一种无线数据采集及远程监测系统的设计

摘要：介绍一种以C8051F020单片机为微控制器的环境参数采集及远程监测系统。包括其硬件结构及软件流程的设计。系统通过微控制器控制无线模块PTR8000实现数据的无线收发，从而完成数据的采集、存储；并可以通过由TC35i构成的GSM M0DEM实现GSM短消息的报警和远程监测。系统结构简单，成本低，功耗低，适用于对野外或其他不便于铺设线缆的地区进行数据采集及远程监测。
关键词：TC35i；GSM；PTR8000；C8051F020；无线数据采集；远程监测

    在工农业生产中，对于采集数据的传输大多采用有线方式，因为有线方式的传输距离、数据传输速率以及抗干扰能力都要优于无线方式；然而对于在野外或者不便于铺设线缆的地区进行数据采集传输时，采用有线方式就受到了限制。针对这一特点，设计了采用无线传输方式的无线数据采集及远程监测系统。系统选用Cygnal公司的C8051F020单片机作为微控制器，集数据采集、存储、无线传输为一体，并实现通过GSM短消息进行远程监测和报警的功能。整体结构框图如图1所示。

1 系统总体结构及硬件设计
1．1 系统结构
    如图1所示，系统分为主机和从机两部分，从机将从传感器上采集的数据通过无线收发单元发送给主机，主机收到数据后，将其在显示单元显示并存储到存储器理。除此之外，主机模块还含有GSM短消息单元，通过该单元可以实现主机与GSM网内手机的短消息通信。GSM网手机用户可以通过短消息提出查询请求，主机收到短消息的请求后进行相应的处理，最终以短消息的形式回复该查询请求。另外，主机可以事先设定所采集数据的临界值，当达到该值时主机会向事先设定好的手机号码发送报警短消息，从而达到报警和远程监测的目的。
1．2 系统主要芯片的选择
    系统的主控芯片采用Cygnal公司的C8051F020单片机，该单片机采用高速8051微控制器内核，速度可达25 MIPS，具有8个I／O口，5个通用定时器，5个捕捉／比较模块及专用看门狗定时器，可同时使用SM—Bus，SPI及2个UART串口，内置64 KB高速存储器。模拟外设方面，芯片具有1个12位ADC，1个8位ADC，2个12位DAC及2个模拟比较器。芯片内部的这些数字和模拟外设将使系统的设计更加简单，集成度更高。
    无线收发单元采用PTR8000无线收发模块。PTR8000是高性能嵌入式无线收发模块，它的核心芯片是挪威Nordic VLSI ASA公司的nRF905。具有可选频道多，功耗低，抗干扰能力强的优点，其特性如下：433／868／915 MHz多频道多频段，1．9～3．6 V低电压工作，待机功耗2μA；超小体积，内置环形天线，性能稳定，对电源不敏感，传输距离更远；最大发射功率+10 dBm，高抗干扰GFSK调制。可跳频通信，数据速率可达50 Kb／s；有独特的载波检测、地址匹配、数据就绪等输出；内置完整的通信协议和CRC，通过SPI接口可以方便地完成所有的无线收发传输，使用简单。
    GSM短消息单元，采用SIEMENS公司的GSM无线通信模块TC35i，为其搭建外围电路，构成一个GSM MODEM，微控制器通过串口与其进行通信，控制其工作。GSM MODEM模块电路简图如图2所示。

    系统采用128×64点阵液晶显示模块作为显示单元，键盘采用4×4键盘，显示模块支持汉字显示，可以更好进行人机交换，使用者可以更容易、直观地和系统进行信息交互。
    存储器部分，因为系统选用的C8051F020微控制器内置64 KB高速存储器，对于一般数据量的存储已经足够。但是，考虑到特殊情况，系统还是设计了外部扩展存储器。外部存储器采用Ramtton公司的一款低电压铁电存储芯片FM24C512。其工作电压为2．7～3．6 V，适合在低功耗的单片机系统中应用。由于采用了铁电体技术，该芯片的数据交换速度极高，数据线可以支持的频率最高达到1 MHz，因此微控制器向FM24C512写入数据时一般无须加延时，并且使用寿命没有限制。系统主机电路简图如图2所示。
2 系统软件设计
2．1 系统工作流程
    系统分为主机和从机。主机只有一个，从机数量可以为一个，也可为多个。在整个系统中，无论主机还是从机都有惟一地址表明其各自的身份。系统上电后，根据事先设定的时间，不同的从机会按时向主机发送采集的数据(发送时间间隔根据不同的应用场合可以事先设定)。主机收到数据后，将数据及其所属地址实时的显示在液晶显示模块上，并将其存储到存储器里。
    在系统无人值守状态，可以事先通过键盘和液晶显示模块等设备对主机其进行设置，设定报警阈值、报警人的手机号码等信息。当采集到的数据到达或超过阈值时，主机会通过GSM模块向预先设定的手机号码发送报警信息，并在液晶显示模块上显示报警标识。除此之外，任何GSM网手机用户都可以通过短消息的形式向GSM模块提出数据查询请求，GSM模块收到请求后将其送给微处理器进行处理，最终将所查询的数据以短消息的形式回复给查询者，从而达到在无人值守情况下的远程监测和报警的目的。
2．2 系统的软件设计
    根据上述系统工作流程，系统在软件设计上主要分为数据的无线传输、存储和GSM短消息的远程监测及报警两部分。其中，数据的无线传输、存储涉及主机和从机，而GSM短消息的远程监测及报警只涉及到主机。
    考虑到野外应用，系统可能长期使用而很少有机会维护，从而对系统在传输可靠性和功耗上提出了较高的要求。所以，在数据无线传输的软件设计上，采用定时发送数据的方法，不同从机按照事先设定的时间间隔进行数据的发送，发送完毕并收到主机的回复信息后，从机进入待机模式。这样就保证了从机工作的大部分时间处于待机模式，有效地节约了电能。数据传输的可靠性方面，系统采用了主从响应式传输机制，主机收到数据后进行数据和校验，然后向从机发送数据正确或错误的回复信息，如果从机收到了数据错误的回复信息或没有收到回复信息，从机将重新发送上一次的数据直到收到正确的回复。
    远程监测及报警的设计，由TC35i及其外围电路构成的GSM模块通过单片机串口中断提出处理要求，当GSM模块收到短消息后会马上触发串口中断提出请求，单片机会在中断服务程序里对其进行处理。当需要发送报警信息时，单片机通过串口和GSM模块进行通信并最终完成报警短消息的发送。系统整体软件设计流程图如图3所示。

3 结 语
    随着工农业现代化的不断发展，以及新技术的不断产生，无线数据采集和远程监测技术正在进入一个高速发展的阶段。该系统为无线数据采集和远程监测的通信系统提供了一个新颖实用的解决方案。系统能够监测实时参数，当某一项或多项参数出现异常时，处理器调用报警程序通过GSM模块发送报警信息。通过使无线收发模块处于待机状态，有效地降低了模块的功耗。由于该系统采用了短距离无线通信技术，而无须关心数据是如何具体传送的，因此，很多基于有线通讯的类似系统很容易就被该系统所替代。该模块单元有较强的可移植能力，通过更换测量单元传感器的类型，可以应用于工业数据采集、环境监测、海洋石油、无线抄表、智能小区、安防、智能家电等领域。