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一种无线数据采集及远程监测系统的设计

作者:王 盟?? 马艳峥?? 徐晓辉?? 王治学?? 2009年04月24日 ?? 收藏0

  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。
系统总体结构及硬件设计

  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。
模块电路简图

  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。


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GSM? 无线数据采集? 远程监测?

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