硕士学位论文-基于GPRS的分布式远程无线监测系统的研究与设计.pdf

河北工业大学 硕士学位论文 基于gprs的分布式远程无线监测系统的研究与设计 姓名：赵辉 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：贾志成 20081101 河北工业大学硕士学位论文 i 基于基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的分布式远程无线监测系统 的研究与设计的研究与设计 摘摘 要要 伴随着科技的进步和工业的发展，监控系统面临着越来越高的要求，诸如监控范围越 来越大、监控点越来越分散等。近些年来，出现了一种新型无线网络通用分组无线业务 gprs(general packet radio service，简称为 gprs)网络。 gprs 网络，具有实时在线、高速传输、快速登陆、按流量收费、支持 ip 协议和 x.25 协议等优点。 在工业监控领域， gprs 正得到越来越广泛的应用。 本文提出了一种基于 gprs 的分布式远程无线监控系统的设计，具体应用于建筑节能检测中的室内墙体温度测量。 该监测系统由数据中心，gprs 通信网络及数据采集终端三部分组成。系统利用中国 移动现有的 gsm/gprs 网络， 构建远程无线通信平台， 实现数据中心和终端的实时在线连 接。 下位机部分设计分为温度采集和无线通信两部分：温度采集由单总线数字温度传感器 ds18b20 和单片机 at89s52 构成，将多个 ds18b20 连接在一起构成温度传感器网络来测 量不同点的温度； 无线通信部分则包括单片机和 gprs 模块 zwg-23dp, gprs 模块负责建 立与远程数据中心的通信，而单片机则对接收到的命令进行分析并完成相应的操作。上位 机使用组态软件进行编写，实现对下位机系统的远程监控。 论文首先介绍了 gprs 技术的基本概念和原理，然后描述了系统总体设计思想与实现 功能，并对下位机硬件系统的构建、下位机的软件系统设计以及上位机的编写等内容，进 行了详细的介绍与分析。经调试与试验，系统方案切实可行，设计合理。在论文的结尾， 指出了论文需要完善之处，并提出了日后继续深入研究的方向。 关键词：关键词：gprs，分布式系统， ds18b20，组态软件 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 ii study and design of distributed long-distance wireless monitoring system based on gprs network abstract with the development of industry and technology, the monitoring system is facing ever-increasing demands, such as the increasing coverage of monitored area and the scattered monitoring point etc. in resent years, a new type of wireless network (general packet radio service) appears. gprs network has many merits, such as real-time online，high-speed transmission，quick landing，paid according to flux of net data, supported ip protocol and x.25 protocol, and so on. gprs is widely used in the field of industrial monitoring. this paper presents a gprs-based remote monitoring system which applied to temperature measurement of indoor wall for the energy efficiency inspection. the system consists of three parts which are the data centre, gprs communications network and data collection terminals. the existing gsm/gprs network is applied to build a transmission platform for long-distance communication in order to realize real-time connection between the terminals and data center. the design of the lower-end computer can be divided into two main parts: temperature collection and the wireless communication. in the part of temperature collection the 1-wire bus digital temperature sensor called ds18b20 and the