摘要：介紹一種以C8051F020單片機(jī)為微控制器的環(huán)境參數(shù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。包括其硬件結(jié)構(gòu)及軟件流程的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過微控制器控制無線模塊PTR8000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，從而完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)；并可以通過由TC35i構(gòu)成的GSM M0DEM實(shí)現(xiàn)GSM短消息的報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功耗低，適用于對(duì)野外或其他不便于鋪設(shè)線纜的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：TC35i；GSM；PTR8000；C8051F020；無線數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程監(jiān)測

    在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于采集數(shù)據(jù)的傳輸大多采用有線方式，因?yàn)橛芯€方式的傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速率以及抗干擾能力都要優(yōu)于無線方式；然而對(duì)于在野外或者不便于鋪設(shè)線纜的地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸時(shí)，采用有線方式就受到了限制。針對(duì)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用無線傳輸方式的無線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)選用Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)作為微控制器，集數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、無線傳輸為一體，并實(shí)現(xiàn)通過GSM短消息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和報(bào)警的功能。整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，從機(jī)將從傳感器上采集的數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)單元發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)收到數(shù)據(jù)后，將其在顯示單元顯示并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器理。除此之外，主機(jī)模塊還含有GSM短消息單元，通過該單元可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)與GSM網(wǎng)內(nèi)手機(jī)的短消息通信。GSM網(wǎng)手機(jī)用戶可以通過短消息提出查詢請(qǐng)求，主機(jī)收到短消息的請(qǐng)求后進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終以短消息的形式回復(fù)該查詢請(qǐng)求。另外，主機(jī)可以事先設(shè)定所采集數(shù)據(jù)的臨界值，當(dāng)達(dá)到該值時(shí)主機(jī)會(huì)向事先設(shè)定好的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送報(bào)警短消息，從而達(dá)到報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。
1．2 系統(tǒng)主要芯片的選擇
    系統(tǒng)的主控芯片采用Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)，該單片機(jī)采用高速8051微控制器內(nèi)核，速度可達(dá)25 MIPS，具有8個(gè)I／O口，5個(gè)通用定時(shí)器，5個(gè)捕捉／比較模塊及專用看門狗定時(shí)器，可同時(shí)使用SM—Bus，SPI及2個(gè)UART串口，內(nèi)置64 KB高速存儲(chǔ)器。模擬外設(shè)方面，芯片具有1個(gè)12位ADC，1個(gè)8位ADC，2個(gè)12位DAC及2個(gè)模擬比較器。芯片內(nèi)部的這些數(shù)字和模擬外設(shè)將使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡單，集成度更高。
    無線收發(fā)單元采用PTR8000無線收發(fā)模塊。PTR8000是高性能嵌入式無線收發(fā)模塊，它的核心芯片是挪威Nordic VLSI ASA公司的nRF905。具有可選頻道多，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，其特性如下：433／868／915 MHz多頻道多頻段，1．9～3．6 V低電壓工作，待機(jī)功耗2μA；超小體積，內(nèi)置環(huán)形天線，性能穩(wěn)定，對(duì)電源不敏感，傳輸距離更遠(yuǎn)；最大發(fā)射功率+10 dBm，高抗干擾GFSK調(diào)制?？商l通信，數(shù)據(jù)速率可達(dá)50 Kb／s；有獨(dú)特的載波檢測、地址匹配、數(shù)據(jù)就緒等輸出；內(nèi)置完整的通信協(xié)議和CRC，通過SPI接口可以方便地完成所有的無線收發(fā)傳輸，使用簡單。
    GSM短消息單元，采用SIEMENS公司的GSM無線通信模塊TC35i，為其搭建外圍電路，構(gòu)成一個(gè)GSM MODEM，微控制器通過串口與其進(jìn)行通信，控制其工作。GSM MODEM模塊電路簡圖如圖2所示。

