基于GPRS的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江蘇科技信息June2010基于GPRS的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者簡(jiǎn)介：徐培葉，天津天地偉業(yè)科技有限公司總工程師，工商管理碩士；主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。注：本文受到“天津建設(shè)科技計(jì)劃（2007-29）”資助。摘要：根據(jù)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)的要求，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS通信技術(shù)的無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)下位機(jī)以單片機(jī)作為核心控制器件，采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行多點(diǎn)溫度采集，采用GPRS數(shù)傳模塊將溫度數(shù)據(jù)經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)采用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)所采集溫度的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警等功能。關(guān)鍵詞：GPRS；溫度監(jiān)測(cè)；組態(tài)軟件；數(shù)字溫度傳感器■徐培葉近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和Internet接入技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，測(cè)量數(shù)據(jù)的傳送可以擺脫有線線纜的束縛，而采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳送[1,2]。在工業(yè)、能源和建筑等各個(gè)領(lǐng)域中，溫度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)裝置是很多場(chǎng)合需要用到的設(shè)備。通常要求對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，以便及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的情況并進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理。本文根據(jù)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)的需要，采用單片機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集，利用GPRS通信技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳送；在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心采用組態(tài)王軟件進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)，并通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)采集并經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)。最終在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)功能。1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體上由上位機(jī)、下位機(jī)以及GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)三大部分組成。下位機(jī)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)的溫度采集和上傳，上位機(jī)利用監(jiān)測(cè)軟件對(duì)下位機(jī)經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)在監(jiān)控主機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和后臺(tái)保存。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。系統(tǒng)的下位機(jī)主要由單片機(jī)和數(shù)字溫度傳感器構(gòu)成。單片機(jī)接收多個(gè)數(shù)字溫度傳感器采集到的溫度值，并根據(jù)組態(tài)王與單片機(jī)之間的通訊協(xié)議，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)RS232串口發(fā)送至GPRS模塊；上位機(jī)采用亞控科技公司出品的組態(tài)王6.53進(jìn)行監(jiān)控軟件的開(kāi)發(fā)，監(jiān)控軟件通過(guò)與監(jiān)控主機(jī)相連的Internet網(wǎng)絡(luò)接收經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)，在監(jiān)控軟件上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，并同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EXCEL文檔中，以便后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。2.基于單片機(jī)的下位機(jī)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)下位機(jī)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字溫度傳感器DS18B20的操作、數(shù)據(jù)處理以及與GPRS模塊的通信。下位機(jī)與上位機(jī)的通信要按照組態(tài)王所規(guī)定的通用單片機(jī)通信協(xié)議（ASCII）進(jìn)行。（1）數(shù)字溫度傳感器DS18B20。圖1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理新技術(shù)探討39江蘇科技信息June2010本系統(tǒng)采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度。DS18B20是MAXIM公司生產(chǎn)的“一線式”數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃。DS18B20的測(cè)量溫度采用符號(hào)擴(kuò)展的16位二進(jìn)制數(shù)字量方式串行輸出。由于DS18B20采用一線制測(cè)溫方式，所以多個(gè)DS18B20可以采用并聯(lián)數(shù)據(jù)輸出引腳的方式，與單片機(jī)的一個(gè)I/O端口相連，實(shí)現(xiàn)溫度的一線制采集。