mcu called at89s52 are used to complete the function. many temperature sensors connect together in model to constitute a network for temperature collection in different locations. the part of wireless communication is made of a mcu and gprs model called zwg-23dp. the gprs model is responsible for communication with the data centre. the mcu analyzes the received information and completes corresponding operations. the data center is designed through the use of configuration software to achieve remote monitoring. this paper introduces the basic concepts and principles of gprs technology firstly, and then describes the thinking of whole system design and implemention of functions. the hardware structure of lower-end computer, design of software in the lower-end computer, and the process of development of upper-end computer are deeply analyzed and researched. the practicability and feasibility of design are proved by the process of experiment and debugging. at the end of the paper, it indicates the points where need to be improved and the direction of being studied continuously in future. 河北工业大学硕士学位论文 iii key words: general packet radio service, distributed system, ds18b20, configuration software 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 现代远程监控系统融合了自动控制技术、 计算机技术和现代通信技术三大领域的技术成果， 是尖端 科技领域的仪器仪表、电子技术、现代通讯技术、计算机软件等诸多技术的有机结合和综合运用。在工 业测控领域，随着计算机技术的不断发展，采用单片机作为测控机，计算机作为管理机的控制方法越来 越得到广泛的应用。这种采用微机、测控机相结合，以单片机为核心的下位机与管理主机一起，被称为 分布式系统。其中单片机是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上，由于其高集成度，缩短了系统 内的信号传输距离，优化了结构配置，大大提高了系统的可靠性及运行速度的同时，它的指令系统又适 合于工业控制的需要，因此单片机在测控技术中得到了广泛的应用。 根据信息的传输方式， 上位机与下位机间的通信一般可以分为有线和无线两种。 其中有线通信主要 包括架设光缆、电缆或租用电信电话线、ddn、adsl（asymmetric digital subscriber line，即非对称 数字用户线路）等，存在建设周期长、工作难度大、运行费用高等缺点，不便于大规模应用；而无线通 信则包括超短波通信、扩频通信、卫星通信、gsm /gprs通信等 1，具有投资较少、建设周期短、运行 维护简单、性价比高等优点。 采用基于 gsm 的无线通信系统，可以解决传统控制中，构建系统时间长、成本高、抗干扰性差的 缺点。它将维护人员从大量繁琐的工作中解放出来，提高系统的运行效率，增强可靠性和可控性，而且 能及时发现故障，尽快使系统正常运转。 但是，gsm 网络只能提供最高 9.6kbit/s 的电路型数据业务，难以满足如今越来越高的数据传输要 求。其存在的传输拥堵和延时，影响了 gsm 网络移动数据业务的发展，也制约了在实时监控系统中的 应用。而 gprs 技术的出现，克服了这种限制，为构建速度更快、更安全的远程无线监测系统提供了可 能。 1-1 gprs 网络概述 1-1 gprs 网络概述 gprs 作为第二代移动通信技术 gsm 向第三代移动通信(3g)的过渡技术，是由英国 bt cellnet 公 司早在 1993 年提出的，是 gsm phase2+(1997 年)规范实现的内容之一，是在现有 gsm 系统上发展出 来的一种新的分组数据承载业务，目的是为 gsm 用户提供分组形式的数据业务。 gprs采用与gsm同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样 的tdma帧结构 2。