基于TC35和nRF24L01的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

席 婷，金燕華，曹 勇

（電子科技大學 四川 成都 611731）

隨著科學技術的迅速發(fā)展，監(jiān)控技術的重要性正在逐漸被人們所認識和重視?，F階段，我國在石油、煤礦、水利水電等資源的監(jiān)測和管理中仍然缺乏經濟實用、有效安全的數據采集、傳輸等監(jiān)控設備，傳統(tǒng)的人工方式既耗費了大量的人力物力，同時也無法避免人工帶來的誤差，而且對數據的分析和處理相當滯后，線路鋪設也存在很大的局限性。通信技術和網絡技術的迅速發(fā)展使得水利電力系統(tǒng)的自動化控制程度進一步提高。如果使用無線網絡作為傳輸數據的載體，上述面臨的種種問題就可以得到很好的解決與完善。文中設計了一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用現代無線通信網絡GPRS來實現對遠程監(jiān)測量的采集與監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)主要由數據采集終端、數據傳輸中轉站和上位機監(jiān)控平臺3部分組成。

數據采集終端由3個從機組成，每個從機由A/D（MAX144）負責監(jiān)控量采集，并配有紅外解碼按鍵設置功能，可對從機的相關功能進行人工設置。從機采集的數據可實時數碼顯示，其與數據中轉站之間的傳輸均采用無線射頻模塊nRF24L01。

數據傳輸中轉站也采用無線射頻模塊nRF24L01，其與3個從機組成簡單的無線網絡，并接有GPRS模塊（TC35）A，將采集到的數據進行短信發(fā)送，同時對上位機發(fā)來的自定義數據格式的短信進行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應的控制命令以控制從機的工作狀態(tài)。

上位機監(jiān)控平臺為 PC機，配有 GPRS模塊（TC35）B，對數據短信進行接收解碼，從中提取出各個從機的監(jiān)測量采樣值，然后存入到數據庫中，以方便以后進行查詢等操作[1-3]。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 GPRS模塊

TC35i模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標準的AT命令接口，為數據、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發(fā)設計及應用。

TC35i模塊應用接口采用40腳的Zip插座，包含的引腳功能有：3.3～5.5 V、峰值為2A的直流電源接口，模擬音頻輸入、輸出接口，8個引腳的標準RS232信號接口，6個引腳符合GSM11.11標準的SIM卡連接、控制接口。文中應用4個接口，電源接口、控制接口、串行通信接口及SIM卡連接接口。TC35模塊內部結構如圖2所示。

圖2 TC35模塊內部結構圖Fig.2 Structure diagram of TC35

2.2 監(jiān)測量采樣模塊

監(jiān)測量采樣模塊電路要完成對監(jiān)測量的采樣任務，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的設計重點，不同的采樣電路對數據的實時性、準確性有很大的影響。本系統(tǒng)設計的采樣電路主要運用MAXIM公司的12位串行A/D MAX144。電路如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量采樣電路Fig.3 Monitoring sampling circuit

芯片采用的參考電壓為外置的+5 V電源，2、3兩腳分別模擬電壓輸入的采樣口，本系統(tǒng)將2路采樣結合在一起。圖中Rc是電位器，跳帽是監(jiān)控量選擇開關。當2、3引腳短路時，系統(tǒng)為了模擬監(jiān)測量的值，MAX144采樣的是電位器上Rc的電壓。當1、2引腳短路時，系統(tǒng)可以采集外接的各種傳感器（一般標準0～5 V信號）的輸入信號。設計了一個4位的接線柱，可為外置的傳感器（如溫度、氧氣濃度等）提供所需的工作電源以及信號輸入接口，大大增加了系統(tǒng)的實用性和擴展性[4-6]。

