基于TC35和nRF24L01的远程智能监控系统设计

席 婷，金燕华，曹 勇

（电子科技大学 四川 成都 611731）

随着科学技术的迅速发展，监控技术的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。现阶段，我国在石油、煤矿、水利水电等资源的监测和管理中仍然缺乏经济实用、有效安全的数据采集、传输等监控设备，传统的人工方式既耗费了大量的人力物力，同时也无法避免人工带来的误差，而且对数据的分析和处理相当滞后，线路铺设也存在很大的局限性。通信技术和网络技术的迅速发展使得水利电力系统的自动化控制程度进一步提高。如果使用无线网络作为传输数据的载体，上述面临的种种问题就可以得到很好的解决与完善。文中设计了一种远程智能监控系统，利用现代无线通信网络GPRS来实现对远程监测量的采集与监控。

1 系统总体设计方案

系统主要由数据采集终端、数据传输中转站和上位机监控平台3部分组成。

数据采集终端由3个从机组成，每个从机由A/D（MAX144）负责监控量采集，并配有红外解码按键设置功能，可对从机的相关功能进行人工设置。从机采集的数据可实时数码显示，其与数据中转站之间的传输均采用无线射频模块nRF24L01。

数据传输中转站也采用无线射频模块nRF24L01，其与3个从机组成简单的无线网络，并接有GPRS模块（TC35）A，将采集到的数据进行短信发送，同时对上位机发来的自定义数据格式的短信进行解码，从中提取出有用的控制字符，最后发送相应的控制命令以控制从机的工作状态。

上位机监控平台为 PC机，配有 GPRS模块（TC35）B，对数据短信进行接收解码，从中提取出各个从机的监测量采样值，然后存入到数据库中，以方便以后进行查询等操作[1-3]。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Structure diagram of the system

2 系统硬件电路设计

2.1 GPRS模块

TC35i模块是西门子公司推出的一种无线通信模块，它是集射频电路、基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短信息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的开发设计及应用。

TC35i模块应用接口采用40脚的Zip插座，包含的引脚功能有：3.3～5.5 V、峰值为2A的直流电源接口，模拟音频输入、输出接口，8个引脚的标准RS232信号接口，6个引脚符合GSM11.11标准的SIM卡连接、控制接口。文中应用4个接口，电源接口、控制接口、串行通信接口及SIM卡连接接口。TC35模块内部结构如图2所示。

图2 TC35模块内部结构图Fig.2 Structure diagram of TC35

2.2 监测量采样模块

监测量采样模块电路要完成对监测量的采样任务，是整个监控系统的设计重点，不同的采样电路对数据的实时性、准确性有很大的影响。本系统设计的采样电路主要运用MAXIM公司的12位串行A/D MAX144。电路如图3所示。

图3 监控量采样电路Fig.3 Monitoring sampling circuit

芯片采用的参考电压为外置的+5 V电源，2、3两脚分别模拟电压输入的采样口，本系统将2路采样结合在一起。图中Rc是电位器，跳帽是监控量选择开关。当2、3引脚短路时，系统为了模拟监测量的值，MAX144采样的是电位器上Rc的电压。当1、2引脚短路时，系统可以采集外接的各种传感器（一般标准0～5 V信号）的输入信号。设计了一个4位的接线柱，可为外置的传感器（如温度、氧气浓度等）提供所需的工作电源以及信号输入接口，大大增加了系统的实用性和扩展性[4-6]。

2.3 nRF24L01无线射频网络模块

nRF24L01[4]是一款新型的单片射频收发器件，内置频率合成器、晶体振荡器、功率放大器、调制器等模块，其中输出功率和通信频道可通过程序进行自由配置。nRF24L01以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA。nRF24L01工作于 2.4～2.5 GHz ISM频段，融合了增强型ShockBurst技术，功耗低，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式），其性能的优越性使系统设计的更加简单、方便、实用。

nRF24L01有3种待机模式：待机模式1，待机模式2以及掉电模式。数据包处理模式分为ShockBurst模式和增强型ShockBurst模式两种，本系统采用了后面一种，因为增强型ShockBurst模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易、有效。典型的双向链接为：发送方要求终端设备在接收到数据后有应答信号，以便于发送方检测有无数据丢失，一旦数据丢失，则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型的ShockBurst模式可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，每一个数据通道使用不同的地址，但是共用相同的通信频道，6个不同的nRF24L01可以对这6个发送端进行相互识别。数据通道0是唯一一个可以配置为40位自身地址的数据通道，1～5数据通道都为8位自身公用地址，所有的数据通道都可以设置为增强型ShockBurst模式。nRF24L01在确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号。在发送端，数据通道0被用做接收应答信号，因此，数据通道0的接收地址与发送地址必须相等以确保接收到正确的应答信号。本系统设计时，采用主一从三的星型网络结构，功能完全满足预期要求。电路如图4所示。

图4 nRF24L01电路Fig.4 nRF24L01 circuit

3 软件设计

系统程序设计分为从机和数据中转站两个部分。

从机的任务主要是采样、显示数据并接收“数据中转站”的控制指令，然后完成相应的控制功能。系统上电后，首先进行必要的初始化操作，包括设置AT89S52单片机的I/O口工作方式、开中断等，然后初始化数码管驱动芯片MAX7221，使其显示相关内容，最后再进行无线射频模块的初始化工作，并设置其工作模式为接收模式。单片机进入主程序后，就一直检测有没有红外遥控控制信号。如果有红外信号则执行相应的控制指令（包括参数的设置等命令）；如果没有则进行数据A/D采样并实时数码显示，每显示完一次数据后再检测是否收到无线射频控制信号，如果收到控制信号则执行相应程序（包括反馈采样数据、接收执行命令等），没有则返回到主程序进行红外信号的检测，以此循环执行。无线射频信号的控制指令分为好几种，从机接收到不同的编码指令后，可对应的执行反馈采样数据、控制继电器工作以及警戒值设定等操作。

“数据中转站”主要负责协调各个从机的工作并进行相关信息量的转送。首先，“数据中转站”进入接收从机采样数据的倒计时程序，当时间到时，就开始依次接收各个从机的数据，接收完最后一个从机数据时，进入数据的短信传输程序，短信发送成功后再进入倒计时状态，以此循环。当上位机有短信发来时，“数据中转站”就接收PC机发送过来的控制短信，对短信进行解码，从中提取出有用的控制字符，最后发送相应的控制命令以控制从机的工作状态。数据中转站程序流程图如图5所示。

图5 数据中转站程序流程图Fig.5 Flow chart of data transmission module

4 结束语

随着工业现代化的不断发展，以及各种新技术的不断产生，数据采集与监控系统正在进入一个高速发展的阶段。由于本系统使用了GPRS通信技术和短距离无线射频组网技术，相对于其他有线通信技术有很多的优越性，从而很容易取代一些基于有线通信方式的数据传输系统，因此，本系统具有很强的通用性，不管是应用于自动抄表系统，还是温度测量、环境测量等领域中，都有很好的发展前景。

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