这种新的分组数据信道与当前电路交换的语言业务信道极其相似，因此现有的基站 子系统从一开始就可以提供全面的gprs覆盖。gprs网络实际上是叠加在gsm网络之上的一个网络， 它仍然利用gsm网络的基站收发器(bts)和基站控制器(bsc)，与gsm系统相同，在gprs系统中，一个 tdma帧分为 8 个时隙，每时隙构成一个物理信道。物理信道被定义成不同逻辑信道。与gsm系统不 同，在gprs系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分， 即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成 3。 gprs提供端到端的广域无线ip连接，采用信道捆绑和增强数据速率，进而实现了高速接入，使无 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 2 线资源得到充分利用， 能够使得用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据， 而不需要利用电路交换 模式的网络资源，从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。目前第一代gprs技术可以实现 在一个载频或 8 个信道中实现捆绑，将每个信道的传输速率提高到 14.1kbps，因此gprs通讯方式的最 大速率是 115.2 kbps 4。gprs发展的第二步是通过增强数据速率改进(edge)将每个信道的速率提高到 48kbps， 因此第二代的gprs设计速率为 384kbps。 它更适合于大多数的数据业务， 如移动办公室、 internet 接入、数据和语音多媒体、即时聊天等 5。 gprs 网络的主要特点是： 1. 采用分组交换技术 6，所谓分组交换技术就是gprs信息在传输前被分成既分离又是相关的“数 据包” ，在接收端重新组合。因此gprs特别适合于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，也适 用于偶然的大数据量传输。 2. 使用范围广，只要有 gprs 信号的地方就可以使用，非常适合野外、偏僻地区的数据采集。 3. 数据传输速率高，gprs 由于采用了经济高效的数据分组交换技术，数据传输占用 gsm 的 8 个 时隙，在分割分组后上网发送。当发送之后不需要此容量时，就立即释放。提供了即时连接高速接入， 数据传输可以稳定地达到 115kbps，此速率是常用的 56kbps modem 理速率的 2 倍，这样的通讯速度完 全可以和专用通讯线路方式相媲美。 gprs采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。gsm网中的部分信道资源 既可以被话音占用，也可以被gprs数据业务占用。在信道充足的条件下，可以把一些信道作为gprs 专用信道使用 7。 4. gprs 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和 ip 网、x.25 网实现互联互通，支持点到点和 点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。gprs 也允许短消息业务(sms)经 gprs 无线信 道传输。 5. 瞬间上网，永远在线。gprs 的模块一经启动，就始终附着在 gprs 网络上，每次使用时需要进 行激活，一般只需要 2-3 秒的时间就能马上登录至 internet，通讯网络的建立过程十分迅速。由于 gprs 使用了数据分组技术，用户上网就可以避免断线情况的出现，由此保证 gprs 永远在线。 6. 数据吞吐量大，gprs 采用了与 gsm 不同的信道编码方案，定义了 cs-1、cs-2、cs-3、cs-4 这 4 种编码方案，支持中、高速率数据传输。prs 所提供的数据传输速率取决于所采用的四种编码方案 的哪一种，高的传输速率保障了需要实时传送和大的数据流量的顺利进行，gprs 上网传输数据吞吐量 最高可达 72.2kbit/s。 7. 性价比高。同有线网络相比，无需布线，而且速度较快；同无线局域网相比，免去了无线频率 资源审批手续，无需架设天线、节省投资。 8. gprs的安全功能， 同现有的gsm安全功能一样。 身份认证和加密功能由gprs服务节点(serving gprs supporting node，简称 sgsn)来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与前 gsm 中的 一样，不过 gprs 使用的密码算法是专门为分组数据所优化过的。gprs 设备(mobile equipment，简称 me)可通过用户标识模块(subscriber identity module，简称 sim)访问 gprs 业务，不管这个 sim 卡是否 具备 gprs 功能。 河北工业大学硕士学位论文 3 9. 在 gsm 公用陆地移动通信网(public land mobile network，简称 plmn)中，gprs 引入了两个 新的网络节点：一个是 gprs 服务节点，它和移动交换中心(mobile switching centre，简称 msc)在同 一等级水平，并跟踪单个移动台(mobile station，简称 ms)的存储单元，实现安全功能和接入控制。节 点 sgsn 通过帧中继连接到基站系统。