（电路与系统专业论文）野外数据采集与远程传输系统设计.pdf

摘要 传统的野外数据采集需要人员到现场采集，采用这种方式一般信息反馈较 慢。在一些地形复杂、气候恶劣或人们不能时刻停留的地方，现场信息采集十分 困难，同时采集人员的生命安全难以得到保障。随着无线通信技术与网络的发展， 越来越多的电子设备安装了无线通讯和网络功能。通用分组无线业务( g p r s ) 技 术将互联网等宽带数据网络与无线通信网络连接在一起，g p r s 的应用范围很广， 可以用于互联网开发、移动性管理以及无线监控等方面。 本文针对g p r s 在野外数据采集与传输系统的应用，通过无线传输的方式解 决了野外数据传输的问题。在远程节点部分用a v r 单片机作为主控芯片。当传感 器采集到相应的数据后传送给a v r 单片机，单片机通过串口控制g p r s 芯片m c 5 5 将数据发送到网络或手机中，在数据中心处建立面向连接( t c p ) 、面向无连接 ( u d p ) 服务器，通过套接字( s o c k e t ) 接收传送的数据，并存入数据库，同时 动态的生成曲线图。 本文在第一章对g p r s 的原理及应用做了介绍，在第二章介绍了本设计中用 到的a v r ( a t m e g a l 6 ) 单片机。在第三章介绍了数据采集部分用到的两个传感器： 数字温湿度传感器( s h t i o ) 和灰尘传感器( d s m 5 0 1 ) 。在第四章详细的描述了远 程节点的软硬件设计及解决方案，在第五章对数据中心的数据接收和处理方法进 行了详细的介绍。最后一章对整个系统的性能进行了测试，并给出结果。 关键词：通用分组无线业务；套接字；面向连接；面向无连接 a b s t r a c t t r a d i t i o n a lm e t h o di nf i e l dd a t ac o l l e c t i o nn e e dp e o p l eg ot ot h ef i e l d ，w h i c h c a u s et h es l o wi n f o r m a t i o nf e e d b a c k i tb e c o m e sh a r d e ri ns o m ep l a c e sw i t hc o m p l e x t e r r a i no rb a dw e a t h e r n o to n l yd a t ac o l l e c t i o ni sv e r yd i f f i c u l t ，b u ta l s ot h es a f e t yo f c o l l e c t i o ns t a f fc a l l h a r d l yb eg u a r a n t e e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n dn e t w o r k ，m o r ea n dm o r ee l e c t r o n i cd e v i c e sa r e e q u i p p e dw i t hw i r e l e s sa n d n e t w o r kf u n c t i o n s g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) t e c h n o l o g yw h i c hc a n l i n kt h ei n t e r a c ta n dw i r e l e s sc o m m t m i c a t i o n sn e t w o r kc a nb e u s e di nm a n ya r e a s ，s u c ha si n t e r n e td e v e l o p m e n t ，m o b i l i t ym a n a g e m e n ta n dw i r e l e s s m o n i t o r i n g t h i sp a p e ra i m st os o l v et h ef i e l dd a t at r a n s m i s s i o np r o b l e m sb yu s i n gg p r s u s e di nf i e l dd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m a v rm i c r o c o n t r o l l c ri sc h o s e n t oc o n t r o lt h er e m o t en o d e a f t e rt h es e n s o r sf i n i s ht h ed a t ac o l l e c t i o n , a v r m i c r o c o n t r o l l e rc o n t r o lt h eg p r sm o d u l e ( m c 5 5 ) t h r o u g ht h es e r i a lp o r tt os e n dt h e d a t at ot h en e t w o r ko rt ot h em o b i l ep h o n e t h ed a t ac e n t e re s t a b l i s h e st c pa n du d p s e r v e r , r e c e i v e st h ed a t at h r o