2.3 nRF24L01無線射頻網絡模塊

nRF24L01[4]是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，內置頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器、調制器等模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行自由配置。nRF24L01以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3 mA。nRF24L01工作于 2.4～2.5 GHz ISM頻段，融合了增強型ShockBurst技術，功耗低，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），其性能的優(yōu)越性使系統(tǒng)設計的更加簡單、方便、實用。

nRF24L01有3種待機模式：待機模式1，待機模式2以及掉電模式。數據包處理模式分為ShockBurst模式和增強型ShockBurst模式兩種，本系統(tǒng)采用了后面一種，因為增強型ShockBurst模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易、有效。典型的雙向鏈接為：發(fā)送方要求終端設備在接收到數據后有應答信號，以便于發(fā)送方檢測有無數據丟失，一旦數據丟失，則通過重新發(fā)送功能將丟失的數據恢復。增強型的ShockBurst模式可以同時控制應答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，每一個數據通道使用不同的地址，但是共用相同的通信頻道，6個不同的nRF24L01可以對這6個發(fā)送端進行相互識別。數據通道0是唯一一個可以配置為40位自身地址的數據通道，1～5數據通道都為8位自身公用地址，所有的數據通道都可以設置為增強型ShockBurst模式。nRF24L01在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號。在發(fā)送端，數據通道0被用做接收應答信號，因此，數據通道0的接收地址與發(fā)送地址必須相等以確保接收到正確的應答信號。本系統(tǒng)設計時，采用主一從三的星型網絡結構，功能完全滿足預期要求。電路如圖4所示。

圖4 nRF24L01電路Fig.4 nRF24L01 circuit

3 軟件設計

系統(tǒng)程序設計分為從機和數據中轉站兩個部分。

從機的任務主要是采樣、顯示數據并接收“數據中轉站”的控制指令，然后完成相應的控制功能。系統(tǒng)上電后，首先進行必要的初始化操作，包括設置AT89S52單片機的I/O口工作方式、開中斷等，然后初始化數碼管驅動芯片MAX7221，使其顯示相關內容，最后再進行無線射頻模塊的初始化工作，并設置其工作模式為接收模式。單片機進入主程序后，就一直檢測有沒有紅外遙控控制信號。如果有紅外信號則執(zhí)行相應的控制指令（包括參數的設置等命令）；如果沒有則進行數據A/D采樣并實時數碼顯示，每顯示完一次數據后再檢測是否收到無線射頻控制信號，如果收到控制信號則執(zhí)行相應程序（包括反饋采樣數據、接收執(zhí)行命令等），沒有則返回到主程序進行紅外信號的檢測，以此循環(huán)執(zhí)行。無線射頻信號的控制指令分為好幾種，從機接收到不同的編碼指令后，可對應的執(zhí)行反饋采樣數據、控制繼電器工作以及警戒值設定等操作。

“數據中轉站”主要負責協(xié)調各個從機的工作并進行相關信息量的轉送。首先，“數據中轉站”進入接收從機采樣數據的倒計時程序，當時間到時，就開始依次接收各個從機的數據，接收完最后一個從機數據時，進入數據的短信傳輸程序，短信發(fā)送成功后再進入倒計時狀態(tài)，以此循環(huán)。當上位機有短信發(fā)來時，“數據中轉站”就接收PC機發(fā)送過來的控制短信，對短信進行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應的控制命令以控制從機的工作狀態(tài)。數據中轉站程序流程圖如圖5所示。

圖5 數據中轉站程序流程圖Fig.5 Flow chart of data transmission module

4 結束語

隨著工業(yè)現代化的不斷發(fā)展，以及各種新技術的不斷產生，數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)正在進入一個高速發(fā)展的階段。由于本系統(tǒng)使用了GPRS通信技術和短距離無線射頻組網技術，相對于其他有線通信技術有很多的優(yōu)越性，從而很容易取代一些基于有線通信方式的數據傳輸系統(tǒng)，因此，本系統(tǒng)具有很強的通用性，不管是應用于自動抄表系統(tǒng)，還是溫度測量、環(huán)境測量等領域中，都有很好的發(fā)展前景。

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