毕业设计（论文）-基于GSM网络的环境状态远程监控系统.doc

兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计毕业设计（ （论论文）文） 题题目目 基于基于 gsm 网网络络的的环环境状境状 态远态远程程监监控系控系统统 系系 别别 电电子信息工程子信息工程 专专 业业 通信技通信技术术 班班 级级 通信通信 08 班班 姓姓 名名 学学 号号 134 指指导导教教师师（ （职职称）称） 日日 期期 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 摘 要 该系统借助移动通信网络、internet 和无线传感网的互联，以粮仓内的监测点为网 络的基本传感节点，节点间采用无线高频通信模块进行数据的传输，通过节点间数据转 发实现所有粮仓环境状态数据的节点汇总，利用无线传感网络将终端节点采集到的数据， 由 gsm 网络转发到手机终端，以实现远程粮仓环境监测预警的功能和任意用户对环境的 检测及控制。本系统具有无人值守、低成本、实时性和便捷性，为我国粮仓环境监测预 警提供了一种解决方案。 关键词：关键词：无线传感网；粮仓环境状态；移动通信网络；gsm ； 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 abstract the system employs mobile communication network, internet and wireless sensor network interconnection of monitoring stations，granary inside node for network basic sensor node, which each nodes adopt wireless high-frequency communication module, in order to implement all ganary environment conditions of data nodes togther through which the nodes data transmission , implying wireless sensor networks will end nodes collected data forwarding to mobile terminal by gsm network, so it realizes remote granary environment monitoring and warning functions and any user can attain the environment of inspection and control. this system has the unattended, low cost, real-time and convenience, environmental monitoring and warning for our country granary provides a solution. keywords:wireless sensor network, granary environment condition, the mobile communication network,gsm 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 i 目录目录 第第 1 1 章章 系统应用前景分析系统应用前景分析 1 第第 2 2 章章 无线传感网络的数据传输原理及应用无线传感网络的数据传输原理及应用 1 2.1 数据传输原理.1 2.2 无线传感网络应用.3 2.2.1 军事领域.4 2.2.2 环境监测.4 2.2.3 智能家居.4 2.2.4 医疗护理.4 2.2.5 其它应用.4 第第 3 3 章章 gsmgsm 功能指标功能指标 .5 3.1 gsm 模块简介5 3.2 gsm 模块控制原理5 3.2.1 at 指令概述.5 3.2.2 gsm 模块开发实例.5 3.3 gsm 模块实现功能7 3.3.1 拨打电话7 3.3.2 在 text 模式发送短信7 3.3.3 在 pdu 模式发送短信7 3.4 nf2401 简介8 3.5 温度传感模块（ds18b20）.10 3.5.1 技术性能10 3.5.2 ds18b20 的工作原理.10 3.6 湿度传感器.11 第第 4 4 章章 dtmfdtmf 电路特性及拨号器功能电路特性及拨号器功能 .13 4.1 dtmf 收发模块13 4.1.1 模块概述13 4.1.2 模块简介13 4.2 控制模块.14 4.3 被控模块.14 4.4 系统软件设计.14 第第 5 5 章章 按键及液晶显示及系统测试按键及液晶显示及系统测试 17 5.1 液晶显示产品简介.17 5.2 测试设备.17 5.3 节点组网测试.17 5.4 结果分析.19 5.5 实现功能.20 结结 论论 21 总总 结结 22 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 ii 致致 谢谢 23 参考文献参考文献 24 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 1 第第 1 1 章章 系统应用前景分析系统应用前景分析 我国作为一个农业和人口大国，每年都要生产并储存大量的粮食。