u g ht h es o c k e t ，a n dt h e ns t o r e si nt h ed a t a b a s e d y n a m i c c u r v e s 躺g e n e r a t e di nt h ed a t ac e n t r ea tt h es a m et i m e t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fg p r si si n t r o d u c e di nc h a p t e r1 a v r ( a t m e g a 16 ) m i c r o c o n t r o l l e ri si n 仃o d u c e di nc h a p t e r2 t h eu s a g eo fd i g i t a l t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r ( s h t 10 ) a n dt h ed u s ts e n s o r ( d s m 5 01 ) a r eg i v e ni n c h a p t e r3 t h es o l , r a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fd a t ac o l l e c t i o nn o d ei sd e s c r i b e di n c h a p t e r4 t h em e t h o d sf o rr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gd a t ai nd a t ac e n t e ra r ep r e s e n t e d i nt h ec h a p t e r5 t h ep e r f o r m a n c ea n dt e s tr e s u l t so ft h ee n t i r es y s t e ma r es h o w ni nt h e l a s tc h a p t e r k e yw o r d s ：g p r s ；s o c k e t ；t c p ；u d p i i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得 的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了 明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：二逸生)日期： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东 北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、 汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库 ( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术 信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：二至班= 、 指导教师签名： e t 期：半f 日 期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 引言 论文选题的背景、意义及主要研究内容 随着野外数据采集系统的广泛应用和新技术的发展，野外数据采集系统的功能和结 构有了一定的变化，新的数据采集系统和传统的数据采集系统相比较有以下发展【1 j ： 1 采集对象多元化、复杂化 在采集数量方面，随着接入数据采集系统的设备种类越来越多，数据采集需要处理 的数据量越来越大。在采集数据种类方面，随着数据采集系统的不断发展，目前采集的 数据对象不再局限于传统连续模拟数字量或离散数据等低码率的数据对象，而发展为多 媒体数据采集，包括图像、视频、影音信号的采集等。 2 采集处理的分布化 在采集处理方面，由于目前计算机网络和i n t e r n e t 网络的不断发展，能充分发挥各 个处理单元优势的分布式处理逐渐成为数据采集系统的发展方向。 3 采集过程的自动化 目前采集处理过程的自动化已渗透到数据采集系统的各个部分。采集过程自动化主 要包括数据采集设备“即插即用 ，数据发布的自动化，消息发布机制等。 0 1 论文选题的意义 随着我国社会经济的发展，现代监控技术也越来越多的运用到了生态环境监测中。 它具有向自动化、智能化、网络化、低功耗、小型化方向发展的趋势，采用自动化监控 可以节约大量的人力资源，克服人力测量的效能低，精度不足等缺点【2 】【3 】【4 】。目前用于 监控系统的通信方式也是多种多样，主要有有线通信方式和无线通信方式，由于生态环 境的分散性和广域性，采用有线或者人工的方式进行监控都将花费大量的人力，物力， 因此无线通信技术越来越受到人们的关注。基于g p r s 的无线监控系统就是目前比较流 行的无线监控管理系绀5 】【6 】。 在野外数据的采集与传输系统中，温度，湿度，空气质量都是比较重要的监控指标， 例如野生动植物自然保护区中温湿度及粉尘含量的监测等。只有很及时的掌握环境的变 化，才能更好的保护野生动植物。各种生物只有在适宜的温湿度和良好的空气环境中才 能生存，于是对以上数据的采集有极大的现实意义。