基于GSM和WSNs的实验室温湿度采集报警系统设计

郭 苧， 郭晓冉， 毛向东， 刘海涛

(中国人民解放军63908部队，河北 石家庄 050000)



基于GSM和WSNs的实验室温湿度采集报警系统设计

郭 苧， 郭晓冉， 毛向东， 刘海涛

(中国人民解放军63908部队，河北 石家庄 050000)

针对计量校准实验室严格的环境条件要求，设计了一种基于无线传感器网络(WSNs)的实验室温湿度采集报警系统。以STC12C5A60S2微处理器为控制核心，收集、处理和储存各校准实验室内传感器节点数据信息，并通过GTM900C模块实现数据信息的远程传输。当实验室内温湿度超出设定的阈值时，系统可自动传输超限报警信息。系统精确度高、实用性强、性能稳定可靠，能准确监测、记录实验室的温湿度，有效规避在环境不合格的条件下进行检定、校准及测试项目，具有很强的实际应用价值。

无线传感网络； 温湿度采集； 全球移动通信系统

0 引 言

计量校准对周围环境因素的要求很高，尤其电子设备的校准对环境的温湿度非常敏感，为保证测量结果的有效性，并提供修正依据，环境必须受控[1]。目前，实验室温湿度主要依靠检定员观察、记录放置于各实验室内的温湿度计，记录方法智能化程度低、记录数据有限且难以保证连续记录，导致各标准实验室温湿度数据无法合理汇总，查询耗时费力；若遇某标准需长时间校准，或某段时间无人监守，温湿超限将无法知晓，从而难以保障试验数据的准确可靠；受时空、环境等因素的制约，有线模式数据通信系统不能完全满足所有条件下校准任务的执行，因此,通过无线数据传输方式代替有线数据传输，成为解决此类问题的主要研究方向[2～6]。

针对校准实验室温湿度数据受控的要求，根据nRF2401芯片和无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)节点的特点[7,8]，采用模块化设计方法，设计了实验室内温湿度数据采集与超限预警系统。

1 系统整体结构

实验室温湿度采集报警系统由信息采集和处理子系统，即WSNs节点及终端控制系统两部分构成。信息采集和处理子系统直接与终端控制系统通过近距离无线网络连接。为了得到实验室内温湿度的有效信息，在室内安放WSNs节点实时测量温度、湿度。整个实验楼有数个标准器实验室，每个实验室至少需要一个WSNs节点，将其按照一定顺序编号，WSNs节点采集温湿度信息并与设置的阈值对比，当出现量值超标时，节点本身声光报警，同时会将报警信息传至终端控制系统，并通过全球移动通信系统(global system for mobile communication,GSM)模块以短信形式发送报警信息至指定手机，以便及时采取有效措施。采集信息以分时扫描方式发送至终端控制系统并保存至存储芯片内，同时在LCD显示屏上实时显示，方便查看。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体结构

2 系统硬件设计

2.1 WSNs节点硬件设计

WSNs节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块和能量供应模块等部分组成。WSNs节点框图如图2所示。

图2 WSNs节点框图

微处理器模块采用STC12C2052AD单片机[9]，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点。无线通信芯片nRF2401采用全球开放的2.4 GHz频段，有125个频道，可满足多点跳频需要，传输速率1Mb/s，具有高数据吞吐量，发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设计，电压范围为1.9～3.6 V，满足低功耗设计要求，内置CRC纠错硬件电路和协议，支持点对多点通信地址控制，能够满足无线网络节点设计要求。温湿度传感器选择SHT11，内置已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，内部集成了温度传感器、湿度传感器、信号放大器、A/D转换、I2C总线接口及CRC发生器，电源电压范围为2.4～5.5 V，湿度测量范围为0 %～100 %RH，分辨率为0.3 %RH，温度范围为-40～123.8 ℃，分辨率为0.01 ℃，能够满足测量范围和精度要求。能量供应模块设计两种供电方式：由干电池供电，适合WSNs节点自由移动，任意摆放；由市电通过适配器供电，适合WSNs长期固定在室内某个区域。基于实验室现状优先选用第二种供电方式。

2.2 终端控制系统硬件设计

终端控制系统由中央处理单元、存储单元、显示单元、GSM模块、无线收发模块和能量供应模块6部分组成，如图3所示。

图3 终端控制系统硬件框图

中央处理单元采用STC12C5A60S2[10]单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点，完全满足系统要求。为了存储采集的数据信息，以便查询，终端控制系统采用可编程存储器AT24C512存储采集的信息，并通过LCD实时显示。GSM模块选用GTM900C无线模块。收发模块采用与无线传感器节点相同的芯片NRF2401，保证终端控制系统与信息采集和处理子系统的数据可靠、稳定传输。

3 系统软件设计

3.1 WSNs构建

构建的WSNs包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点[11]，传感器节点布置于各标准室、仪器库等房间，负责收集房间内温湿数据，经STC12C2052AD处理，通过nRF2401传送数据至汇聚节点，汇聚节点放置于该楼层中间的会议室，将收集到的数据经STC12C5A60S2处理存储至存储器或通过串口将数据传送至电脑储存，并将超限数据通过GSM模块传送至指定手机(任务管理节点)实现报警，任务管理节点亦可实时主动获取任意传感器节点温湿度信息。WSNs体系结构如图4所示。

