基于TC35的远程温度监测报警系统

2015-01-05刘玟宏王海江倪进宝

成都信息工程大学学报 2015年1期

刘玟宏，王海江，宋静，倪进宝

(成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225)

0 引言

温度是现代社会中无处不在的物理量，工业中对温度的监测至关重要，粮食仓库中对温度的监测也非常重要，温度的高低对某些化学变化起着决定性的作用，工业、民用、军事等领域温度的监测都占有十分重要的地位[1]。因此对温度的远程监控更是具有实践性的意义。

传统的温度监测系统，一般都需要人力去观测系统测量温度的值，对于一些偏远地方，这不仅耗费人力物力，而且耗费财力[2－3]。随后又产生了基于无线模块的温度监测系统，相对于人力去观测温度值的方式有所改善，但一般无线模块的传输距离有限，在几十米到几百米不等。根据目前GSM网络技术成熟、覆盖范围广的特点[4－8]，系统通过日常生活中人手一部的手机来对温度进行远程监测，通过发送短信来获取温度的报警信息。这使得该系统使用性高、成本低、后期的维护成本低，具有一定的使用价值[9－12]。

研究的目标是:首先通过温度传感器对当前温度进行实时监测，并通过液晶1602显示出当前温度，当温度超过某一设定温度时，由单片机控制GSM模块向指定户发送短信，实现对温度的远程监控。通过课题可以将单片机与日臻完善的GSM网络联系，实现远程监控温度。同时也是对生活中的节能提出了一种解决途径。特别是对于那些对温度数据要求高的偏远地方，设计提出一种能更好节省人力和物力的理念。

1 系统方案设计

1.1 方案设计

方案使用单片机STC89C52作为控制核心芯片，STC89C52的功能足以完成设计的要求[13－15]。温度采集是用的DS18B20作为温度采集的部件，利用它对当前环境温度进行实时的测量。采用GSM作为通信模块，GSM模块通过移动网络发送短信到指定的用户，其中单片机STC89C52和GSM模块之间通过9针串口线连接。单片机的IO口连接到液晶显示器1602的数据口及控制接口上面。系统大致可以分为3部分:一是实现对温度采集，由温度传感器DSl8B20实现。二是温度的显示，通过液晶显示器1602显示出温度。三是发送短信部分，主要通过GSM无线通信模块(TC35)、和接收短信的手机实现。该方案设计实现温度数据的采集、处理和显示。系统框图如图1所示。

图1 系统总体框架

1.2 方案介绍

采用DS18B20作为温度采集模块，DS18B20数字温度传感器只有3只线接线方便，封装后的DS18B20可用于室内测温，电缆沟测温，农业大棚测温，高炉水循环测温，粮食仓库测温，计算机机房测温等。按照DS18B20的通信协议，由主机向DS18B20发送命令，读取DS18B20的转换温度，从而实现对环境温度的测量。GSM模块采用的是德国西门子公司生产的TC35模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统，GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块，开发人员使用单片机通过RS232串口与GSM模块通信，故使用很方便，通过标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能。设计的TC35模块通过与MAX232连接即可以实现TTL电平的转换，然后接在一个9针串口的接口上。GSM模块图如图2所示。

图2 GSM模块图

2 系统设计

2.1 单片机的选择

单片机作为设计中重要的芯片，对其选择标准应该是功能满足、稳定性好、操作方便，通过仔细对比，选择了STC89C52作为设计中使用的主控芯片。设计采用的是基于一款带有RS232串行接口的单片机最小系统作为主体部分。单片机最小系统包括电源电路，晶振电路，复位电路三大部分。单片机最小系统部分原理图如图3所示。

2.2 GSM工作原理及发送短信控制

西门子公司的TC35是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。在GSM网络日臻完善的今天，TC35秉承了西门子一贯的优秀品质，GSM网络的发展已经有很多年的历史，技术在当今社会中已经非常成熟，所以使用发送短信报警也是比较可靠的手段。TC35功能框图如图4所示。

图3 单片机最小系统原理图

图4 TC35功能框图

控制GSM模块通信通过AT(Attention)命令实现，AT命令集一般用于 Terminal Equipment(终端设备)与PC(Personal Computer)之间的连接于通信。分别介绍几条简单的AT指令:(1)AT+CMGF选择消息格式。(2)AT+CMGS发送短消息。如表1、2所示。其余AT指令祥见西门子公司的TC35数据手册只做简单介绍。

表1 AT+CMGF指令

表2 AT+CMGS指令

将TC35模块通过RS232接口用串口线和电脑串口连接起来。用串口助手可以调试电脑与TC35之间的通信。简单实现一条短信发送:(1)先运行一个串口工具。(2)向串口输入指令“AT+回车”。(3)输入AT+CMGF=1按回车键后点“手动发送”指令功能英文方式发送，状态有 OK回复。(4)再输入T+CMGS=“指定用户手机号”再按回车键后点“手动发送”指令功能向指定手机号码发送信息状态有“＞”回复。经过以上步骤就可以成功通过电脑串口控制GSM模块向指定用户发送短信。具体如图5所示。