数据采集后，通过g p r s 网络可以 及时地传输到监控中心，从而实现整个系统实时高效的运行【7 】。 目前国内有一部分企业在从事基于g p r s 的远程数据采集如：深圳市有方科技有限 公司，产品主要应用于g p r s c d m a 网络监控【8 】、电力抄表、电网负荷控制、变压器监 东北9 币范大学硕士学位论文 测、路灯监控、无线视频、交通监管，油井远程通讯、金融终端的无线通讯等，涉及电力、 石油、水利、环保、气象、水务、交通运输、煤矿、金融、市政等许多行业。 远程无线数据采集系统基于g p r s 技术实现远程数据通信，g p r s 业务具有接入迅 速、永远在线、流量计费等特点，在远程突发性数据实时传输中有不可比拟的优势；既 具有有线方式的效率高、实时性好、成本低的优点，同时安装方便、可维护性好、易实 现网络化管理。利用现有的g p r s 网络资源，发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势， 为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式，这具有很高的实际应用价值 【9 】【1 0 】 o 0 26 p r s 无线野外远程数据采集系统特点 由于野外作业点分散，且环境恶劣，数据采集一直是令野外工作人员头疼的事情， 利用g p r s 无线网络可以很好的实现野外数据的自动采集与传输，真正做到无人值守。 g p r s 具有速度快、分布范围广、使用费用低的特点，其传输速度理论上最高可达 1 7 1 2 k b s ，实际平均速度可达3 0 k b s 1 1 】。与有线传输方式相比，采用g p r s 无线通信方 式则显得非常灵活，它具有组网灵活、扩展容易、运行费用低、维护简单、性价比高等 优点【1 2 】【1 3 】【1 4 1 。 中国移动g p r s 系统可提供广域的无线口连接。在移动通信公司的g p r s 业务平 台上构建信息采集传输系统，实现野外数据采集点的无线数据传输据可充分利用现有网 络，缩短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。g p r s 无线 野外作业远程数据采集系统具备如下特点【l 】： 1 可靠性高：g p r s 采用面向连接的t c p 协议通信，避免了数据包丢失的现象， 保证数据可靠传输。服务中心可以与多个监测点同时进行数据传输，互不干扰【1 6 1 。 2 实时性强：g p r s 具有实时在线的特性，数据传输延时小，并支持多点同时传输， 因此多个监测点之间快速的进行双向通信，很好的满足系统对数据采集和传输实时性的 要求。目前g p r s 实际数据传输速率在3 0 k b s 左右，完全能满足系统数据传输速率( 1 0 k b s ) 的需求【1 1 1 。 3 监控范围广：有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到 山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候， 将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块建立专用无线数据传输 方式将不受这些限制，通过无线数传模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更 好的、更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。g p r s 网络已经实现全球范围内覆盖 【1 5 】【1 6 1 ，并且接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求【1 7 1 。 4 系统建设成本低：有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需 要大量的人力和物力；而用无线数传电台建立专用无线数据传输方式则无需架设电缆或 挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相 比之下用无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省 的。由于采用g p r s 公网平台，无需建设网络，同时也免去了网络维护费用【1 8 】【1 9 】【2 0 1 。 2 东北师范大学硕士学位论文 5 系统运营成本低：采用g p r s 公网通信，全国范围内均按统一费率计费，省去 昂贵的漫游费用，g p r s 网络可按数据实际通信流量计费，( 1 3 分千字节) ，也可以按 包月不限流量收费，从而实现了系统的低成本通信【2 1 1 。 6 系统的传输容量，扩容性能好：g p r s 技术能很好的满足传输突发性数据的需求， 由于系统采用成熟的t c p i p 通信构架，具备良好的扩展性能，一个监控中心可轻松支 持几千个现场采集点的通信接入【1 6 】。 7 g p r s 传输功耗小，适合野外供电环境：虽然与远在千里的数据中心进行双向通 信，g p r s 数据传输设备在工作时只需与附近的移动基站通信即可，其整体功耗与一台 普通g s m 手机相当，平均功耗仅为2 0 0 毫瓦左右，比传统数据传输电台小的多。因此 g p r s 传输方式非常适合在野外使用太阳能供电或蓄电池供电的场合下使用。 0 3 论文研究的内容 本论文主要采用g p r s 模块实现了野外数据采集与远程传输系统。