因此，粮食的安 全储存是一件关系到人民生活质量和国民经济发展的大事，如果储存不当将会造成大量 粮食的浪费，给国家和人民造成巨大的经济损失。 本系统采用无线传感器网络(wireless sensor network, wsn)对粮仓各点的温度、湿度、 光照等进行数据采集，采用 gsm 网络通信模块和 stc89c52 单片机完成对数据的实时处 理，实现了基于移动通信网络对粮仓环境状态进行远程、集中、多点、实时监测及实现 拨叫电话号码显示。无线传感器网络满足 ieee 802.15.4 的无线传输标准，具有低复杂度、 低速率、低功耗、低成本的特点，与其他无线网络相比，无线传感器网络传输数据的可 靠性较好，组网简易灵活，便于维护。远程监测中心可根据各种粮食的保存指标要求， 分别对各种粮情数据设置相应的报警阈值，当采集到的粮情数据信息超标时，监测系统 给予相应的报警提示。管理人员通过监测界面随时了解粮仓的粮情信息或通过 internet 浏 览器访问网关节点，便可方便地获得现场数据和历史数据，管理员可通过浏览器增删账 号、修改设置粮仓信息和服务器的相关参数，从而准确、有效地监测灾情情况，以便及 时地做出相关决策，该系统可广泛运用于其它应用场合。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 2 第第 2 2 章章 无线传感网络的数据传输原理及应用无线传感网络的数据传输原理及应用 2.12.1 数据传输原理数据传输原理 该系统研究一种基于 gsm 网络的粮仓环境状态远程监控系统，本系统采用先进技术 的集成化设计方案，以粮仓内的监测点为网络的基本传感节点，以无线通信模块为多个 节点间数据汇集和传输的方式。通过节点间数据转发以及多跳方式实现所有粮仓环境状 态数据的节点汇总、最后依托 gprs 网络完成数据的服务器上传或以短信方式发送给访问 手机，并且完成控制室的监控、报警等任务。无线传感节点完成粮仓中多点状态数据的 采集，主要包括湿度、温度、光照、异常侵入等状态参数；gprs 模块主要完成主节点数 据的远程传输，系统主节点可以工作在主动和被动两种方式，当环境状况出现异常状态 时，则可主动向最高级别用户手机发送短信；系统立刻将环境各种状态参数以短信的方 式发送给拨叫主机，并在监控主节点系统显示来电号码；当监控人员发现有异常状况时， 也可通过主控节点的按键 1 主动向主负责人发送短信；有异常情况时也可自动发送报警 短信；主控节点监控人员通过按键 2 实现各节点数据的查询；当有用户呼叫监控系统手 机号码时，则可将当前系统所采集的环境参数以短信方式发送给呼叫手机。同时，为提 高系统的预警功能，将采用语音报警、邮件提示、web 页面、手机短信等多元化的方式， 并对报警事件进行数据库统计，从而方便进行历史数据管理；另一种方式是将采集到的 数据由 gprs 模块通过无线基站和 internet 网络将数据传送至监控主机，监控主机负责 数据存储和对数据的进一步处理。监控中心接收无线传感网络采集的数据，实时显示并 存储在数据库里面，形成对粮仓环境状况的长期记录，在此基础上监控中心可对粮仓环境存在的隐 患进行动态分析。当终端节点采集的数据达到某个设定的阈值时，由无线传感网通过移动通信网和 internet及时发送粮仓环境参量信息到手机和监控主机，实现实时远程监控的功能，同时服务器中 的数据库还支持数据的有条件查询、增加或删除记录等管理功能。最终实现了粮仓环境的 科学化、自动化监测，一旦发现灾情，通知粮库管理人员采取相应措施来确保粮食存储 安全。 以 nrf2401（采用抗干扰能力较强的 gfsk 调制/解调方式）模块实现多节点数据的近 距离无线传输、以 gprs 实现主节点无线数据的远程传输、以 stc89c52 单片机作为 mcu 实现对整个系统的控制和数据处理。在状态数据的采集方式上，采用数字集成芯片 lm75a 和 dht11 完成实时温度和湿度的监测、采用超声波传感器完成非法侵入状态的监测、采 用光敏电阻完好光照信息的采集。同时，在监测方式上，若将采集的温度、湿度、光照、 侵入状态等数据送入单片机与预先设置的超限阈值相比较，便可完成系统的主动报警等 功能；如果用户主动呼叫监控中心手机号码，便可实现环境状态数据的手机短信、web 页 面等方式的上传。 本系统由无线传感网络、移动通信网和 internet 构成，其中无线传感网由中心节点、 路由节点和终端节点组成，终端节点通过多跳的方式与路由节点连接通信，中心节点通 过 gsm 网络与远程监控终端通信。该过程将传感无线通信技术应用于环境监测预警领域， 通过无线射频芯片 nrf2401 与 gprs 模块相结合的方法，使得每个网络节点采集的数据可 以实时传送。 无线传感网络的数据采集由一个本地主节点（如图 2-1）和多个其它传感节点组成 （如图 2-2）： 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 3 图 2-1 本地数据传输 图 2-2 其他节点数据传输 2.22.2 无线传感网络应用无线传感网络应用 无线传感网络（(wireless sensor networks，wsn)）即是由大量传感器节点通过无线 通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，它能够实现数据的采集量化、处理融合和 传输。