采用此種方式，單片機(jī)就可以利用一個(gè)I/O端口采集多個(gè)DS18B20的溫度測(cè)量值，節(jié)省了單片機(jī)引腳資源，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路。在本系統(tǒng)中，8個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器的數(shù)據(jù)引腳DQ并聯(lián)后與AT89S52單片機(jī)的P3.3引腳相連接。單片機(jī)對(duì)DS18B20的每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通訊協(xié)議，對(duì)其訪問(wèn)過(guò)程是：首先對(duì)DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)操作。例如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度值這一過(guò)程，步驟為：先進(jìn)行初始化操作，再發(fā)送44H指令啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，延時(shí)一段時(shí)間后，再次初始化操作，發(fā)送BEH指令進(jìn)行讀取溫度值，然后將所得溫度值存儲(chǔ)于單片機(jī)中。（2）電源穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用8個(gè)DS18B20同時(shí)測(cè)溫，因此設(shè)計(jì)采用三端穩(wěn)壓集成電路L7805CV來(lái)驅(qū)動(dòng)8個(gè)DS18B20溫度傳感器。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。VCC為外接8～12V的電池電源，經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓集成電路L7805CV的作用，為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V電壓。（3）單片機(jī)與組態(tài)王的通信協(xié)議。組態(tài)王與單片機(jī)之間采用RS232串口進(jìn)行通信，這需要遵循組態(tài)王軟件所規(guī)定的串口通信協(xié)議（ASCII）。由于本系統(tǒng)工作在溫度監(jiān)測(cè)模式，系統(tǒng)的具體串口通信方式為上位機(jī)的組態(tài)王讀下位機(jī)單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)模式，因此，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信由組態(tài)王發(fā)起讀命令，采用問(wèn)答的方式進(jìn)行。首先由上位機(jī)組態(tài)王發(fā)出讀命令，命令中包含了數(shù)據(jù)頭、機(jī)器地址、標(biāo)志位、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)以及結(jié)束位等信息；然后下位機(jī)的單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)的讀命令啟動(dòng)測(cè)溫，并將對(duì)應(yīng)溫度傳感器的溫度值按照通信協(xié)議的要求打包發(fā)送至上位機(jī)。組態(tài)王接收到下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析，并根據(jù)數(shù)據(jù)包中的寄存器地址將溫度值傳遞給組態(tài)王中此溫度傳感器所對(duì)應(yīng)的I/O變量，進(jìn)而在溫度顯示窗口中進(jìn)行此傳感器的溫度顯示。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送讀命令時(shí)，如讀15號(hào)儀表，數(shù)據(jù)地址為15的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)為100，數(shù)據(jù)類(lèi)型為字節(jié)，不打包，則組態(tài)王所發(fā)數(shù)據(jù)如圖3：如果單片機(jī)正確接收了組態(tài)王通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則單片機(jī)應(yīng)答如圖4。4.上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心的設(shè)計(jì)中，采用亞控科技公司的組態(tài)王軟件6.53進(jìn)行監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用戶(hù)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)入登陸畫(huà)面，需根據(jù)登陸提示，選擇用戶(hù)名正確填寫(xiě)用戶(hù)密碼。確認(rèn)用戶(hù)身份權(quán)限后，可進(jìn)入系統(tǒng)的主監(jiān)測(cè)界面，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)報(bào)表管理、報(bào)警管理等功能。系統(tǒng)主監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。（1）系統(tǒng)管理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)考慮到用戶(hù)的多樣性，賦予不同用戶(hù)間不同的權(quán)限。只有當(dāng)該用戶(hù)的權(quán)限滿足本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定權(quán)限值，才能進(jìn)入主界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所提供的功能。該權(quán)限限制的方法有效區(qū)分了使用系統(tǒng)的用戶(hù)，防止非操作人員的隨意登陸操作。有權(quán)用戶(hù)可在用戶(hù)管理下拉菜單中實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登陸、用戶(hù)更改、修改口令、用戶(hù)注銷(xiāo)和退出系統(tǒng)等基本功能（見(jiàn)圖6）。（2）數(shù)據(jù)報(bào)表模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)報(bào)表模塊中，監(jiān)控畫(huà)面中顯示實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)并在歷史數(shù)據(jù)報(bào)表窗口中顯示歷史溫度數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表在啟動(dòng)測(cè)溫后，根據(jù)采集頻率對(duì)下位機(jī)所采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示。