设计方案以a v r 单片机( a t m e g a l 6 ) 、温湿度传感器、灰尘传感器和g p r s 模块m c 5 5 为基础，在远程节 点实现了对温度、湿度和灰尘的数据采样，通过主控芯片a t m e g a l 6 发送给m c 5 5 ，m c 5 5 则通过g p r s 网络传送到指定i p 地址的数据中心或手机上。数据中心接收到数据后，存 入到a c c e s s 数据库相应的数据表中，并对数据进行处理，形成各项数据随时间的变化 曲线。同时，数据中心可控制m c 5 5 分别以t c p 、u d p 、短信3 种方式发送数据。 3 东北师范大学硕士学位论文 第一章g p r s 简介 g p r s 作为一种无线通讯技术正发挥着重要的作用，g p r s 是通用分组无线业务 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，与g s mc s d 业务不同的是，g p r s 业务以数据 流量计费，而g s mc s d 业务则以时间计费，g p r s 这一计费方式更适应数据通信。此外， g p r s 业务的速度相对于g s mc s d 业务也有很大的提高，g p r s 可提供高达l1 5 k b s 的传 输速率( 最高值为1 7 1 2 k b s ) ，下一代g p r s 业务的速度可以达到3 8 4 k b s 。g p r s 一个 较大的优势是能够充分利用现有的g s m 网，因此可以由运营商在全球范围内推出此项业 务【1 。 g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种属于2 5 g 的移动通信系统。不同于原来g s m 所采用的电路交换数据传送方式，g p r s 采取了分组交换技术，因此在数据业务的承载和 支持上具有非常明显的优判9 1 。 1 1g p r s 的特点： 1 高速数据传输 速度1 0 倍于g s m ，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件【2 2 】【2 3 】【2 4 】。 2 永远在线 建立新的连接几乎无需任何时间( 即无需为每次数据的访问建立呼叫连接) ，因而随 时都可与网络保持联系。 3 仅按数据流量计费 根据传输的数据量( 如：网上下载信息时) 来计费，而不是按上网时间计费也就是说， 只要不进行数据传输，即使一直“在线 ，也无需付费。做个“打电话 的比方，在使 用g s m + w a p 手机上网时，就好比电话接通便开始计费：而使用g p r s + w a p 上网则要合理 得多，就像电话接通并不收费，只有对话时才计算费用。总之，它真正体现了少用少付 费的原则【2 1 1 。 1 2g p r s 网络连接实现 g p r s 模块在进行数据传输之前，必须先连接上目标服务器，目标服务器只需要简单 接入i n t e r n e t ，并具备公网i p 地址即可。同时，因为g p r s 终端本身由网络提供商动态 地分配i p 地址，在未进入连接待机状态时，其本身是不具备i p 地址的。在连接中，模 块的i p 地址为移动骨干网内局域网i p ，无法被公网服务器解析，动态分配的制度使获 取此i p 地址毫无意义。因此在服务器与终端尚未建立连接前，目标服务器难以( 可将短 信转换为命令内容) 对终端设备及控制器进行控制。必须先用控制器对g p r s 模块进行相 东北师范大学硕士学位论文 应初始化，并由g p r s 模块主动向服务器发送数据，建立c s 结构的s o c k e t 方式的 t c p i p 链接。当g p r s 模块( c i l e n t ) 和服务器端( s e r v e r ) 建立连接后，g p r s 模块此 时已具备了在互联网网络上双向传输数据的功能1 q 。 微控制器控制g p r s 模块发送数据的过程如下：先由微控制器申请数据发送，得到 模块的确认后，把数据以透明的方式发给g p r s 模块 1 i l 【1 4 z 5 。模块按照t c p i p 协议 转换，把数据打成i p 数据报。g p r s 通信模块遵循p p p ( p p p ：p o i n tt op o i n tp r o t o c o l ， 点对点协议) ，因而又将i p 数据报按照p p p 帧的帧格式封装成p p p 帧【2 q 。无线通 信模块将数据报通过无线链路传送到s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，服务g p r s 支 持节点) ，s g s n 进行相应的协议转换，按照g p r s 特有的g t p ( g p n st u n n e l l i n gp r o t o c o l ， g p r s 隧道协议) 将其封装成g t p 包，然后通过g p r s 骨干网传送到相应的g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，网关g p r s 支持节点) 。g g s n 也进行相应的协议转换， 再根据外部数据网的协议格式进行新的封装，并且根据其目的地址选择路出进行传送， 从而撮终传送到目标服务器。同样的道理，来自i n t e r n e t 标识有模块地址的 i p 包由g g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到g p r s 模块。 