基于GPRS的无线温度监测系统设计

江苏科技信息June2010基于GPRS的无线温度监测系统设计作者简介：徐培叶，天津天地伟业科技有限公司总工程师，工商管理硕士；主要研究方向：计算机应用。注：本文受到“天津建设科技计划（2007-29）”资助。摘要：根据远程温度监测的要求，设计了一种基于GPRS通信技术的无线温度监测系统。系统下位机以单片机作为核心控制器件，采用DS18B20数字温度传感器进行多点温度采集，采用GPRS数传模块将温度数据经Internet网络传输至上位机。上位机采用组态王软件设计数据监测中心，实现了对所采集温度的实时显示、数据库存储和温度监测报警等功能。关键词：GPRS；温度监测；组态软件；数字温度传感器■徐培叶近年来，随着计算机技术、无线通信技术和Internet接入技术的不断发展和广泛应用，测量数据的传送可以摆脱有线线缆的束缚，而采用无线数据传输方式进行远程实时传送[1,2]。在工业、能源和建筑等各个领域中，温度数据的监测装置是很多场合需要用到的设备。通常要求对现场的温度进行实时监测和记录，以便及时了解现场的情况并进行后期的数据处理。本文根据远程温度监测的需要，采用单片机进行现场的温度采集，利用GPRS通信技术进行远程无线数据传送；在数据监控中心采用组态王软件进行监控软件的开发，并通过Internet网络接收现场采集并经由GPRS网络发送过来的温度数据。最终在数据监控中心实现温度数据的实时显示和数据库存储功能。1.系统总体设计无线温度监测系统总体上由上位机、下位机以及GPRS数据传输系统三大部分组成。下位机负责现场的温度采集和上传，上位机利用监测软件对下位机经由网络传送过来的温度数据在监控主机上进行实时显示和后台保存。系统总体设计原理如图1所示。系统的下位机主要由单片机和数字温度传感器构成。单片机接收多个数字温度传感器采集到的温度值，并根据组态王与单片机之间的通讯协议，对温度数据进行处理并通过RS232串口发送至GPRS模块；上位机采用亚控科技公司出品的组态王6.53进行监控软件的开发，监控软件通过与监控主机相连的Internet网络接收经由GPRS网络传送过来的现场温度数据，在监控软件上实现多点温度的实时动态显示，并同时将温度数据存储到EXCEL文档中，以便后期对数据进行分析和计算。2.基于单片机的下位机温度采集系统设计下位机采用AT89S52单片机作为控制核心，单片机负责对数字温度传感器DS18B20的操作、数据处理以及与GPRS模块的通信。下位机与上位机的通信要按照组态王所规定的通用单片机通信协议（ASCII）进行。（1）数字温度传感器DS18B20。图1系统总体设计原理新技术探讨39江苏科技信息June2010本系统采用DS18B20数字温度传感器采集温度。DS18B20是MAXIM公司生产的“一线式”数字温度传感器，具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。DS18B20的测量温度采用符号扩展的16位二进制数字量方式串行输出。由于DS18B20采用一线制测温方式，所以多个DS18B20可以采用并联数据输出引脚的方式，与单片机的一个I/O端口相连，实现温度的一线制采集。采用此种方式，单片机就可以利用一个I/O端口采集多个DS18B20的温度测量值，节省了单片机引脚资源，简化了系统电路。在本系统中，8个DS18B20数字温度传感器的数据引脚DQ并联后与AT89S52单片机的P3.3引脚相连接。单片机对DS18B20的每一步操作都要遵循严格的工作时序和通讯协议，对其访问过程是：首先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器数据操作。例如主机控制DS18B20完成温度转换、读取温度值这一过程，步骤为：先进行初始化操作，再发送44H指令启动温度转换，延时一段时间后，再次初始化操作，发送BEH指令进行读取温度值，然后将所得温度值存储于单片机中。（2）电源稳压电路设计。由于本系统设计采用8个DS18B20同时测温，因此设计采用三端稳压集成电路L7805CV来驱动8个DS18B20温度传感器。驱动电路如图2所示。VCC为外接8～12V的电池电源，经过三端稳压集成电路L7805CV的作用，为整个系统提供稳定的5V电压。（3）单片机与组态王的通信协议。组态王与单片机之间采用RS232串口进行通信，这需要遵循组态王软件所规定的串口通信协议（ASCII）。由于本系统工作在温度监测模式，系统的具体串口通信方式为上位机的组态王读下位机单片机的温度数据模式，因此，本系统的数据通信由组态王发起读命令，采用问答的方式进行。首先由上位机组态王发出读命令，命令中包含了数据头、机器地址、标志位、数据地址、数据长度、校验以及结束位等信息；然后下位机的单片机根据上位机的读命令启动测温，并将对应温度传感器的温度值按照通信协议的要求打包发送至上位机。组态王接收到下位机发送过来的数据后，进行数据包的解析，并根据数据包中的寄存器地址将温度值传递给组态王中此温度传感器所对应的I/O变量，进而在温度显示窗口中进行此传感器的温度显示。