基于GPRS的溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊正君

（杰輝空調(diào)設(shè)備有限公司,貴州貴陽(yáng)550025）

通信機(jī)房保持適宜的溫濕度環(huán)境對(duì)保證各種設(shè)備長(zhǎng)期可靠運(yùn)行極為重要.傳統(tǒng)機(jī)房實(shí)現(xiàn)方式是通過空調(diào)24 h不停歇運(yùn)轉(zhuǎn),本系統(tǒng)使用基于單片機(jī)控制的溫濕度控制系統(tǒng),在室外空氣溫度低于室內(nèi)一定程度時(shí),使用風(fēng)機(jī)把室外冷空氣引入機(jī)房,把機(jī)房?jī)?nèi)的熱量帶走,達(dá)到降低機(jī)房溫度的目的,極大地節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本[1].由于機(jī)房是分散的、無人值守的現(xiàn)場(chǎng),需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集從而進(jìn)行集中的實(shí)時(shí)監(jiān)控.針對(duì)這一問題,設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于GPRS無線局域網(wǎng),以短消息的方式將此信息送給總控中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,從而進(jìn)行集中管理和監(jiān)控.

1 系統(tǒng)工作原理

控制器通過不斷檢測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)外的溫度、濕度及有關(guān)信息,并通過按鍵或者GPRS設(shè)定的控制參數(shù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和處理,控制風(fēng)機(jī)和空調(diào)工作,若發(fā)現(xiàn)異常,控制單元發(fā)出報(bào)警信號(hào)并通過GPRS發(fā)送給監(jiān)控人員.控制器通過控制空調(diào)、風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行在一個(gè)合理的狀態(tài),確保通信機(jī)房溫濕度環(huán)境適宜,從而達(dá)到在大多數(shù)條件下用風(fēng)機(jī)替代空調(diào)制冷,降低空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約通信機(jī)房電能消耗的目的.系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.

圖1 機(jī)房溫濕度節(jié)能控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of temperature and humidity energy saving control system in machine room

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用C8051F340單片機(jī)作為系統(tǒng)測(cè)控單元,以鍵盤和液晶顯示器或者遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)控制界面,通過紅外控制空調(diào)啟停和PWM控制風(fēng)機(jī)的功率控的方式實(shí)現(xiàn),控制器通過RS232串口與GPRS模塊連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊、監(jiān)測(cè)與控制.

2.1 溫度采集模塊

溫度傳感器作為采集者是系統(tǒng)的重要組成部分,只有精確度高的傳感器才能保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.故采用的是數(shù)字溫度傳感器DS18B20,測(cè)溫范圍-55～125℃,固有測(cè)溫分辨率0.5℃,精度和范圍可以達(dá)到系統(tǒng)要求,它采用獨(dú)特的一線通信技術(shù),簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用,無需外部元件,具有耐磨耐碰、體積小、使用方便、封裝結(jié)構(gòu)多樣的特點(diǎn)[2].整體框架與溫度采集模塊如圖2所示.

圖2 溫度采集模塊電路Fig.2 Circuit of temperature collecting module

2.2 濕度采集模塊

濕度傳感器與溫度傳感器一樣,都要求有較高的精度.選用SHT10作為濕度傳感器,進(jìn)行濕度的采集.SHT10采用CMOSensTM技術(shù),包含濕敏感結(jié)構(gòu)、測(cè)溫結(jié)構(gòu)、14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行通信接口電路,實(shí)現(xiàn)電路無縫銜接,并且具有精確的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能,輸出全校準(zhǔn)后的相對(duì)濕度及溫度值,穩(wěn)定性好[3].濕度采集模塊的原理圖如圖3所示.

圖3 濕度模塊電路Fig.3 Circuit ofhumidity module

2.3 風(fēng)機(jī)控制模塊

由于PWM（脈寬調(diào)制）方式具有電源的能量功率利用充分,電路的效率高的優(yōu)點(diǎn).系統(tǒng)風(fēng)機(jī)接單片機(jī)的OUT0引腳,由于使用光耦合器TLP521實(shí)現(xiàn)輸入端與輸出端的電氣隔離,具有抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、傳輸效率高的特點(diǎn).根據(jù)采集到的溫、濕度和預(yù)設(shè)的溫、濕度進(jìn)行分析和控制,單片機(jī)通過OUT0口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的PWM脈沖,通過改變輸出方波的占空比,使負(fù)載上的平均電流功率變化,從而改變負(fù)載電機(jī)速度.風(fēng)機(jī)的控制模塊原理圖如圖4所示.