s g s n 和g g s n 在图11 中都属于g p r sn e t w o r k 的部分。s g s n 的主要作用是记录移 动台( g p r s 模块) 的当前位置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发 送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和l a n 等恻。 图11g p r s 数据传输选径 如图1 1 所示，数据终端通过g p r s 模块将数据传送到附近的基站，再由基站将数 据传送至g p r sn e t w o r k 部分，经过协议转换之后传送至i n t e r n e t 上指定i p 地址的服 务器上。 东北师范大学硕士学位论文 第二章a v r 单片机 2 1a v r 单片机简介 a t m e l 公司是世界上著名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟 i c 芯片的半导体制造公司。在微控制器方面，a t m e l 公司有基于8 0 5 1 内核、a v r 内核和 a r m y 内核的三大系列单片机产品【3 。 8 0 5 1 结构的单片机采用复杂指令系统c i s c ( c o m p l e xi n s t r u m e n ts e tc o m p u t e r ) 体 系。由于c i s c 结构存在指令系统不等长、指令数多、c p u 利用效率低和执行速度慢等缺 陷，已不能满足和适应设计中高档电子产品和嵌入式系统应用的需要。a t m e l 公司发挥 其f l a s h 存储器技术的特长，于1 9 9 7 年研发和推出了全新配置、采用精简指令集 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 结构的新型单片机，简称a v r 单片机。 a v r 单片机采用了大型快速存取寄存器组、快速单周期指令系统以及单级流水线等 先进技术，使得a v r 单片机具有高达i m i p s m h z 的高速运行处理能力。a v r 单片机内嵌 高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持i s p 和l a p ，便于产品的调试、开发、生 产、更新。内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的 r a m 不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并 可像m c s - 51 单片机那样扩展外部r a m 3 2 j 。 a v r 单片机的i o 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入输出、可设定( 初 始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使得i o 口资源灵活、功 能强大、可充分利用。 a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u r a t 、1 2 c 、s p i 使用。其中与 8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种档 次的定时时间。a v r 单片机独有的“以定时器计数器( 单) 双向计数形成三角波，再与 输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法( 即 脉宽调制输出p w m ) 更是令人耳目一新。 增强型的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接 收缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性， 方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大 超过m c s 一5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波 特率通讯。 6 东北师范大学硕士学位论文 面向字节的高速硬件串行接口t w i 、s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 信号硬件 发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的收发全部4 种组合的多机 通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路b o d 、多个 复位源( 自动上电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ，可设置的启动后延时运行 程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 a v r 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 5 2 7 v ) ，抗干扰能力强， 可降低一般8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 a v r 单片机技术体现了单片机集多种器件( 包括f l a s h 程序存储器、看门狗、e e p r o m 、 同异步串行口、t w i 、s p i 、a d 模数转换器、定时器计数器等) 和多种功能( 增强可靠 性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等 多样化功能的定时器计数器、具替换功能的i o 端口等) 于一身，充分体现了单片机技 术的从“片自为战”向“片上系统s o c 过渡的发展方向。 