    系統(tǒng)采用128×64點(diǎn)陣液晶顯示模塊作為顯示單元，鍵盤采用4×4鍵盤，顯示模塊支持漢字顯示，可以更好進(jìn)行人機(jī)交換，使用者可以更容易、直觀地和系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。
    存儲(chǔ)器部分，因?yàn)橄到y(tǒng)選用的C8051F020微控制器內(nèi)置64 KB高速存儲(chǔ)器，對(duì)于一般數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)已經(jīng)足夠。但是，考慮到特殊情況，系統(tǒng)還是設(shè)計(jì)了外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器。外部存儲(chǔ)器采用Ramtton公司的一款低電壓鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M24C512。其工作電壓為2．7～3．6 V，適合在低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。由于采用了鐵電體技術(shù)，該芯片的數(shù)據(jù)交換速度極高，數(shù)據(jù)線可以支持的頻率最高達(dá)到1 MHz，因此微控制器向FM24C512寫入數(shù)據(jù)時(shí)一般無須加延時(shí)，并且使用壽命沒有限制。系統(tǒng)主機(jī)電路簡圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)工作流程
    系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)。主機(jī)只有一個(gè)，從機(jī)數(shù)量可以為一個(gè)，也可為多個(gè)。在整個(gè)系統(tǒng)中，無論主機(jī)還是從機(jī)都有惟一地址表明其各自的身份。系統(tǒng)上電后，根據(jù)事先設(shè)定的時(shí)間，不同的從機(jī)會(huì)按時(shí)向主機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)(發(fā)送時(shí)間間隔根據(jù)不同的應(yīng)用場合可以事先設(shè)定)。主機(jī)收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)及其所屬地址實(shí)時(shí)的顯示在液晶顯示模塊上，并將其存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器里。
    在系統(tǒng)無人值守狀態(tài)，可以事先通過鍵盤和液晶顯示模塊等設(shè)備對(duì)主機(jī)其進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定報(bào)警閾值、報(bào)警人的手機(jī)號(hào)碼等信息。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)到達(dá)或超過閾值時(shí)，主機(jī)會(huì)通過GSM模塊向預(yù)先設(shè)定的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送報(bào)警信息，并在液晶顯示模塊上顯示報(bào)警標(biāo)識(shí)。除此之外，任何GSM網(wǎng)手機(jī)用戶都可以通過短消息的形式向GSM模塊提出數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求，GSM模塊收到請(qǐng)求后將其送給微處理器進(jìn)行處理，最終將所查詢的數(shù)據(jù)以短消息的形式回復(fù)給查詢者，從而達(dá)到在無人值守情況下的遠(yuǎn)程監(jiān)測和報(bào)警的目的。
2．2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)上述系統(tǒng)工作流程，系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上主要分為數(shù)據(jù)的無線傳輸、存儲(chǔ)和GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及報(bào)警兩部分。其中，數(shù)據(jù)的無線傳輸、存儲(chǔ)涉及主機(jī)和從機(jī)，而GSM短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)測及報(bào)警只涉及到主機(jī)。
    考慮到野外應(yīng)用，系統(tǒng)可能長期使用而很少有機(jī)會(huì)維護(hù)，從而對(duì)系統(tǒng)在傳輸可靠性和功耗上提出了較高的要求。所以，在數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)上，采用定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，不同從機(jī)按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送完畢并收到主機(jī)的回復(fù)信息后，從機(jī)進(jìn)入待機(jī)模式。這樣就保證了從機(jī)工作的大部分時(shí)間處于待機(jī)模式，有效地節(jié)約了電能。數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫?，系統(tǒng)采用了主從響應(yīng)式傳輸機(jī)制，主機(jī)收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)和校驗(yàn)，然后向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)正確或錯(cuò)誤的回復(fù)信息，如果從機(jī)收到了數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的回復(fù)信息或沒有收到回復(fù)信息，從機(jī)將重新發(fā)送上一次的數(shù)據(jù)直到收到正確的回復(fù)。
    遠(yuǎn)程監(jiān)測及報(bào)警的設(shè)計(jì)，由TC35i及其外圍電路構(gòu)成的GSM模塊通過單片機(jī)串口中斷提出處理要求，當(dāng)GSM模塊收到短消息后會(huì)馬上觸發(fā)串口中斷提出請(qǐng)求，單片機(jī)會(huì)在中斷服務(wù)程序里對(duì)其進(jìn)行處理。當(dāng)需要發(fā)送報(bào)警信息時(shí)，單片機(jī)通過串口和GSM模塊進(jìn)行通信并最終完成報(bào)警短消息的發(fā)送。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

3 結(jié) 語
    隨著工農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，以及新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，無線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)正在進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的階段。該系統(tǒng)為無線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)測的通信系統(tǒng)提供了一個(gè)新穎實(shí)用的解決方案。系統(tǒng)能夠監(jiān)測實(shí)時(shí)參數(shù)，當(dāng)某一項(xiàng)或多項(xiàng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，處理器調(diào)用報(bào)警程序通過GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息。通過使無線收發(fā)模塊處于待機(jī)狀態(tài)，有效地降低了模塊的功耗。由于該系統(tǒng)采用了短距離無線通信技術(shù)，而無須關(guān)心數(shù)據(jù)是如何具體傳送的，因此，很多基于有線通訊的類似系統(tǒng)很容易就被該系統(tǒng)所替代。該模塊單元有較強(qiáng)的可移植能力，通過更換測量單元傳感器的類型，可以應(yīng)用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、海洋石油、無線抄表、智能小區(qū)、安防、智能家電等領(lǐng)域。