另一个是 gprs 网关支持节点(gateway gprs support node，简 称 ggsn)，ggsn 支持与外部分组交换网的互通，并经由基于 ip 的 gprs 骨干网和 gprs 节点互通。 10. 用户数据在 ms 和外部数据网络之间透明的传输，它使用的方法是封装和隧道技术，数据包用 特定的 gprs 协议信息打包并在 ms 和 ggsn 之间传输。这种透明的传输方法缩减了 gprs 的 plmn 对外部数据协议解释的需求，而且易于在将来引入新的互通协议。用户数据能够压缩，并有重传协议保 护，因此数据传输高效且可靠。 11. gprs 可以实现基于数据流量、 业务类型及服务质量等级(qos)的计费功能， 计费方式更加合理， 用户使用更加方便。 12. gprs 的核心网络层采用 ip 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现与高速发展的 ip 网无缝连接。 1-21-2 课题应用方向和功能要求课题应用方向和功能要求 本课题的具体应用方向是建筑节能监测中关于室内墙体温度的检测。 一般的， 建筑节能工作可分为 设计审查、现场检测及竣工验收。对节能建筑的评价，从建设前期对施工图纸审查计算阶段向现场检测 和竣工验收转移是大势所趋。建筑节能现场检测，是目前我国落实建筑节能政策的最有力保证手段。特 别是在寒冷地区采用集中供暖的建筑， 必须在交付使用前要对其节能措施的效果进行检验， 保证建筑物 及其采暖空调设备系统整体能够达到节能标准中规定的指标。 因此近年来， 建筑节能检测越来越受到人 们的重视。 目前，全国范围内建筑节能检测执行的标准是 jgj132-2001采暖居住建筑节能检验标准 。它明 确了建筑节能检测的内容和方式，要求检测必须使用仪器自动采集，并且要连续进行，能够将各种数据 直接输入计算机加以整理，并出具检测结果。 课题来自天津市建委的科技项目建筑无线遥测系统的研究 。根据相关标准的要求，并结合实际 测量中的需求和问题，依照项目委托方的设计要求，课题提出了一种可靠的，能够对远端房间进行多点 温度监测的远程无线监测系统。系统采用分布式结构，围绕高实用性、低成本和强可靠性的原则进行设 计。上位机和下位机应该实现的功能，如下所示: 1. 下位机系统应实现以下功能： (1) 无需职守，自动执行采集、通信等全部任务。 (2) 周期性完成数据采集和传输任务， 测量的时间和周期由上位机设定。 默认测温时间是 168 小时， 每小时采集一次。 (3) 要求多点的温度采集（8 点，可扩充） ，而且精度要求在 0.1。 (4) 采集到的温度数据进行合理化审核，若发现问题则重新测量。 (5) 与上位机的通信。 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 4 2. 上位机系统应实现以下功能： (1) 对用户进行分级管理，设置管理员和其他用户。 (2) 实现对下位机系统的完全监控，控制下位机的各项操作。 (3) 实时显示下位机采集到的数据，对于异常数据进行报警，并可自动重测。 (4) 制作数据显示报表，并且显示下位机自运行以来的历史数据。 (5) 报表能够完成存储、显示和查询操作。 (6) 使用数据库进行数据备份。 (7) 实现对 gprs 模块的配置更改。 1-31-3 系统总体介绍系统总体介绍 所有设计内容可分为三大部分：下位机硬件设计，下位机软件设计和上位机设计。设计思路都是根 据功能要求，进行针对性设计。 下位机硬件部分以微控制器为核心， 控制传感器及其他外围电路的工作， 并与 gprs 模块进行串行 通信。相应的，下位机软件部分就要完成对传感器的控制程序设计、对其他外围电路的程序设计以及与 上位机通信的程序设计。选择设计成熟，功能完善的芯片，可以提高系统的可靠性。 首先要实现多点温度采集功能。多点的温度采集，可以考虑使用数字温度传感器。选用连接简单， 功能可靠，价格适中的传感器为宜。 对采集到的数据，在发送前，需要进行一系列的处理，例如对数据的格式转换，合理化审核等等。 格式转换，主要是配合上位机的识别，做出的处理；而合理化审核，包括了数据的均值审核和变化率审 核。关于合理化审核的详细内容，在后面的章节再行介绍。 gprs 模块用来建立下位机与上位机间的透明数据通道，应该选择功能齐全，稳定可靠，性价比高 的产品。 下位机的控制芯片负责了对传感器的操作、数据审核、对 gprs 模块的通信、以及对周边外围电路 的控制。下位机与上位机的通信，要按照固定的通信协议进行，在下位机的软件设计中必须加入对该通 信协议的支持。 上位机部分采用组态软件编写，可以大大缩短设计周期。亚控电子有限公司的组态王软件，提供了 一个便捷，轻松的设计环境。可以像搭积木一样，轻松实现 gprs 的链接、数据的实时显示、报表操作 和数据库操作。设计者从而可以更多的注重于功能结构的设计和优化，摆脱繁琐程序代码的编写。上位 机部分是整个系统的中枢。上位机部分，即数据中心负责接收各个下位机系统采集到的数据，并进行数 据分析、显示、查询和存储等操作。 上位机所在主机的网络环境， 影响了与 gprs 模块的配置参数。 因此需要根据具体情况， 进行 gprs 模块配置。例如当主机申请固定 ip 时，gprs 模块则可以通过 ip 直接访问；而当主机使用 adsl 方式 及动态 ip 地址时，gprs 模块应该配置为域名访问，并且在主机使用动态域名访问技术，以实现链接。 更复杂的网络环境，例如局域网环境，则要对局域网的路由进行设置，实现端口映射才可以完成 gprs 模块的链接。 