基于GPRS的温湿度控制系统设计

杨正君

（杰辉空调设备有限公司,贵州贵阳550025）

通信机房保持适宜的温湿度环境对保证各种设备长期可靠运行极为重要.传统机房实现方式是通过空调24 h不停歇运转,本系统使用基于单片机控制的温湿度控制系统,在室外空气温度低于室内一定程度时,使用风机把室外冷空气引入机房,把机房内的热量带走,达到降低机房温度的目的,极大地节约运营成本[1].由于机房是分散的、无人值守的现场,需要对数据进行采集从而进行集中的实时监控.针对这一问题,设计和开发了基于GPRS无线局域网,以短消息的方式将此信息送给总控中心,实现对数据进行采集,从而进行集中管理和监控.

1 系统工作原理

控制器通过不断检测机房内外的温度、湿度及有关信息,并通过按键或者GPRS设定的控制参数,对数据进行采集、分析和处理,控制风机和空调工作,若发现异常,控制单元发出报警信号并通过GPRS发送给监控人员.控制器通过控制空调、风机联动运行在一个合理的状态,确保通信机房温湿度环境适宜,从而达到在大多数条件下用风机替代空调制冷,降低空调的运行时间,节约通信机房电能消耗的目的.系统原理框图如图1所示.

图1 机房温湿度节能控制系统系统原理Fig.1 Principle of temperature and humidity energy saving control system in machine room

2 系统硬件设计

采用C8051F340单片机作为系统测控单元,以键盘和液晶显示器或者远程监控计算机作为系统的人机控制界面,通过红外控制空调启停和PWM控制风机的功率控的方式实现,控制器通过RS232串口与GPRS模块连接,实现远程通讯、监测与控制.

2.1 温度采集模块

温度传感器作为采集者是系统的重要组成部分,只有精确度高的传感器才能保证采集数据的准确性.故采用的是数字温度传感器DS18B20,测温范围-55～125℃,固有测温分辨率0.5℃,精度和范围可以达到系统要求,它采用独特的一线通信技术,简化了分布式温度传感应用,无需外部元件,具有耐磨耐碰、体积小、使用方便、封装结构多样的特点[2].整体框架与温度采集模块如图2所示.

图2 温度采集模块电路Fig.2 Circuit of temperature collecting module

2.2 湿度采集模块

湿度传感器与温度传感器一样,都要求有较高的精度.选用SHT10作为湿度传感器,进行湿度的采集.SHT10采用CMOSensTM技术,包含湿敏感结构、测温结构、14位的A/D转换器以及串行通信接口电路,实现电路无缝衔接,并且具有精确的CRC数据传输校验功能,输出全校准后的相对湿度及温度值,稳定性好[3].湿度采集模块的原理图如图3所示.

图3 湿度模块电路Fig.3 Circuit ofhumidity module

2.3 风机控制模块

由于PWM（脉宽调制）方式具有电源的能量功率利用充分,电路的效率高的优点.系统风机接单片机的OUT0引脚,由于使用光耦合器TLP521实现输入端与输出端的电气隔离,具有抗干扰能力强、工作稳定、传输效率高的特点.根据采集到的温、湿度和预设的温、湿度进行分析和控制,单片机通过OUT0口输出与转速相应的PWM脉冲,通过改变输出方波的占空比,使负载上的平均电流功率变化,从而改变负载电机速度.风机的控制模块原理图如图4所示.

图4 风机控制模块电路Fig.4 Circuit ofdraught fan control module

2.4 红外控制模块

红外控制模块用于控制空调开关.红外控制模块由一体化用于空调按键编码的红外接收头和用于发射的红外发光二极管两部分组成.所选的韩国产FM9038LM-5AN红外接收头具有超强的抗干扰性,接收距离达12 m.接收头通过判断引脚电平变化开启PCA捕捉引脚电平跳变并记录跳变之间电平长度.发送头TRA-OSE-IL7产生38 KHz方波驱动红外发送电路发送红外信号.根据现场温、湿度采集和分析,通过向空调发送开关、降温、升温指令,控制通讯机房温、湿度.结构如图5所示.

图5 红外控制模块电路Fig.5 Circuit of infrared control module

2.5 键盘模块

模块采用键盘扫描控制芯片CH452.CH452内置时钟振荡电路,可以进行64键的键盘扫描,它的串行接口由硬件实现,单片机可以频繁地进行高速操纵,而不会降低CH452的工作效率.用户可以通过键盘设定要控制的温湿度值.其结构如图6所示.