2 2a v r 单片机主要特点 a v r 单片机吸收了p i c 及8 0 5 1 等单片机的优点，同时在内部结构上还做了一些重大改 进，其主要的优点如下： 1 程序存储器价格低廉、可擦写1 万次以上、指令长度单元为1 6 位( 字) 的f l a s h r o m ( 即程序存储器宽度为1 6 位，按8 位字节计算时应乘2 ) ；而数据存储器为8 位。因此a v r 还是属于8 位单片机。 2 采用c m o s 技术和r i s c 架构，实现高速( 5 0 n s ) 、低功耗( u a ) 、具有s l e e p ( 休眠) 功能。a v r 的一条指令执行速度可达5 0 n s ( 2 0 删z ) ，而耗电则在1 u a _ 2 5 m a 之间。a v r 采用h a r v a r d 结构，以及一级流水线的预取指令功能，即对程序的读取和数据的操作使 用不同的数据总线，因此，当执行某一指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出， 这使得指令可以在每一个时钟周期内被执行【3 1 1 。 3 高度保密。可多次烧写的f l a s h 且具有多重密码保护锁定( l o c k ) 功能，因此可 低价快速完成产品商品化，且可多次更改程序( 产品升级) ，方便了系统调试，而且不 必浪费i c 或电路板，大大提高了产品质量及竞争力。 4 工业级产品。具有大电流1 0 至2 0 m a ( 输出电流) 或4 0 m a ( 吸电流) 的特点，可 直接驱动l e d 、s s r 或继电器。有看门狗定时器( w d t ) 安全保护，可防止程序走飞，提 高产品的抗干扰能力。 5 超功能精简指令。具有3 2 个通用工作寄存器( 相当于8 0 5 1 中的3 2 个累加器) ， 克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象。片内含有1 2 8 至4 k 字节s r a m ，可灵活使用 指令运算，适合使用功能很强的c 语言编程，易学、易写、易移植。 6 程序写入器件时，可以使用并行方式写入( 用编程器写入) ，也可使用串行在 线下载( i s p ) 、在应用下载( i a p ) 方法下载写入。不必将单片机芯片从系统板上拆下 拿到万用编程器上烧录，而可直接在电路板上进行程序的修改、烧录等操作，方便产品 7 东北师范大学硕士学位论文 升级，尤其是对于使用s m d 表贴封装器件，更利于产品微型化。 7 通用数字i o n 的输入输出特性与p i c 的眦l o w 输出及三态高阻抗h i - z 输入类同， 同时可设定类同与8 0 5 1 结构有上拉电阻的输入端功能，便于作为各种应用特性所需( 多 功能i o n ) ，a v r 的i o 口是真正的i o n ，能正确反映i o d 的输入输出的真实情况。 8 有多通道的1 0 位a d 及实时时钟r t c 。许多a v r 芯片内部集成了8 路1 0 位a d 接口， 如m e g a 8 、m e g a l6 、m e g a 8 5 3 5 等。 2 3a y r 单片机选型 在a v r 系列单片机中，a t m e g a l 6 是一款中档功能的a v r 芯片，它的引脚数为4 0 ，在片 内集成了1 k 字节的s r a m 、1 6 k 字节的f l a s h 、5 1 2 个字节的e e p o m ，2 个8 位、1 个1 6 位共3 个 超强功能的定时器计数器，以及u s a r t 、s p i 、多路1 0 位a d c 、w d t 、r t c 、i s p 、i a p 、t w i ( 1 2 c ) 、片内高精度r c 振荡器等多功能的接口和特性，较全面的体现了a v r 的特点，不 仅适合对a v r 了解和使用的入门起步学习，同时也满足一般的普通应用，在产品中得到 了大量的使用【3 。本文正是采用a t m e g a l 6 作为主控芯片。 8 东北师范大学硕士学位论文 第三章数字温湿度传感器与灰尘传感器 3 1 数字温湿度传感器s h t l 0 s h t i o 是由瑞士s e n s i r i o n 公司推出的s h t x x 系列单芯片，数字温湿度传感器之 一。s h t x x 系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它 采用专利的c m o s e n s 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器 包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片 上，与1 4 位的a d 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓 越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。每个传感器芯片都在极为精确的 湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式储存在o t p 内 存中，在标定的过程中使用。