河北工业大学硕士学位论文 5 1-4 论文的内容安排1-4 论文的内容安排 论文将按下面的内容进行安排: 第一章，绪论，首先介绍了分布式监控系统的概念、特点以及发展现状，然后对 gprs 技术的概念 和特点做了简要的说明，最后在明确了系统应用方向以及功能要求之后，对系统的总体设计思路，大体 构造做了简要的说明。 第二章，下位机系统的硬件设计。从芯片的选择，到硬件特点和连接方式，文章详细介绍了系统硬 件各个功能块的构建与连接方法。 第三章，下位机软件系统的设计，重点介绍了主控制器的各部分功能程序的设计思路和执行流程， 并且介绍了 gprs 模块配置方案的设计思路和具体步骤。 第四章， 介绍了上位机的设计。 首先对设计中使用的重要技术和概念， 例如组态软件、 odbc （open database connectivity，即开发数据库互联）数据库、动态域名访问等做了简要的介绍，然后重点介绍 了界面各个功能的设计步骤和方法。 第五章，介绍了系统的抗干扰措施，重点讨论了系统的优化方案。 第六章，首先介绍了对系统测试的方法和结果，然后对论文的工作做了总结，最后对系统的扩展及 今后的研究方向做了展望。 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 第二章第二章 下位机系统硬件设计下位机系统硬件设计 2-1 基本功能的设计2-1 基本功能的设计 下位机的硬件设计，首先要明确设计要求，根据其担负的功能要求，进行硬件芯片、组织结构的选 择和设计。采暖建筑节能检验标准中规定，对室内墙体温度的测量，需要在待测建筑的顶层、中间 层和底层的代表性房间，每层至少选择三个点进行持续 168 小时以上的测量 8。因此下位机需要对房间 内的多个位置进行长时间，有间隙的温度测量。其承担的功能如下： 1. 数据多点采集功能：每个传感器都需要引出 10 米，以测量房间内不同位置的墙体温度。 2. 定时采集和数据审核功能：系统每小时，将发送一次数据。数据在发送前要经过数据审核处理， 如果未通过，则重新进行测量。在非发送数据期间，gprs 模块处于休眠状态，并且随时可以激活。 3. 显示、键盘等功能：用于显示系统的工作状态以及采集到的温度数据。 4. 与上位机的通信：上位机采用组态王编写，而组态王规定了与单片机的通信协议。因此在下位 机的软件系统设计中，需要严格满足通信协议的要求。 2-22-2 系统的总体结构系统的总体结构 本系统可分为以下几个部分：电源部分，负责了单片机、传感器、以及gprs模块的供电；单片机 部分，包括了周边的电路；gprs模块部分。系统的整体设计框框图如图2.1所示。 单片机 模块 传感器 模块 gprs 模块 电源模块 外围电路 图 2.1 下位机结构图 fig 2.1 structure of the lower-end computer 该控制系统以微处理器为核心控制单元，根据任务需要，合理选择微处理器、温度传感器、gprs 模块和外围设备来构成系统。为使硬件设计尽可能合理，系统的电路设计遵循了以下几个方面： 1. 选择标准化、模块化的典型电路，提高设计的成功率和结构的灵活性。 2. 选用功能强、集成度高的电路或芯片。 3. 选择通用性强、市场货源充足的元器件。 4. 在对硬件系统总体结构考虑时，考虑通用性的问题。对于一个较复杂的系统，采用模块化的设 6 河北工业大学硕士学位论文 7 计方式，即对中枢控制单元、输入接口、输出接口、人机接口等部分进行分块设计，然后将其组合成一 个完整的系统。在这种情况下选用现成的模块板作为系统的一部分，尽管成本有些偏高，但会大大缩短 研制周期，提高工作效率。 5. 系统的扩展及各功能模块的设计在满足应用系统功能要求的基础上，适当留有余地，以备将来 修改、扩展之需。 6. 在电路设计时，充分考虑应用系统各部分的驱动能力。不同的电路有不同的驱动能力，对后级 系统的输入阻抗要求也不一样。如果阻抗匹配不当，系统驱动能力不够，将导致系统工作不可靠甚至无 法正常工作。 2-3 芯片的选择 2-3 芯片的选择 2-3-1 控制芯片的选择 控制芯片的选择 mcs-51 系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户。 目前， 国内市场上， intel公司生产的mcs-51 系列单片机已少见，代之以其它公司生产的mcs-51 系列兼容单片机。这些公司主要有phillips，dallas， siemens，amd，ateml，nec等，其中以ateml，phillips，dallas，winbond，yhundai，adi等公司 占有市场份额最大。每个公司都在原来mcs-51 内核基础上，加入了本公司的特有技术，如拥有很大用 户群的ateml公司生产的mcs-51 系列兼容单片机at89 系列单片机，就在原来mcs-51 内核基础上 加入了该公司的flash存储器技术 9。在ateml公司的系列产品中，常用的at89c系列单片机已经停产， 因此at89s系列单片机的价格比at89c系列单片机低，而且at89s系列单片机相对于at89c系列单片机 新增不少功能，性能有了较大提升。最终确定采用at89s51/52 10单片机作为处理芯片。相对at89c系列 单片机，at89s系列新增加以下功能： 1. isp 在线编程功能，这个功能的优势在于，改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境 中剥离，是一个强大易用的功能； 2. 最高工作频率为 33mhz，高于 89c 系列的极限工作频率是 24mhz，具有更快的计算速度； 3. 