图5 串口调试GSM模块示意图

GSM模块与电脑通信调试好以后，单片机只需要通过串口向GSM模块发送上述几条指令即可实现发送短信的功能。短息的格式采用text格式，也即文本格式。短信内容可由用户自行设定。需要注意的是选好串口号和波特率，其他不动，如图3中选择串口为COM3，波特率为9600 bps，数据位8位，停止位1位，无校验位。单片机与GSM模块之间通过9针串口线连接。

2.3 温度采集和显示部分

温度采集是通过DALLAS公司生产的DS18B20温度传感器采集当前温度，然后送到1602液晶显示器显示当前温度值。DS18B20主要由4部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。每一个DS18B20含有唯一的ROM序列号，当采用多个DS18B20时需要对其进行单独的配置，设计只用到一个故采用默认配置即可。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示2行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。1602采用标准的16脚接口，是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。

DS18B20采集温度的步骤是:复位→忽略ROM匹配(0xcc)→温度转换(0x44)→延时→复位→忽略ROM匹配→读指令→分别读取温度2个字节。1602的操作步骤是:复位→写命令→读地址和传递数据，初始化然后将温度送到液晶的数据口。

温度传感器DS18B20是单总线器件，该传感器只具有3只引脚，连接电路并不复杂，3个接口分别是VCC，GND，DB。其中VCC和 GND分别接到电源和地。DB(数据口)本身不具备输出高电平的能力，所以需要在数据口上接一个上拉电阻在与单片机的IO口连接。

液晶的8位数据口分别于单片机的P0口连接，RS，E，R/W端口分别接上P2的一个IO口。

3 系统软件设计

3.1 程序实现功能介绍

系统主要包括温度的采集、温度显示、发送短信3个部分的程序组成。程序中需要设定一个报警温度，当温度传感器检测到当前环境温度超过设定温度时，单片机通过串口向GSM模块发送AT指令。当GSM收到AT指令后，它会执行相关的短信发送操作，从而实现让GSM模块向指定用户发送短信报警。

3.2 软件设计流程图

首先是系统上电，然后紧接着是系统初始化，系统初始化包括单片机串行口初始化、温度传感器初始化、液晶初始化等。再接着是温度的采集部分，单片机读出温度传感器采集的温度，送到液晶数据口显示出当前环境温度值，并随时判断温度值是否超过系统设定的温度值，如果超过该值，则单片机向GSM模块发送AT指令，最后再次进入温度采集循环部分。如果没超过温度上限，则程序回到采集部分。

图6 软件设计流程图

4 实验结果及分析

设计通过对温度的实时监测，实现了能够准确发送短信，达到通知用户报警的目的。研究结果表明，系统能够通过发送短信来对温度进行远程实时监测。设计成本不高，实现了合理利用现有的非常成熟的技术对生活提出了一种更加安全、便捷节能的方法，达到了预期的目标。但本设计只是提出了一个大致，用于具体的实践还需做很多修改。实验中设置的报警温度是28℃，用手捏温度传感器，使其温度快速达到上限温度，然后手机收到报警短信，实验设置的短息内容是英文短信“temperature exceed”为实验结果图7～9所示。

图7 手动升温

图8 收到报警短信

图9 收到短息内容

表3是将系统同基于无线模块的测温系统和传统的人工温度监测系统的比较。

表3 同以往温度监测系统一些比较

首先在成本方面GSM测温系统成本比传统的稍微高一点;其次是在获取温度时间方面本系统获取温度的时间应该是最少的，因为它可以发送短信到我们随身携带的手机上面;再次是在有效距离方面无线模块测温系统范围有限，最后是在便利性方面GSM测温系统是最方便的。所以综合所有的优缺点，系统能够很好的监测温度。将系统放在不同的环境温度下测试温度，然后与实际环境温度比较，得到测温误差随温度变化的关系如图10所示。

图10 系统测温误差

图10中带有“*”的曲线为该系统测温误差，带有“.”的曲线为传统测温误差。从曲线弯曲程度分析可以看出系统的总体测温误差小于传统的DS18B20测温误差。当温度在5℃以下以及快到30℃时，误差较大，产生的原因可能是当温度太低时测温系统的灵敏度降低，当温度接近30℃时，可能是由于系统自身发热导致温度的偏差。但是在正常温度下该系统测温还是比较精确的，其误差都在0.4左右。当环境温度超过30℃时，可以通过将温度传感器的读取值减去1来提高测量精度。将系统分别放在不同的地点判断发送短信的准确率以及发送短信的延迟时间如表4所示。

表4 一些测试数据

对表3的分析，发送短信和GSM网络的覆盖程度有很大关系，当系统在野外和山区时，应该是由于GSM网络的覆盖率不是那么好所以导致了有些短信的漏发，而在GSM网络覆盖良好的市区和郊区可以达到100%。从短信的延迟可以看出在市区手机用户较多导致了手机信道的拥塞，所以收到短信的延迟时间较长。然而在郊区、山区、野外在考虑收到短信的条件下其延迟时间普遍较正常。能够得出该系统是能够进行有效的远程监控的。

5 结束语

课题的创新点是提出一种基于单片机远程的监控思想，达到节能的目的，又使对温度的监控更加方便，随时随地的监控温度。对以后现代社会中工业，农业，家庭，办公室等的节能可以发挥较好的作用。认为系统的进一步改进和完善地方首先是用户可以发送短信给系统去获取系统任意时刻的温度值，其次是主要研究对象可以向湿度、气压、等方面考虑。

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