图6 键盘模块电路Fig.6 The circuit diagram ofkeyboard module

2.6 显示模块

控制器的显示模块采用的是ST7920控制器.ST7920芯片负责控制中文图形液晶模块的显示特征,可用于显示字母、数字、中文字形以及自定义图形等.用于显示预设的温、湿度和当前温、湿度值.结构如图7所示.

图7 显示模块电路Fig.7 The circuit diagram ofdisplay module

2.7 GPRS通信模块

由于MCU的串行口UART提供TTL电平标准,而GPRS模块的串行通信口属于RS232电平标准,因此需要设置TTL-RS232电平转换模块.系统控制器通过RS232串口与GPRS模块连接.GPRS模块采用的是EM310,它是一款整合GSM与GPRS通信技术的模块.EM310模块内部封装了点对点拨号协议以及TCP/IP通信协议,有效节约了成本.在硬件构成上,远端控制中心采PC+GPRS模块架构,现场主控中心则采用MCU+GPRS的硬件架构[4].GPRS模块上电后,首先取出内部随机存储器中保存的工作数据（包括GPRS拨号数据、串口波特率、数据中心IP地址等）,然后登陆GSM网络,进行拨号连接.连接成功后,GPRS模块向数据中心的IP地址发送TCP连接请求,在收到数据中心响应后,认为握手连接成功,并通过心跳保持技术,保持永久在线,实现数据的双向通信,从而实现远程通讯、监测与控制[5-6].结构如图8所示.

图8 通过RS232与GPRS连接接口电路Fig.8 The circuit diagram of interface connecting by RS232 and GPRS

2.8 铁电存储模块

为了使设备重启后也能保存参数,系统采用的铁电存储器是FM24CL64.它是一款采用先进的铁电工艺制造的64 K位非易失性存储器,采用的是二线制串行总线及传输规约与单片机进行双向数据传输.这种方式占用引脚少,线路板体积小,只通过SDA和SCL两个引脚与单片机引脚进行通信连接.结构图如图9所示.

图9 铁电存储模块电路Fig.9 The circuit diagram of ferroelectric memory module

3 机房温湿度控制器的软件设计

控制器循环检测机房内外的温度、湿度及有关信息,并根据预设的控制参数,对数据进行分析,控制风机和空调工作,若发现异常,控制单元能输出报警信号并通过GPRS发送相关信息.控制器在保证对通信机房工作环境有效控制的同时,联动使用空调和风机,从而达到降低空调运行时间,节约通信机房电能消耗的目的.通过GPRS以短消息的方式将信息送给总控中心,实现对数据进行采集从而进行集中管理和监控,达到无人值守的目的[7-8].

系统运行过程包括初始化、系统检测、温湿度控制、故障处理、系统设置等部分.运行流程如图10所示.

图10 系统运行流程Fig.10 The flow chart ofsystem operation

4 小结

本文系统的研究了传统机房控制方法,结合机房自身特点和内外部运行环境,提出了一套基于GPRS传输模块的机房温度控制解决方案.通过远程、集中的方式对现场数据进行遥测,将机房的温、湿度控制在合适的范围内,实现在无人值守情况下机房的安全和设备的正常运行,同时降低空调和风机的能耗,具有较高的研究价值和商业价值.

[1]刘正伟,孙叔禹,徐冠字.大港石化绿色节能机房建设与应用[J].计算机与应用化学,2010,27（8）：1139-1141.

[2]吴亮.DS18B20型数字温度传感器在烟叶烤房监测仪中的应用[J].国外电子元器件,2005（10）：19-21.

[3]张艳丽,张勇.基于SHT11的温湿度控制器[J].自动测量与控制,2007,26（5）：83-84.

[4]李映雪.基GPR基站远程实时监控系统研究[D].金华：浙江师范大学,2009.

[5]张彧.基于GPRS的配电变压器远程监测终端的研制[D].南昌：南昌大学,2009.

[6]杨久红,王小增.基于GPRS和GPS的嵌入式蔬菜大棚湿度监控系统[J].计算机测量与控制,2010（7）：1563-1565,1571.

[7]吴晗,张云川,赵美华,等.基于 GPRS-Internet的温湿度无线远程监控系统[J].制冷与空调,2010（4）：23-26.

[8]陈炜.制药车间温湿度智能控制系统的设计及研究[D].长沙：中南大学,2008.