具有双工 uart 串行通道； 4. 内部集成看门狗计时器，不像 at89c 系列单片机，需外接看门狗计时器单元电路； 5. 双数据指示器； 6. 电源关闭标识； 7. 全新的加密算法，使得对 89c 系列单片机的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就 可以有效的保护知识产权不被侵犯； 8. 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部子系列产品，例如 8051、89c51 等。 其中isp在线编程功能给单片机的开发带来了相当的便利，只需要下载线及相应的下载软件即可实 现pc机对单片机进行写入、擦除等操作，省去了c51 开发中必需的仿真器、烧写器等设备。考虑到控 制器的程序内容及空间大小，处理器选用具有 8k rom及 256 字节ram的at89s52 单片机 11。 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 8 2-3-2 传感器芯片的选择 传感器芯片的选择 常用的数字温度传感器有 ad7416、max6575l/h、ds18b20 等。 1. ad7416 是美国模拟器件公司出品的单片式数字温度传感器， 工作电压 2.7v5.5v， 测温范围-55 到+125，采用iic串行总线和数据传输协议来实现同与外设的数据通信。在通讯过程中，ad7416 通过数据输入/输出线sda以及时钟信号线scl与总线相连，它内部包含有带隙温度传感器和 10 位模数 转换器，可将感应温度转换为 0.25量化间隔的数字信号，并可以与用户设置的温度点进行比较。最多 可允许 8 片ad7416 挂接在同一个串行总线上。该温度传感器可广泛应用于环境温度监测、工业过程控 制、电池充电以及个人计算机等数据采集系统 12。 2. max6575l/h是maxim公司设计生产的温度传感器，它采用单线数字接口，只用一条信号，控 制线和微处理器通信，它能将温度数据直接传给微处理器，并最多将 8 片max6575l/h挂在一条i/o线 上。测量温度时，微处理器短暂的拉低i/o线启动转换，经过一定延时后，第一片max6575l/h拉低i/o 线，这个延时与绝对温度成正比，比例常数可以通过tso和tsi引脚设定，根据选择的延时系数不同， 使得 8 片芯片的延时时间不重叠，这样 8 片max6575l/h就安装在系统周围不同的位置，通过一条i/o 线连接到微处理器 13。 3. dallas半导体公司生产的ds18b20 型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能 温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它 具有体积小，接口方便，采用 1-wire总线方式通讯，传输距离远等特点。每一个ds18b20 均有一个唯 一 64 位的序号，它是传感器的地址序列号，在出厂前被光刻好，因此多个ds18b20 可以挂接在同一根 总线上进行多路测量 14。 对比以上三种数字温度传感器，ad7416、max6575l/h 的功能扩展比较困难，ds18b20 的软硬件 都比较简单，用一根线即可实现串行通讯，实际应用中不需要任何外部元器件即可实现测温，其经济、 实用且性能优于其它器件的产品，所以设计选用该芯片作为温度采集元件。 2-3-3 gprs 模块的选择 模块的选择 在gprs模块选择上， 要综合功能和成本两方面因素进行考虑。 目前， 市场上知名国外品牌的gprs 通信模块如 motorola 公司的 gzo，siemens 公司的 mc39i 及 sim100 等，拥有较大的市场份额。而国 内的很多公司，也推出了自己的 gprs 产品，例如如桑容电子的 saro3150ep、致远电子的 zwg-23dp 等等。 比较而言， 国外的品牌在做工上比较考究， 性能也比较可靠。 而国内的品牌则在功能上比较齐全， 性价比高，而且在服务方面也有一定的优势。 很多品牌将串口引出，使用方便，集成度高。但是为了使系统更加小巧紧凑，选择使用 gprs 嵌入 式模块。gprs 模块在使用前要经过配置才能够使用，配置参数，要根据数据中心的网络环境而定。gprs 模块的配置有多种方式，在上位机和下位机都可以实现，具体的配置方案在第三章进行介绍。 经慎重考虑，本课题采用的是国内品牌，致远电子有限公司的 zwg-23dp 嵌入式模块。其具体特 性将在后面章节详细介绍。 2-3-4 显示芯片的选择 显示芯片的选择 显示芯片的种类非常多，一般可分为英文显示和中文显示，根据显示的内容多少，划分档次。一般 河北工业大学硕士学位论文 9 来说，显示芯片的选择主要围绕着系统的功能要求来考虑。在本课题中，从成本控制和实用角度出发， 在下位机设计显示模块并非必要， 因为下位机的用途就是采集数据并将数据传给上位机， 无需现场显示。 况且已经在上位机设计了友好的画面显示功能，能够将数据按照时间顺序，制作设计报表进行显示。因 此在下位机的显示部分， 不需要追求显示功能的强大和完整， 只需要显示工作状态以及测温的数据即可。 在下位机部分制作显示模块，功能上有所重复，增加了成本。但是从普通用户的角度出发，加入 lcd 显示，可以使产品更加友好易用。最终系统选择了 lcd1602 作为显示芯片，显示下位机部分的工作状态 和采集到的数据。 