1、基于 GSM 的温室环境监测系统1 引言温室环境的各项参数是否符合规定要求需进行检测得知，而科技的发展为温室环境的监测自动化、高效化提供了重要条件。GSM 短信息以其覆盖区域广、快捷、高效、准确、费用低廉、受环境影响小等特点逐步应用于工业控制、移动作业环境、远程数据采集和监控中。可随时随地通过 GSM 模块以短消息方式发送和接收现场采集到的数据，具有实时性强、精度高的优点，便于数据信息的集中管理和远程控制。采用 msp430f149 单片机和tc35i 作为核心器件，系统实现了对环境中温度、湿度、光照强度、CO2 浓度等参数的实时监测。并将测得数据定时以 GSM 短消息的方式发送到手机、远程监
2、控中心，也可设置标准环境参数。当环境参数不符合环境要求时向手机发送警报。因此，该系统是一种低成本、体积小、可移动、方便操作的新型环境监测仪。2 系统结构和工作原理该系统主要由两大部分组成：环境数据采集部分和数据监测终端。环境数据采集部分主要由环境数据采集传感器、单片机 msp430f149 和 GSM 无线收发模块等组成。其中环境数据采集传感器包括温湿度传感器、光照传感器、CO2 浓度传感器，主要完成环境信息的采集。msp430f149 是一款超低功耗单片机，能够在 1836V 电压、1 MHz 的时钟下运行，具有 5 种节电模式；具有强大的处理能力和丰富的片内外设，主要控制环境数据采集传感器
3、和 GSM 无线收发模块两者有序工作，它是数据采集系统的核心部分，一方面进行用户鉴权，另一方面将获得的数据转换成 GSM 短信模式，并控制 tc35i 收发模块发送数据。GSM无线收发模块即 tc35i，负责发送和接收短信，它可以向用户监测终端发送检测到的实时环境数据，同时也接收用户监测终端发来的命令短信。数据监测终端可以是手机终端或计算机监控中心。图 1 为系统整体框图，整个电路采用 msp430f149 结合外同电路实现对温湿度、光照强度和 CO2 浓度的数据采集和监控。系统循环监控环境，若出现问题，单机片立即通过 AT 命令 rs232 异步串行接口与 GSM 收发模块进行通信，并利用该
4、模块向手机终端或计算机监控中心发送短信息。监测者可用短信命令设置智能模块，或发送短消息查询命令查询其监控情况，从实现到无线监测。该方式无需拨号，短信收发模块直接把传输的内容和终端号码传送给 SMSC，再由 SMSC 发送给接收终端。如果发送失败，网络保留消息重新发送。3 系统硬件设计31 GSM 收发模块 tc35itc35i 是一款工业级 GSM 模块，集成有射频单元和基带处理器，可工作于 900 MHz 和 1 800 MHz 两个频段，支持数据、语音、短消息和传真功能。tc35i 模块的正常运行需要相应外围电路的配合。tc35i 共有 40 个引脚，通过零阻插座 ZIF (Zero In
5、sertion Force)连接器分别与电源、启动与关机、数据通信、语音通信、SIM 卡、指示灯等电路连接。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。tc35i 上电 1Oms 后(电池电压须大于 3V)，为使之正常工作，必须在引脚 IGT 加时长至少为 100 ms 的低电平信号，且该信号下降沿的时间小于 1 ms。启动后，该引脚信号应保持高电平。tc35i 的数据接口采用串行异步收发，符合ITU2T，rs232 接口电路标准，工作在 CMO 电平(2165 V，数据接口配置为 8 位数据位、1位停止位、无校验位，可以在 300 bs115 Kbs 的波特率下运行。支持的自动波特率为 418
6、115 Kbs。tc35i 模块还支持 RTSOCTSO 的硬件握手和 XonXoff 的软件流控制，串口 rs232 通信采用 max3238 器件实现电平转换。32 数据采集传感器数据采集传感器是整个监测系统的重要组成部分，采集处理环境参数，将环境中的温湿度、光照强度、CO2 浓度信号转化为电信号。系统将采集到的数据存人存储器，系统对采集的数据带有有线传输方式，通过 rs232 对数据现场采集与调试。321 光照强度传感器选用 tsl230b 测量周围环境的光线强度。该器件采用先进的 LinCMOSTM 工艺，由多晶硅光电二极管和单片 CMOS 电流频率集成转换器构成。它无需外接元件即可完
7、成高分辨率的光照度频率转换，把一定光谱的光转换成电流。再由电流频率转换器转换成相应脉冲频率。输出方波或三角波的频率完全由光照幅度决定，分辨率极高，可直接与微控制器相连，如图 2 所示。S0、S1 为灵敏度控制端，实际是通过改变其上方的感光面积来改变灵敏度；S2、S3 为满量程选择端；OUT 为频率信号输出端，进入单片机的捕获输入，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，便可以计算出输出频率值，最后根据 tsl230b 的频率一能量关系曲线图对照得到光线强度。322 温度湿度传感器温度湿度的测量采用 SHT11 型智能化湿度温度传感器，它采用 CMOSens (Ce-mo-Sens)专利技术(CM