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素，无线传感网络综合了 微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进 技术。它能够协同地实时检测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的信息 并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观 察者。具体来讲，wsn 兼具有感测、运算与网络的能力，通过传感器来侦察周围环境的温 度、湿度、光照、气体浓度等，并有无线传感网络传送给监控着。 无线传感网络具有无需固定设备支撑的特点，可以快速部署同时具有易于组网、不 受有限网络的约束，使其适合应用于难以使用传统有限通信机制的恶劣环境，比如一些 stc89c52 (mcu) rf2401 gsm 网络 dtmf 双 音多频 湿度传感器 温度传感器 烟感传感器 光照传感器 stc89c52 (mcu) rf2401 湿度传感器 温度传感器 烟感传感器 光照传感器 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 4 危险的工业环境如煤矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施实时、高效的安全检测； 同时无线传感器可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏，因此可以被应用 于水资源、大气等环境监测；随着无线终端设备的广泛使用，无线传感网络利用无线通 信技术高效的进行异构传感网络互连，数据处理和融合，可被广泛的应用于军事、环境 监测和预报、监控护理、智能家具、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间 探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。下面就几个主 要的应用方面进行说明： 2.2.12.2.1 军事领域军事领域 因为传感网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力 使其不会因为某些节点在恶魔攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃。美国国防部远景计 划研究局已投机几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研究。在军事应 用中，于独立的卫星和地面雷达系统相比，传感网络具有高信噪比、强抗毁性和高容错 力等优点。 2.2.22.2.2 环境监测环境监测 随着人们对环境的日益关注，环境科学虽、所涉及的范围越广泛。通过传统的方式 采集原始数据是一件很困难的工作，无线传感器网络为野味随机性的数据获取提供了方 便。比如，跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和 土壤的成分等。alert 系统中就有数中传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，并依 此预测爆发山洪的可能性。类似地，无线传感网络对森林火灾准确、及时地预报也应该 由帮助的。此外，无线传感器网络也可以应用在精细农业中，以检测农作物中的害虫、 土壤的酸碱度和施肥状态等。 2.2.32.2.3 智能家居智能家居 家居无线监控问题是当今国际建筑智能化领域的前沿性研究课题。无线传感网络的出 现克服了家庭中布线的烦琐，充分体现了智能家居系统的灵活、方便和高效。利用无线 传感网络的远程监控系统可完成对家电的远程遥控，可以在到家前就打开空调，开门就 可以享受是适宜的室温，也可以遥控电饭锅、微波炉、电冰箱、电话机、电视机、录像 机、电脑等家电，按照自己的意愿完成相应的煮饭、烧菜、查收电话留言、选择录制电 视和电台节目以及下载网上资料到电脑中等工作，另外，整个家居监控系统还能够对三 表（水表、电表、燃气表）进行无线抄表，最重要的是它可检测来自家庭安防传感器 （火警、煤气泄漏）的数据，以备物业等部门监控。 2.2.42.2.4 医疗护理医疗护理 无线传感网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用 无线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘来测量居住着的和重要征兆（血、压、 脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天 24 小时的活动状况。英特尔公司也推出无线传感网络 的家庭护理技术。该系统利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便 的接受护理。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 5 2.2.52.2.5 其它应用其它应用 在煤矿应用中，将围绕在煤矿环境中特定条件，结合无线传感网络在井下应用的特 征，研究基于无线传感网络技术的低成本、分布式煤矿安全检测网络系统关键技术。