2-4 系统硬件设计 2-4 系统硬件设计 2-4-1 传感器模块设计 传感器模块设计 1. ds18b20 简介 ds18b20 芯片引脚说明：ds18b20 采用 3 脚pr-35 封装或 8 脚soic封装，dq为数据输入/输出端， 它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平，vdd是可供选用的外部+5v电源，不用时需 接地，gnd为地，nc为空脚 15。 ds18b20 性能特点 16： (1) 采用单总线专用技术， 只要求一个端口即可实现通信， 可连接到单片机的串行口线或者其它 i/o 口线，无需经过其它变换电路，直接输出数字温度值； (2) 测温范围为-55+125，最高测量分辨率为 0.0625； (3) 内含 64 位的只读存储器 rom，刻有 ds18b20 唯一识别序列号； (4) 适配各种单片机或系统机； (5) 用户可分别设定各路温度的上、下限值。 单总线技术就是在一条总线上仅有一个主系统和若干个从系统组成的应用系统。 由于总线上的所有 器件都通过一条信号线传输信息，总线上的每个器件在不同的时间段驱动总线，这相当于把数据总线、 地址总线和控制总线合在一起， 所以整个系统要按单总线协议规定的时序进行工作。 为了使其它设备也 能使用这条总线， 单总线协议采用了一个三态门， 使得每一个设备在不传送数据时空出该数据线让给其 它设备，外部需要一个上拉电阻，所以在总线空闲时是高电平 17。挂在单总线上的器件称为单总线器 件，为了区分总线上的不同器件，生产单总线器件时，厂家都刻录了一个 64 位的二进制rom代码作为 芯片的唯一序列号。这样通过寻址就可以把每个器件识别出来。64 位rom的结构如下：开始 8 位是产 品类型的编号(ds18b20 为 10h)， 接着是每个器件的唯一的序号， 共有 48 位， 最后 8 位是前 56 位的crc 校验码，这也是多个ds1820 可以采用单线进行通信的原因。 ds182o 的内部框图如图 2.2 所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64 位激光 rom 单线接口、 存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8 位循环冗 余校验码发生器等 7 部分。 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 存储器与控制逻辑 温度传感器器 上限寄存器 下限寄存器 暂存寄存器 64 位光刻 rom 及环 线接口 供电力 式检测 i/o vdd gnd 8 位 crc 发生器 图 2.2 ds18b20 的内部框图 fig 2.2 the inner structure of the ds18b20 2. 测温原理与连接方式 ds18b20 测量温度时使用特有的温度测量技术， 其测量电路框图如图 2.3 所示。 内部计数器对一个 受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振 荡器的脉冲无法通过门电路。如计数器设置为-55时，在计数器到达零之前，门电路未关闭，则温度 寄存器的值将增加，这表示当前温度高于-55，同时，计数器复位在当前温度值上，电路对振荡器的 温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到归零，如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。温度表 示值为 9-12 位可编程，高位为符号位。 图 2.3 ds18b20 的测温原理图 fig 2.3 work principle of the ds18b20 由于ds18b20 的单总线特性，使得总线命令者的一根io口线上可以挂接多个dsl8b20 18-21。其电源 供电方式有两种： (1)外部电源供电 连接方式：gnd 接地，dq 与单片机的 i/o 线相连，而且 dq 口线都要接 4.7k 上拉电阻。如图 2.4 所示： 10 河北工业大学硕士学位论文 图 2.4 ds18b20 外部供电图 fig 2.4 the cricuit of outer power supply （2）寄生电源供电 引脚 vdd、gnd 接地，dq 线接单片机 i/o 口，并使用了一个 mosfet 管和单片机的一个 i/o 口 来完成对 ds182o 总线的上拉，保证在有效的 ds18b20 时钟周期内，能够提供足够的电流。见图 2.5 所示： 11 mosfet q1 vcc 4.7k r1 100 r2 vdd dq gnd ds18b20 vdd dq gnd ds18b20 vdd dq gnd ds18b20 p1.0 1 p1.1 2 at89s52 图 2.5 ds18b20 寄生供电路图 fig 2.5 the circuit of parasitical power supply 尽管寄生供电方式的硬件连接更加简单，在远距离测温时，无需本地电源。但是本课题仍然选择了 外部电源方式。因为在进行软件编程时，需要使用 rom 操作命令“skip rom” ，即跳过 rom 匹配， 直接进行测温后再依次读入温度数据。 此命令要求使用外部电源的供电方式。 其具体的连接电路可见附 录 a。 2-4-2 gprs 模块的设计 模块的设计 1. zwg-23dp 模块介绍 zwg-23dp gprs 模块是广州致远电子出品的一款嵌入式模块。