而歷史數(shù)據(jù)報(bào)表通過(guò)系統(tǒng)中的命令語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)歷史溫度數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)顯示。用戶(hù)監(jiān)控實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)的同時(shí)，若有需求查閱歷史數(shù)據(jù)，可在歷史數(shù)據(jù)報(bào)表中方便實(shí)現(xiàn)。并且歷史溫度數(shù)據(jù)報(bào)表中的內(nèi)容會(huì)存儲(chǔ)到監(jiān)控主機(jī)中的EXCEL文檔中，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和圖2電源穩(wěn)壓驅(qū)動(dòng)電路403046433030303046303137320d字頭設(shè)備地址15標(biāo)志讀操作字節(jié)型不打包數(shù)據(jù)地址15數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)1異或4030463031363437350d字頭設(shè)備地址15數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)1數(shù)據(jù)100異或圖3組表王應(yīng)答圖4單片機(jī)應(yīng)答新技術(shù)探討40江蘇科技信息June2010打印等功能。數(shù)據(jù)報(bào)表模塊中使用的函數(shù)主要有ReportLoad(函數(shù)和Report－SaveAs(函數(shù)。ReportLoad(函數(shù)為報(bào)表專(zhuān)用函數(shù)。將指定路徑下的報(bào)表讀到當(dāng)前報(bào)表中來(lái)，使用格式如下：ReportLoad(Report－Name，F(xiàn)ileNameReportSaveAs(函數(shù)為報(bào)表專(zhuān)用函數(shù)。將指定報(bào)表按照所給的文件名存儲(chǔ)到指定目錄下，ReportSaveAs支持將報(bào)表文件保存為rtl、xls、csv格式。保存的格式取決于所保存的文件的后綴名。（3）溫度監(jiān)測(cè)曲線模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。溫度監(jiān)測(cè)曲線模塊將溫度值以繪制曲線圖的方式清晰的顯示，各個(gè)采集點(diǎn)的溫度信息結(jié)合報(bào)警燈、特定變量名、游標(biāo)等多種元素。每個(gè)曲線對(duì)應(yīng)其特定變量名與報(bào)警燈，且有不同的顏色，使得每個(gè)曲線在視覺(jué)上直觀區(qū)分。曲線坐標(biāo)中橫坐標(biāo)顯示多個(gè)時(shí)間間隔，有效顯示當(dāng)前及前幾個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)，方便用戶(hù)對(duì)比。游標(biāo)通過(guò)命令語(yǔ)句在實(shí)際測(cè)溫中隨著溫度曲線的變化而上下浮動(dòng)，在曲線上清晰顯示當(dāng)前每一采集點(diǎn)所設(shè)定限值，方便用戶(hù)查看。4.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸本系統(tǒng)選用廈門(mén)才茂通信科技有限公司開(kāi)發(fā)的CAIMOREDTUCM3150P作為GPRS數(shù)傳模塊。此模塊采用ARM9高性能工業(yè)級(jí)嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，超大內(nèi)存，內(nèi)嵌自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。可以為用戶(hù)提供高速、穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線、多種協(xié)議轉(zhuǎn)換的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。由于內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，此DTU支持?jǐn)?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議問(wèn)題。在使用GPRS數(shù)傳模塊之前，需要用配置軟件對(duì)數(shù)傳模塊進(jìn)行配置，主要信息包括：SIM卡號(hào)、數(shù)據(jù)中心IP地址、數(shù)據(jù)中心端口號(hào)、串口號(hào)、串口通信的波特率等。對(duì)于上位機(jī)部分，需要在組態(tài)軟件中針對(duì)GPRS通信在設(shè)備配置向?qū)е性O(shè)置生產(chǎn)廠家：?jiǎn)纹瑱C(jī)；設(shè)備名稱(chēng)：通用單片機(jī)ASCII；通信描述：串口。在選擇串口頁(yè)面要勾選“使用虛擬串口（GPRS設(shè)備）”。GPRS設(shè)備選擇：桑榮；配置DTU設(shè)備標(biāo)識(shí)信息填入SIM卡卡號(hào)。5.結(jié)論本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為下位機(jī)的主控制器，使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，利用了DS18B20的一線制特性，僅占用單片機(jī)的一個(gè)I/O端口就實(shí)現(xiàn)了八點(diǎn)測(cè)溫。通過(guò)GPRS無(wú)線通信技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)距離的監(jiān)控中心的上位機(jī)，并通過(guò)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。通過(guò)實(shí)際環(huán)境測(cè)試，系統(tǒng)可以正確、可靠地遠(yuǎn)程傳輸溫度數(shù)據(jù)，可廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能檢測(cè)、工業(yè)溫度監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)[1]張寧，張躍．遠(yuǎn)程醫(yī)用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析終端的研制[J]．自動(dòng)化與儀表，2010(2：5-8.[2]畢衛(wèi)紅，陳鑫．基于GSM的智能溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．電子測(cè)量技術(shù)，2009，34(3：114-116.[3]李玲，李國(guó)慶，王振浩，等．基于GSM的變壓器鐵心絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(1：22-25.[4]葉丹，齊國(guó)生，洪強(qiáng)寧，等．基于單片機(jī)的自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感器技術(shù)，2002，2l(3：27-30.[5]李毅，余少輝，周步洲．基于DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)