该 系统具有自组织、多跳式通信组网功能和在布网中的高度灵活性，可望解决井下无线通 信距离有限这一瓶颈。同时，在核电厂、长距离的输送管线和工业流水生产线等场合也 需要到类似的监测网络。相信随着无线传感网络技术的进一步深入发展，它也会得到越 来越广泛的应用。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 6 第第 3 3 章章 gsmgsm 功能指标功能指标 3.13.1 gsmgsm 模块简介模块简介 pt23 是一款定位尺寸和硬件接口跟 benq 的 m22，m23 系列模块兼容的 gsm/gprs 模块。硬件布局设计上，采用 3 个独立屏蔽罩，分别屏蔽基带，射频功放， 射频收发器，有效保证模块射频指标优良，性能稳定。模块采用 44pin b-to-b 连接器， 跟客户的主板连接，拆装方便。模块的固定采用 2 个螺钉紧紧地跟主板绑定在一起，非 常牢固可靠。 pt23 内嵌 tcp/ip 协议和彩信 mms 协议，支持数据透明传输，使无线终端于服务器 之间的数据传输变得极其简单，可以通过 mms 通道发送图片。 3.23.2 gsmgsm 模块控制原理模块控制原理 3.2.13.2.1 atat 指令概述指令概述 因为 at 命令是作为一个接口标准，所以它的命令和返回值和格式都是固定的，总体 上说 at 命令有四种形式： 1.无参数命令，它是一种单纯的命令，格式是，如开机、显示当前设置列表等： at+on、atin-：运放输入； gs：gain select，运放输出端。用于输入信号的增益高速； vref：参考电压； vss：电源负极； osc1：dtmf 时钟/振荡器输入,采用 3.579 545 mhz 的时钟； osc2：时钟输出； r/w：读写控制； cs：片选； rs0：寄存器选择； mt8880_wc(0); mt8880_wc(0); mt8880_wc(8); mt8880_wc(0); mt8880_rs(); 发送和接收数据时，先要进行摘机动作。也就是对电话线进行降压、分流，如下图 4-3 所示： 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 18 图 4-3 双音多频（dtmf）连接图 mt8880 是一个完整的 dtmf 收发器。它集接收器与发送器为一体，并具有与微处 理器接口的数据总线和控制总线特性，可以方便地与 motorola、intel 等系列的单 片机想连，构成完整的受发通信。 利用 stc89c52 单片机的双向 i/o 口与 mt8880 直接相连，利用其丰富的位操作指令 模拟 mt8880 的时序，从而实现对 mt8880 的读、写操作控制。采用这种方法最多占用 9 条 i/o 线（若工作在中断方式），至少还有 6 条 i/o 线可选用，例如可以扩展串行 eeprom、键盘、显示等。其最大优点 l 成本低、体积小、电路连接简单、程序保密性 高等。其通信部分的硬件电路如图 1 所示。图中 mt8880 的数据线 d0-d3 与 stc89c52 的 p1.0p1.3 相对应，读、写线（wr*）、片选线（cs*）、寄存器输入选择线（rsi） 和时钟线（cp）分别对应 stc89c52 的 p1.7p1.4，中断线（irq*）接 stc89c52 的外 部中断 0（p3.2）。 接口电路如图 4-4 所示： 图 4-4 mt8880 与单片机接口电路 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 19 第第 5 5 章章 按键及液晶显示按键及液晶显示及系统测试及系统测试 5.15.1 液晶显示产品简介液晶显示产品简介 lcm12864zk 中文液晶显示模块的液晶屏幕为 128*64，可显示四行，每行可显示 8 个汉字。 中文液晶显模块 lcmxxzk 上网字型内含 8192 个 16*16 点中文字型和 128 个 16*8 半宽的字母符号字型；另外绘图显示画面提供一个 64*256 点的绘图区域 gdram；而且 内含 cgram 提供 4 组软件可编程的 16*16 点阵字功能。电源操作范围宽（2.7v to 5.5v） ，低功耗设计可满足产品的省电要求；同时与单片机等微控器的接口界面灵活（三 种模式：并行 8 位/4 位，串行 3 线/2 线） 。 中文液晶显模块可实现汉字、asc、点阵图形的同屏显示；广泛用于各种仪器仪表、 家用电器和信息产品上作为显示器件，并它具有上/下/左/右移动当前显示屏幕的命令， 具有光标显示/闪烁控制命令及关闭命令，预留多种控制线（复位/串行选择/亮度调整） 供用户灵活使用。 5.25.2 测试设备测试设备 1数据线与模块：rs-232 串口线（9 针，用于 gprs 模块与 pc 机/中心节点连接） ， wsn 节点（3 个以上） 。 2gprs 模块（一个） 。 3移动终端：支持 gprs 功能的手机一部。 