圖4 風(fēng)機(jī)控制模塊電路Fig.4 Circuit ofdraught fan control module

2.4 紅外控制模塊

紅外控制模塊用于控制空調(diào)開關(guān).紅外控制模塊由一體化用于空調(diào)按鍵編碼的紅外接收頭和用于發(fā)射的紅外發(fā)光二極管兩部分組成.所選的韓國(guó)產(chǎn)FM9038LM-5AN紅外接收頭具有超強(qiáng)的抗干擾性,接收距離達(dá)12 m.接收頭通過判斷引腳電平變化開啟PCA捕捉引腳電平跳變并記錄跳變之間電平長(zhǎng)度.發(fā)送頭TRA-OSE-IL7產(chǎn)生38 KHz方波驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)送電路發(fā)送紅外信號(hào).根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫、濕度采集和分析,通過向空調(diào)發(fā)送開關(guān)、降溫、升溫指令,控制通訊機(jī)房溫、濕度.結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 紅外控制模塊電路Fig.5 Circuit of infrared control module

2.5 鍵盤模塊

模塊采用鍵盤掃描控制芯片CH452.CH452內(nèi)置時(shí)鐘振蕩電路,可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描,它的串行接口由硬件實(shí)現(xiàn),單片機(jī)可以頻繁地進(jìn)行高速操縱,而不會(huì)降低CH452的工作效率.用戶可以通過鍵盤設(shè)定要控制的溫濕度值.其結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 鍵盤模塊電路Fig.6 The circuit diagram ofkeyboard module

2.6 顯示模塊

控制器的顯示模塊采用的是ST7920控制器.ST7920芯片負(fù)責(zé)控制中文圖形液晶模塊的顯示特征,可用于顯示字母、數(shù)字、中文字形以及自定義圖形等.用于顯示預(yù)設(shè)的溫、濕度和當(dāng)前溫、濕度值.結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 顯示模塊電路Fig.7 The circuit diagram ofdisplay module

2.7 GPRS通信模塊

由于MCU的串行口UART提供TTL電平標(biāo)準(zhǔn),而GPRS模塊的串行通信口屬于RS232電平標(biāo)準(zhǔn),因此需要設(shè)置TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換模塊.系統(tǒng)控制器通過RS232串口與GPRS模塊連接.GPRS模塊采用的是EM310,它是一款整合GSM與GPRS通信技術(shù)的模塊.EM310模塊內(nèi)部封裝了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)撥號(hào)協(xié)議以及TCP/IP通信協(xié)議,有效節(jié)約了成本.在硬件構(gòu)成上,遠(yuǎn)端控制中心采PC+GPRS模塊架構(gòu),現(xiàn)場(chǎng)主控中心則采用MCU+GPRS的硬件架構(gòu)[4].GPRS模塊上電后,首先取出內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器中保存的工作數(shù)據(jù)（包括GPRS撥號(hào)數(shù)據(jù)、串口波特率、數(shù)據(jù)中心IP地址等）,然后登陸GSM網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行撥號(hào)連接.連接成功后,GPRS模塊向數(shù)據(jù)中心的IP地址發(fā)送TCP連接請(qǐng)求,在收到數(shù)據(jù)中心響應(yīng)后,認(rèn)為握手連接成功,并通過心跳保持技術(shù),保持永久在線,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊、監(jiān)測(cè)與控制[5-6].結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 通過RS232與GPRS連接接口電路Fig.8 The circuit diagram of interface connecting by RS232 and GPRS

2.8 鐵電存儲(chǔ)模塊

為了使設(shè)備重啟后也能保存參數(shù),系統(tǒng)采用的鐵電存儲(chǔ)器是FM24CL64.它是一款采用先進(jìn)的鐵電工藝制造的64 K位非易失性存儲(chǔ)器,采用的是二線制串行總線及傳輸規(guī)約與單片機(jī)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸.這種方式占用引腳少,線路板體積小,只通過SDA和SCL兩個(gè)引腳與單片機(jī)引腳進(jìn)行通信連接.結(jié)構(gòu)圖如圖9所示.

圖9 鐵電存儲(chǔ)模塊電路Fig.9 The circuit diagram of ferroelectric memory module

3 機(jī)房溫濕度控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器循環(huán)檢測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)外的溫度、濕度及有關(guān)信息,并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制參數(shù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,控制風(fēng)機(jī)和空調(diào)工作,若發(fā)現(xiàn)異常,控制單元能輸出報(bào)警信號(hào)并通過GPRS發(fā)送相關(guān)信息.控制器在保證對(duì)通信機(jī)房工作環(huán)境有效控制的同時(shí),聯(lián)動(dòng)使用空調(diào)和風(fēng)機(jī),從而達(dá)到降低空調(diào)運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約通信機(jī)房電能消耗的目的.通過GPRS以短消息的方式將信息送給總控中心,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集從而進(jìn)行集中管理和監(jiān)控,達(dá)到無人值守的目的[7-8].

系統(tǒng)運(yùn)行過程包括初始化、系統(tǒng)檢測(cè)、溫濕度控制、故障處理、系統(tǒng)設(shè)置等部分.運(yùn)行流程如圖10所示.

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.10 The flow chart ofsystem operation

4 小結(jié)

本文系統(tǒng)的研究了傳統(tǒng)機(jī)房控制方法,結(jié)合機(jī)房自身特點(diǎn)和內(nèi)外部運(yùn)行環(huán)境,提出了一套基于GPRS傳輸模塊的機(jī)房溫度控制解決方案.通過遠(yuǎn)程、集中的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行遙測(cè),將機(jī)房的溫、濕度控制在合適的范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)在無人值守情況下機(jī)房的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行,同時(shí)降低空調(diào)和風(fēng)機(jī)的能耗,具有較高的研究?jī)r(jià)值和商業(yè)價(jià)值.

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