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变 得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选【3 3 1 。 s h t l 0 的引脚排列和说明如图3 1 和表3 2 所示。 表3 2s h t l o 引脚说明 图3 1s h t i o 引脚图 3 1 1 主要参数 相对湿度测量范围 绝对r h 精确度 温度测量范围 温度精确度 p i n名称注释 1 g n d 地 2删弱 串 j - 数据，双向 3 s c k 串 j = 时l 乎输入 4v d d 供电2 4 5 5 v n o 剩糸弓l 踯i 青勿连结 ：伊一1 0 0 r h 。 ：4 5 r h 。 ：一4 伊一1 2 3 。c 。 ：0 5 c ( 2 5 时) 。 3 1 2 测量时序 s h t i o 的供电电压为2 4 - 5 5 v 。传感器上电后，要等待1 l m s 以越过“休眠状态。 9 东北师范大学硕士学位论文 在此期间无需发送任何指令。电源引脚( v d d ，g n d ) 之间可增加一个l o o n f 的电容，用 以去耦、滤波。 s h t i o 的串行接口类似与1 2 c ，但是它不与1 2 c 接口兼容。s c k 用于微处理器与s h t i o 之间的通讯同步，相当于1 2 c 中的时钟信号。d a t a 三态门用于数据的读取。d a t a 在 s c k 时钟下降沿后改变状态，并仅在s c k 时钟上升沿有效。数据传输期间，在s c k 时 钟高电平时，d a t a 必须保持稳定，为避免信号冲突，微处理器应驱动d a t a 在低电平。 需要一个外部的上拉电阻( 例如l o kq ) 将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在 微处理器的i o 电路中。 测量一开始，微处理器需要向s h t i o 发送启动转换命令，在发送命令之前有个“启 动传输”时序。它包括：当s c k 时钟高电平时d a t a 翻转为低电平，紧接着s c k 变为低 电平，随后是在s c k 时钟高电平时d a t a 翻转为高电平，如图3 3 所示： d a t a s c k 图3 3一启动传输”时序 后续命令包含三个地址位( 目前只支持“0 0 0 ) 和五个命令位。s h t i o 会以下述方 式表示已正确地接收到指令：在第8 个s c k 时钟的下降沿之后，将d a t a 下拉为低电平 ( a c k 位) ，在第9 个s c k 时钟的下降沿之后，释放d a t a ( 恢复高电平) 。s h t i o 命令集 如表3 4 所示。 表3 4s h t i o 命令集 龠令代码 f 晚爿 0 0 0 0 x 温度测盛 0 0 0 1 1 温度测詹 0 0 1 0 1 谤状态，舒仔器 0 0 1 1 1 写状态寄仃器 0 0 1 1 0 j ：玩留 0 1 0 1 x 一111 0 x 软复位，钽位接口、滴空状态寄存 1 1 1 1 0 器，即清空为默认值 卜。次命令曲锋 等争少1 1 m s 发布一组测量命令( 0 0 0 0 0 1 0 1 表示测量相对湿度r b ，0 0 0 0 0 0 11 表示测量温 度t ) 后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约2 0 8 0 3 2 0 m s ，分别对应8 1 2 1 4 b i t 测量。确切的时间随内部晶振速度，最多有3 0 变化。s h t i o 通过下拉d a t a 至低电平 并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发s c k 时钟前，必须等待这个“数 据各妥 信号来读出数据。接着传输2 个字节的测量数据和1 个字节的c r c 奇偶校验。 微控制器需要通过下拉d a t a 为低电平，以确认每个字节。所有的数据从m s b 开始，右 值有效。用c r c 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用c r c - 8 校验，控制器可以在 测量值l s b 后，通过保持确认位“a c k 为高电平来中止通讯。在测量和通讯结束后， s h t l 0 自动转入休眠模式。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 3 1 4 状态寄存器 s h t i o 的某些高级功能可以通过状态寄存器实现。状态寄存器的各位如表3 5 所示： 表3 5s h t i o 状态寄存器位 b 托 类型 说明默认值 7 啦 芗f 0 6r l 乜谚小足( 低电琢娩测) 龙默认值 0 对哀v d d ，2 4 7此位仪覆测凝 1 t 虑v d d 2 4 7 绌糸届览镢 5艘留 o 4 ! i 争f 0 3 仪影i 滟4 试夺倥嘲 0 2觥 细 复杠 0 哭 1删 小“、o t p 打1 我 0 血：栈 or 脚 1 = 8 b i l r h ，1 2 b r t t 分辫率 0 1 2 b i l r h 0 = 1 2 b i t r h i1 4 b r t 分辨睾 1 4 b i t t 由表可以看出s h t l o 的测量分辨率分别为温度1 4 b i t ，湿度1 2 b i t ，也可以把寄存器 的第o 位置1 而使分辨率分别降至1 2 b i t 和8 b i t 。