当上位机发送读命令时，如读15号仪表，数据地址为15的数据。其中数据为100，数据类型为字节，不打包，则组态王所发数据如图3：如果单片机正确接收了组态王通过串口发送过来的数据，则单片机应答如图4。4.上位机数据监控中心设计在本系统的数据监控中心的设计中，采用亚控科技公司的组态王软件6.53进行监控软件的设计与实现。当用户运行系统进入登陆画面，需根据登陆提示，选择用户名正确填写用户密码。确认用户身份权限后，可进入系统的主监测界面，实现温度的实时监测、数据报表管理、报警管理等功能。系统主监测界面如图5所示。（1）系统管理模块的设计与实现。本系统考虑到用户的多样性，赋予不同用户间不同的权限。只有当该用户的权限满足本系统内设定权限值，才能进入主界面实现系统所提供的功能。该权限限制的方法有效区分了使用系统的用户，防止非操作人员的随意登陆操作。有权用户可在用户管理下拉菜单中实现用户登陆、用户更改、修改口令、用户注销和退出系统等基本功能（见图6）。（2）数据报表模块的设计与实现。在数据报表模块中，监控画面中显示实时温度数据并在历史数据报表窗口中显示历史温度数据。实时数据报表在启动测温后，根据采集频率对下位机所采集的温度数据进行动态实时显示。而历史数据报表通过系统中的命令语言实现历史温度数据的动态存储显示。用户监控实时温度数据的同时，若有需求查阅历史数据，可在历史数据报表中方便实现。并且历史温度数据报表中的内容会存储到监控主机中的EXCEL文档中，以实现用户对历史温度数据进行分析和图2电源稳压驱动电路403046433030303046303137320d字头设备地址15标志读操作字节型不打包数据地址15数据字节数1异或4030463031363437350d字头设备地址15数据字节数1数据100异或图3组表王应答图4单片机应答新技术探讨40江苏科技信息June2010打印等功能。数据报表模块中使用的函数主要有ReportLoad(函数和Report－SaveAs(函数。ReportLoad(函数为报表专用函数。将指定路径下的报表读到当前报表中来，使用格式如下：ReportLoad(Report－Name，FileNameReportSaveAs(函数为报表专用函数。将指定报表按照所给的文件名存储到指定目录下，ReportSaveAs支持将报表文件保存为rtl、xls、csv格式。保存的格式取决于所保存的文件的后缀名。（3）温度监测曲线模块设计与实现。温度监测曲线模块将温度值以绘制曲线图的方式清晰的显示，各个采集点的温度信息结合报警灯、特定变量名、游标等多种元素。每个曲线对应其特定变量名与报警灯，且有不同的颜色，使得每个曲线在视觉上直观区分。曲线坐标中横坐标显示多个时间间隔，有效显示当前及前几个特定时间段内的数据，方便用户对比。游标通过命令语句在实际测温中随着温度曲线的变化而上下浮动，在曲线上清晰显示当前每一采集点所设定限值，方便用户查看。4.基于GPRS的远程数据传输本系统选用厦门才茂通信科技有限公司开发的CAIMOREDTUCM3150P作为GPRS数传模块。此模块采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议栈。可以为用户提供高速、稳定可靠、数据终端永远在线、多种协议转换的虚拟专用网络。由于内嵌了TCP/IP协议栈，此DTU支持数据在网络中，无需考虑网络传输协议问题。在使用GPRS数传模块之前，需要用配置软件对数传模块进行配置，主要信息包括：SIM卡号、数据中心IP地址、数据中心端口号、串口号、串口通信的波特率等。对于上位机部分，需要在组态软件中针对GPRS通信在设备配置向导中设置生产厂家：单片机；设备名称：通用单片机ASCII；通信描述：串口。在选择串口页面要勾选“使用虚拟串口（GPRS设备）”。GPRS设备选择：桑荣；配置DTU设备标识信息填入SIM卡卡号。5.结论本系统采用单片机作为下位机的主控制器，使用DS18B20数字温度传感器进行温度采集，利用了DS18B20的一线制特性，仅占用单片机的一个I/O端口就实现了八点测温。通过GPRS无线通信技术将现场采集的温度数据传送至远距离的监控中心的上位机，并通过组态软件开发的监控软件实现温度的实时显示和存储。通过实际环境测试，系统可以正确、可靠地远程传输温度数据，可广泛应用于建筑节能检测、工业温度监测等各个领域。参考文献[1]张宁，张跃．远程医用实时监测与分析终端的研制[J]．自动化与仪表，2010(2：5-8.[2]毕卫红，陈鑫．基于GSM的智能温室监测系统[J]．电子测量技术，2009，34(3：114-116.[3]李玲，李国庆，王振浩，等．基于GSM的变压器铁心绝缘监测系统的设计[J]．东北电力大学学报，2006，26(1：22-25.[4]叶丹，齐国生，洪强宁，等．基于单片机的自适应温度控制系统[J]．传感器技术，2002，2l(3：27-30.[5]李毅，余少辉，周步洲．基于DS18B20的测温系统