8、OS 和传感器技术的融合)，体积小。SHT11 主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、AD 转换器、校准存储器(E2PROM)、随机存取存储器(RAM)、状态寄存器、加热器、低电压检测电路等部分，可给出全校准相对湿度及温度值输出，具有露点值计算输出功能；湿度值输出分辨率为 14 位，温度值输出分辨率为 12 位，并可编程为 12位和 8 位；具有数据传输校验功能。SHT11 是采用 I2C 总线接口的传感器，接口电路非常简单，具有数字式输出，免调试，免标定，一致性好，具有超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，图 2 为其连接电路图。323 CO2 浓度传感器CO2 的监测采用 60
9、04 型 CO2 浓度传感器，该传感器采用红外线吸收散射式 NDIR 技术，灵敏度高，可重复性好，响应时间快，预热时间短，长期使用稳定性能好。红外 CO2 传感器 6004 的测量范围较宽。分别为 02 000 pom,010 000 ppm，050 000 ppm，采用+5 V 供电，平均电源损耗 45 mA，最小电源损耗 15 mA。工作环境为 050C，输出电压是在04 V 变化的直流信号，系统对 6004 的输出信号进行采样后，送到 A/D 转换器处理。AD 转换器采用带有 I2C 总线的 ads1100，它具有分辨率、接口简单、比例放大、功耗低、体积小等优点。ads1100 采用电源
10、电压为基准电压，可按比例进行 MD 转换。同时带有差分输入且具有高达 16 位的分辨率，片内可编程增益放大器(PGA)能提供高达 8 倍的增益，允许对小信号进行测量。该传感器使用寿命长(约 10 年)，对温度和湿度依赖性比较小，可以明显降低温度的漂移所带来的误差。33 存储器模块存储器部分采用 sst25vf040。它以 SuperFlash 技术为基础，适用于外扩存储器，其存储容量为 4 MB，采用 33 V 单电源供电，无需额外高电压，可通过一些特殊的命令字序列实现对各个子模块的读写和擦除。该器件功耗低，工作电流为 7 mA，等待电流为3A；时钟频率高达 33 MHz，可快速编程、擦除、读
11、取，可重复 10 万次以上，采用 8 引脚 SOIC 封装及超薄型 WSON 封装，可减少电路板空间、耗能及成本。提供最新自动地址增值(AAI)资料写入模式，相较于单一字节资料写入模式，该模式将整个闪存的资料写入时间减少 50。对采集的数据通过 SPI 串行通信存储到 sst25vf040，也可通过 SPI 串行通信读取存储器中的数据，从而便于查询、分析、处理采集的数据。存储电路连接如图 3 所示。通过上拉电阻将 CE、SO 引脚的初始状态置为高电平，写保护始终为高电平。相应的输入输出端、时钟信号端和使能端分别和单片机接口相连。34 时钟模块系统采用 ds1302 器件作为时钟电路。该器件低功
12、耗，可通过串行方式与单片机传送数据，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并且具有月末日期、闰年的补偿功能；还有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭时，也能保持时钟的连续运行。ds1302 与单片机系统的数据传送依靠 CE、IO、SCLK 3 根端线即可完成。其工作过程为：首先 CE 引脚驱动至高电平，然后再作用于 SCLK 时钟脉冲，通过 IO 引脚向 ds1302 输入地址命令字节，随后再在 SCLK 时钟脉冲的配合下，从IO 引脚写入或读出相应数据字节。因此，ds1302 与单片机之间的数据传送是十分容易实现的。如图 3 所示。4 系统软件设计系统软件
13、程序采用 C 语言编写。主要分为两大部分：一是对监测数据进行判别、检查和存储，包含采集中断、时钟读取子程序、存储程序、短信收发、串行通信中断等程序组成；二是对采集的数据进行处理、分析。系统除接收正常的测量数据还对采集数据进行判别，监控者也可随时查询所监测的各项参数，短信收发模块对接收到查询指令的用户进行鉴权。如果是非法用户则不处理该指令，同时也可检查各监测数据的时钟和日历设置、各采集终端，分析数字化采集状态的信号装置，并随时校正。定时向检测者发送监测数据，到系统设定时间时，将自动发送最新的监测数据。单片机和 tc35i 模块之间采用 AT 指令通信。tc35i 提供的命令接口符合 GSM 07
14、05和 GSM 0707 规范。GSM0707 中定义的 AT 命令提供一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口，数据终端设备通过标准的 AT 命令与 GSM 网络引擎相互通信、交换数据。对SMS 的控制主要采用 3 种模式：Block、基于 AT 指令的 Text 和基于 AT 指令的 PDU。该监测系统采用 PDU 模式接收和发送短消息。系统软件采用模块化方式设计，主要有主程序和温度湿度、光照强度、CO7 浓度等数据采集子程序，主程序开始后，先初始化单片机、GSM 短信收发模块驱动、AD 转换驱动等，其流程如图 4 所示。5 结束语基于 tc35i 短信收发模块的环境监测系统结构简单，成本低廉，实时性强。采用一种成熟可靠、便捷的数据传输采集方式。进一步开发该系统可实现基于普通手机的远程操作，可逐步替代移动性不强的 PC 机，使远程控制更加便捷。该系统作为一种便捷的数据采集监测装置，具有较好的可移植性，只要加入其他所需的传感系统。则可实现其他数据的传输与采集。