5.35.3 节点组网测试节点组网测试 数码管显示：数码管显示： 当压下键 1 时在数码管上显示所拨打电话号码的后四位数字和当地传感节点的温度 （如图 5-1 所示） ，键 2 是切换数码管显示，显示当地和另一节点的温度和光照（1 代表 当地节点有光照，0 代表当地节点无光照，小数点代表另一节点无光照） （如图 5-2 所示） 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 20 图 5-1 来电号码和温度显示 图 5-2 各个节点温度与光照显示 手机结果显示：手机结果显示： 当有用户呼叫或者压下按键 1 时 gprs 自动发送短信至手机终端显示两个节点的温 度与光照等信息，压下键 2 切换数码管显示（如图 5-3 所示） 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 21 图 5-3 手机结果显示 组网测试：组网测试： 图 5-4 组网拓扑图 图 5-4 中由两个传感节点和一个中心节点构成一个树型结构的网络，用串口线将 gprs 与中心节点连接。 5.45.4 结果分析结果分析 测试数据：测试数据： 通过发送至手机上的短信数据与温度计测量的数据比对，表明系统性能稳定，测量 结果准确，结果如下所示： 表一 测试数据 1 地址 温度计测量数值手机短信数据 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 22 0x169929c（经加温） 29 c（十进制 29c） 有光 0x169a23 c 0x0017 c（十进制 23c） 有光 由表一可知两个传感节点正常工作 表二 测量数据 2 地址 温度计测量数值手机短信数据 0x169923 c 23 c（十进制 23c） 有光 0x169a23c ？c（十进制 22c） 有光 由表二可知节点 2 没有正常工作 表三 测试数据 3 地址 温度计测量数值手机短信数据 0x169923 c 23 c 无光 0x169a23c 22c 有光 5.55.5 实现功能实现功能 1. 通过 wsn 节点组网测试，无线传感网络的各节点组网成功并能正常通信； 2. 通过 gprs 模块测试，表明 gprs 模块通信正常，可实现发送短信和打电话； 3. 通过 wsn 与 gprs 之间的联合调试，实现了无线传感网采集温度、湿度、光照 等 并由 gprs 模块发送数据到手机，实现粮仓环境监测预警的功能； 4. 监测区域各节点数据通过无线传感网络采集并以多跳方式汇集到总节点； 5. 总节点数据通过 gprs 移动通信网络发送到移动终端（手机）或 internet 客户 端； 6. 实现任意手机终端对系统的主动访问，并实时将数据以短信方式发送到呼叫主 机的手机上。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 23 结 论 本设计将无线传感网络、gprs、internet三种网络有效的结合在一起实现了对粮仓环 境的监测和预警，在该系统中三者之间实现了信号互传，也实现了异常情况预警，给出 了一种针对粮仓环境监测的无线传感器网络节点的软硬件设计方案，并给出了硬件的测 试结果。无线传感器网络克服了有线传感器网络的局限性，节点具有低成本、低功耗、 网络容量大等优点。gprs模块由于具有永远在线、自由切换、传输速率高、计费灵活便 宜等优点而有着极为广泛的应用。 粮仓环境远程无线监控系统，由监控中心、无线传输系统，以及无线传感网构成。 无线传感网，一般设置在农业局的管理中心，各终端节点通过无线传输系统，将信息传 输到监控中心和无线网络基站；监控中心通过无线监控系统，不仅可以获得全面的、准 确的、现场实时信息。 该粮仓环境监测预警系统具备的特点：监测范围大，全天候监测，无线传输，电池 供电（方便） ，避雷接地安全可靠，前端设备工作状态中心监测，实时获取信息，灾情预 警，预报分析。通过远程无线监测系统，粮仓管理中心能实时监测室内灾情实况，及时 发现灾情，起到预防灾情的目的；灾情发生时，该系统能将现场信息实时传回指挥中心， 为指挥中心的远程指挥调度提供有力的保障，最大限度地减小灾情造成的损失；该系统 能统计并记录所有的监测区的有关情况，结合收集的数据作出适当的分析。一旦发现灾 情，gprs 系统接收到特定地址编码的节点回传的位置数据，找到灾情位置。同时，启动 后台的短信发布平台第一时间通知粮仓管理相关领导和人员。系统还可以提供灾情隔离 带的位置，以及赶赴现场的时间等重要信息，相关领导可以在监测中心进行远程调度指 挥。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 24 总 结 通过本系统我们可以全方位，实时的对粮仓环境进行监测，实施监测预警，尽可能 减少自然灾害给我们带来的损失。在该系统中各节点上电，完成自检功能后，由中心节 点自动找到工作频率范围内干扰最小的信道，并建立网络；其余节点自动找到中心节点 并申请入网，当中心节点向终端节点发送网络地址，终端节点保存地址并加入网络，当 有节点由于距离干扰不能直接与中心节点通信时，会自动向周围节点广播自身信息，通 过评价周围节点到中心节点的路由信息来决定使用哪个节点作为自身的父节点（增强型 中心节点） ，从而完成入网过程。 本系统的建成，将改善粮仓环境信息的收集、传递和处理手段，缩短数据收集和预 报作业所需的时间，提高灾情信息收集和传递的可靠性，提高灾情信息处理能力。管理 中心通过计算机局域网或广域网与各地分中心监测站之间进行数据传输，每隔一段时间 对各分中心监测站的数据进行收集和综合分析，对环境情况作出动态评估和预测。 2011 届毕业设计论文 基于 gsm 网络的环境状态远程监控系统 25 致 谢 首先，我要对我的指导老师表示由衷的感谢。在这次毕业设计得到了很多老师、同学 们的帮助，其中我的指导老师邓老师对我的关心和支持尤为重要，每次遇到难题，我最 先做的就是向邓老师寻求