后8位是前56位循环冗余校验码），用戶可以对特定地址序列号的传感器进行操作，在多传感器系统中将它们一一识别，实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（二）湿度传感器
HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。它需要接入555震荡电路，才能实现湿度测量的功能。随着环境湿度的改变，HS1101的电容值也会发生变化，从而555振荡电路输出的矩形波频率也会发生变化。通过单片机测出矩形波的频率，利用算式R=H（f）（R表示湿度值，f表示矩形波的频率），即可精确地测出当前湿度值。具体电路如图2所示。
（三）NRF905无线模块
NRF905是工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道的单片射频收发器，它由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。
（四）GPRS无线模块
GPRS无线模块采用华为公司的SIM900模块，SIM900是一款三频段GSM/GPRS模块，能够提供GPRS多信道类型多达10个。该模块内部还集成了TCP/IP协议，并且扩展了TCP/IPAT指令，便于用户开发数据传输设备。系统采用ZIP40连接器外接SIM卡，单片机通过串口发送AT指令与SIM900进行通信，实现连接网络、数据发送等功能。
三、系统软件设计
系统软件采用模块化设计，整个数据采集终端（从机）软件部分包括初始化程序、DS18B20采集程序、HS1101湿度传感器采集程序NRF905无线收发程序等若干部分。
监控主机软件部分包括初始化程序、串口程序、网络连接命令收发程序、NRF905无线收发程序、12864显示程序等若干部分。总体程序流程图如图3所示。
监控主机的程序采用事件触发结构，全部应用程序在中断中执行，所用处理与响应都在前台中断中执行。程序只有在有时间发生的时候才响应或处理，没有任何额外的CPU时间被浪费于等待、扫描、查询等过程，极大的发挥了MSP430单片机低功耗的性能。
MSP430单片机通过RS-232串口以AT指令形式与SIM900无线模块进行通信，若单片机发送指令正确，则SIM900模块将返回/OK0，错误则返回/ERROR0或者其他格式的指令，单片机通过判断无线模块返回的指令来决定下一步执行的程序，直到成功连接GPRS网络。网络连接程序流程图如图3所示。本系统采用TCP点对点连接方式进行GPRS连接。
本系统主要针对没有网络环境的监测中心，硬件接入简单。通过对软件的修改也可满足不同GPRS接入方式的应用，扩展性能较好，利用MSP430超低功耗的性能及软件设计，能够广泛应用于各种温湿度监测环境。
参考文献：
[1]顾简，施云波.基于GPRS的环境温温度监测系统设计[J].电子设计工程.2011，28（3）：35-37
[2]冯达，张震坤.实验室环境温湿度无线监测系统设计[J].实验室研究与探索.2012，10（2）：13-14
[3]王树刚，夏明娜.基于NRF905无线收发模块的温湿度监控系统设计[J].硅谷.2013，25（7）：42-45
作者简介：
高琴（1982-）， 女， 硕士， 讲师， 主要从事检测技术与自动化装置的应用研究。