图4 WSNs体系结构

3.2 信息采集和处理子系统软件设计

软件功能需求：单片机控制温湿度传感器采集并读取当前温湿度数据并与阈值对比，将超限数据提取并生成警报，然后通过单片机软件模拟SPI将数据和超限警报发给NRF2401，并配置NRF2401到发送模式，将数据发送到汇聚节点。流程如图5所示。

各节点温湿度阈值可以通过节点系统本身设置，也可由手机编辑短信经GSM—终端控制系统—节点控制器设置，该设计使各节点阈值更改方便，通用性更强。

3.3 终端控制系统软件设计

软件功能需求：单片机控制接收器接收各节点发送的数据和报警信息，分别存储各节点信息并在LCD循环显示各标准室阈值及实时测试值，当有超限报警时，报警模块发出警报、LCD显示报警并通过GSM将超限详细信息传送至手机终端。流程如图6所示。

图5 传感器节点工作流程

终端控制系统存储数据有限，系统通过串口与电脑相连可定期转移数据至电脑；终端控制系统警报可通过手机发送命令短信关闭。

图6 终端控制系统工作流程

4 实验结果

随机选择6个标准室布置WSNs节点和经校准的温湿度计，对室内温湿度进行监测，将终端控制系统布置会议室，对采集的数据存储和显示，对超限数据转发预警。利用空调和加湿器对室内温湿度进行调节，待制冷、加湿一段时间后记录温湿度计和终端控制系统上LCD显示值，数据如表1所示(温湿度值均取到小数点后一位，小数点后第二位数据时刻变动，无实际意义)。

表1 实验室温湿度测试结果

可以得出：WSNs节点与经校准的温湿度计测得的温湿度值基本一致，最大温度差为0.5 ℃，最大湿度差为0.8 %RH，误差范围小，能够满足实验室要求；其中，标准室1鉴定规程要求温度19～21 ℃、相对湿度45～65 %RH；标准室6鉴定规程要求温度17～21 ℃、相对湿度小于等于80 %RH。由监测结果可知两标准室湿度、温度分别超差，系统声光报警，LCD超差结果显示，同时手机也接收到超差报警信息。

5 结 论

设计的实验室温湿度采集报警系统硬件电路简单、可靠性强，软件设计合理、效率高，数据传输速度快，系统运行稳定，采集数据准确、实时性好，且易扩展、易安装，满足实验室温湿度监测、数据采集及超限报警要求。

[1] 闫宇华，李 谊，黄 宁，等.GJB 2725A—2001.测试实验室和校准实验室通用要求[S].北京：中国人民解放军总装.

[2] 唐希浪，肖明清，宋海方，等.基于WSNs的军用机场仓库环境监测系统设计[J].传感器与微系统，2015,34(10)：96-99.

[3] 朱嵘涛，叶传涛.基于nRF2401和STC15F2K61S2的无线温湿度检测系统的设计[J].石油仪器，2014,28(1)：29-31,34.

[4] 施云波，周 磊，修德武，等.基于GSM的温湿度环境参数远程无线监测系统[J].传感器与微系统，2010，29(4)：96-98.

[5] 朱慧彦，林 林.基于MCU和nRF2401的无线通信系统设计[J].电子·电路，2012,25(4)：81-83,91.

[6] 鲜晓东，常 超，胡 颖，等.基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计[J].传感器与微系统，2011,30(6)：141-144.

[7] 孙利民，李建中，陈 渝，等.无线传感网络[M].北京：清华大学出版社，2005:391-402.

[8] 陈远波，李 青，王燕杰，等.基于WSNs的医院环境监测系统设计[J].传感器与微系统，2016,35(2)：120-122,129.

[9] 宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列单片机器件手册[M].深圳:宏晶科技有限公司，2011.

[10] 宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列单片机器件手册[M].深圳：宏晶科技有限公司，2011.

[11] 王 殊 阎毓杰 胡富平，等.无线传感网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社，2007.

Design of laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system based on GSM and WSNs

GUO Ning， GUO Xiao-ran， MAO Xiang-dong， LIU Hai-tao

(Troops 63908,People's Liberation Army,Shijiazhuang 050000,China)

A laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system is designed based on wireless sensor networks(WSNs)for the strict requirements of environmental conditions in the calibration laboratory.System uses STC12C5A60S2 microprocessor as controlcore to collect,process and store each sensor node data in the calibration laboratories,and realize remote transmission of data through GTM900C module.When temperature and humidity exceed a set threshold,the system can automatically transmit the alarm message.System has high precision,strong practicability,stability and reliability,which can accurately monitor and record the temperature and humidity.System avoids the verification, calibration and test items in substandard conditions effectively,which has a strong practical application value.

wireless sensor networks(WSNs); temperature and humidity collection; global system for mobile communication(GSM)

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0092—03

2016—08—31

TP 212

A

1000—9787(2017)08—0092—03

郭 苧(1989-)，男，工程师，主要从事电子设备与电子元器件环境试验及可靠性设计，以及数字表、示波器、频谱仪、时频等标准参数计量校准工作。