如图 2.6 所示，它具有小巧的体积 和灵活的应用方式，可以方便地嵌入到用户的设备中，使设备具有 gprs 无线通信功能。该模块同时提 供配置串口和通信串口，使用便捷。zwg-23dp 借助 gprs 网络运营商（即中国移动通信公司）现有 的无线网络实现数据传输，因此覆盖区域极大，可以说只要能使用移动电话，该模块就可以使用。其内 部结构如图 2.7 所示。 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 图 2.6 zwg23-dp 实物图 fig 2.6 the picture of zwg23-dp 图 2.7 zwg-23dp 结构框图 fig 2.7 the configuration of zwg-23dp zwg-23dp 的主要特性是： (1) 支持数据的透明传输； (2) 支持备用数据中心； (3) ip 访问以及动态域名访问； (4) 支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式； (5) 具有断线自动重连的功能； (6) 支持短信和电话唤醒功能； (7) 及短信配置与维护功能； (8) 支持本地和远程图形化界面配置和维护； (9) 支持数据中心虚拟串口功能； (10) 拥有多重软硬件设计，复合式看门狗技术； (11) 适应高温和低温工作环境，温度范围：-25+75； (12) 功耗控制，尤其是在休眠与掉电模式下，功耗极低。 其具体特性见表 2.1 所示： 12 河北工业大学硕士学位论文 表 2.1 zwg-23dp 工作参数 table 2.1 the parameters of zwg-23dp 参数名称 参数 备注 gprs 移动站类型 class b 网络类型 gprs 多时隙类型 class a 频段 900/1800/1900mhz 下行： 最大：85.6kbps gprs 网络 传输速率 上行： 最大：42.8kbps 编码方式 cs-1, cs-2, cs-3, cs-4 sim 卡电压 3v、1.8v 天线接口 50/sma（母头） 串口电平类型 ttl 电平 串口波特率 300115200bps 支持标准波特率 工作：最大 300ma 待机：30ma 休眠：10ma 功耗 掉电：1ma 工作温度 -25+75 存储温度 -40-+80 湿度范围 095% 非冷凝 与常见的 gprs 产品不同，zwg-23dp 是嵌入式模块，可以方便地嵌入用户设计的电路板上。它 的的引脚并不复杂，其分别见图 2.8，引脚功能见表 2.2 所示。 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 vbat vdd gnd txd_a rxd_a nc nc nc nc nc nc nc nc sim_rst_p sim_prsns 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 vbat vdd gnd txd_b rxd_b nc nc nc nc nc nc nc sim_clk_p sim_io_p vsim 1 2 3 4 5 gnd gnd nc gnd gnd 1 2 3 4 5 agnd spk+ spk mic+ mic- j2j3j5 j4 图 2.8 zwg-23dp 接口图 fig 2.8 the interface of zwg-23dp 基于 gprs 的分布式远程无线监测系统的研究与设计 14 表 2.2 zwg-23dp 引脚说明列表 table 2.2 description of zwg-23dp pins 管脚名称 方向 说明 备注 vbat gprs模块供电引脚 （3.8v4.5v） vdd cpu供电引脚（3.8v7v） 电源接口 gnd 数字地 txd_a out 串口a发送 rxd_a in 串口a接收 通信口 txd_b out 串口b发送 串行数据接口 rxd_b in 串口b接收 配置口 sim_rst_p out 复位 sim_clk_p out 时钟 sim_io_p in/out io数据 sim_prsns in sim卡插入检测 外接sim卡接口 vsim in sim供电 不使用sim卡插座 时， 可将外接插座连 接这些管脚， 以便将 sim卡接口引到用 户地板或机箱接口 处 net out 网络指示 link out 上线指示，低电平有效 full out 缓冲区满表示，低电平有效 信号指示线 ack out 数据收发指示 当需要外接指示灯 时， 直接接led上拉 到3.3v，否则可悬 空， 也可做信号指示 线 uart_ctr in 通信口和配置口切换控制引脚 低电平有效 控制信号线 rst_ctr in 复位控制引脚 低电平有效 （二）与控制器的连接 本课题中，zwg-23dp 使用只使用了串口 a，与单片机串行相连。并且引出信号指示线，连接数 码管显示状态。控制器根据 link 引脚的状况，判断 gprs 模块的链接状态，并在液晶模块显示。 连 接电路图见附录 a。 2-4-3 单片机及周边电路 单片机及周边电路 1. at89s52 基本介绍 at89s52 是美国atmel公司生产的低电压， 高性能cmoss位单片机， 有 3 种不同的封装。 即pdip、 河北工业大学硕士学位论文 tqfp、plcc，其中pdip（双列直插式）比较常见，其有效引脚为 40 条 22。片内含 8k bytes的在线可 擦写程序存储器(flash)和 256 bytes的随机存取数据存储器