将第2 位置1 ，可以加热元件，使s h t i o 的 温度提高大约5 0 c 。通过比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的 性能。在高湿( 9 5 r h ) 环境中，加热传感器可预防结露，同时缩短响应时间，提高精 度。 3 1 5 数据处理 从s h t i o 读取过来的温度和湿度值，都是以整数的形式表示的。必须经过算法处理 才能得到准确的实际值。 1 温度处理 由能隙材料p t a t ( 正比于绝对温度) 研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公 式将数字输出转换为温度值： t e m p e r a t u r e = d l + d 2x s o t ( s o t 为读取到的温度值) 表3 6 温度转换系数 v d d d 【1 d f 下】 5 v4 00 04 0 0 0 4 v一3 97 53 9 5 0 3 5 v一3 9 6 63 9 3 5 3 v一3 96 03 92 8 2 5 v一3 9 5 53 9 2 3 s 铆 d 2 【】d z f 】 1 4 b i t0 0 10 0 1 8 1 2 b i t0 0 40 0 7 2 2 湿度处理 为t偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可以用以下的公式修正读数。 r h i l 鹏a r = 0 1 + 睨s o r h + c 3 s o r h 2( s o 刚为读取到的湿度值) 东北师范大学硕士学位论文 表3 7 湿度转换系数 由于实际温度与测试参考温度2 5 。c 的显著不同，所以应考虑湿度传感器的温度修正 系数： r h t r u e = ( t - 2 5 ) x ( t l + t 2x s o r h ) + r h l i n e a r 表3 8 温度补偿系数 s o r h t t 2 - 12b i t _ o o10 0 0 0 0 8 - -8 b i t 1 0 010 0 0 1 2 8 由此我们已经取得了比较准确的温度、湿度值，由于湿度与温度经由同块芯片 测量，s h t i o 可以同时实现高质量的露点测量。露点可以由温度和湿度值计算出，这些 计算过程都是在控制器中完成的。 3 2 灰尘传感器d s m 5 0 1 灰尘传感器d s m 5 0 1 ，是韩国s y h i t e c h 公司的专利产品。其采用与粒子计算器相同 原理为基础，检测出单位体积粒子的绝对个数，可灵敏检测直径1 微米以上的粒子，如 烟草产生的烟气，花粉，房屋粉尘，有利于空气质量检测。它尺寸小，重量轻，易安装 使用。内置加热器，可实现自动吸入空气。p w m 脉宽调制输出，与微处理器接口非常简 单嗍。 d s m 5 0 1 的引脚排列和说明如图3 9 和表3 1 0 所示。 表3 1 0d s m 5 0 1 引脚说明 tt 1参5 图3 9d s m 连接器 3 2 1 引脚功能描述 脚位功能 毒1控制脚( 详见说明) 群2输m2 襻3 电源萨( + 5 o v ) 舶输：l j1 毋5 电源地( g n d ) 1 输出脚# 2v o u t 2 ，此脚为普通输出脚位，灵敏度已预设定，最小粒子检出能力1 l im o 2 输出脚# 4y o u t l ，此脚为可调输出脚位，灵敏度可通过控制脚来调整，默认为 v o u t 2 的2 5 倍，即最小粒子检出能力为2 5 um 。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 3 控制脚# 1 ，通过在此脚与g n d 之间加一个电阻可调整r o u tl 的最小粒子检出水平， 调整电阻值可调整v o u t l 的灵敏度。 3 2 2数据测量 d s m 5 0 1 采用p w m 脉宽调制输出，输出波形如图3 1 l 所示。 = 口口 图3 1 1d s m 5 0 1 输出波形p w m 低脉冲率：r t = l t ，u tx 1 0 0 ，由图可以看出，d s m 5 0 1 输出为低脉冲有效。特性 曲线如图3 1 2 所示。 笛 寥 锯 突佑 童 阜 铂 5 o i l i i 彳 i li ：ii i ：i ； 多 ： ， 名。 。 ! i jj， i ii i ! i 厂 i 一1 l 昏一咖l 1一 o 2 5 5 。 7 5铂 1 2 51 5 懒( kp c s ) 图3 1 2d s m 5 0 1 特性曲线 由图3 1 2 可以看出，对于获得的一个低脉冲率数值，只能推算出灰尘的大致范围。 根据“m a x 曲线能算出灰尘的下限值，而根据“m i x 曲线能算出灰尘的上限值。 1 3 查些堕垄查兰堕主兰焦笙皇 第四章远程节点系统 41 系统总体描述 系统由三部分组成，分别为：远程节点系统( 现场采集点) 、g p r s 网络、数据处理 中心。 首先由传感器采集到相关的数据信息，传送给主控芯片a t m e g a l 6 ，a t m e g m 6 通过 a t 指令控制m c 5 5 ( g p r s 模块) 发送数据到g p r s 网络，通过网关s g s n 、g g s n 后数据传 送到 n t e r x e t 上数据中心接收到数据后，处理并存储起来。系统结构框图如图41 。 罔4l 系统总体结构 如阻所示，数据采集器在现场采集点采集到相应的数据后通过g p r