基于STC89C52單片機(jī)的多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于雅楠，賀成成，王 剛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

基于STC89C52單片機(jī)的多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于雅楠，賀成成，王 剛

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)信息技術(shù)工程學(xué)院，天津 300222）

為了克服遠(yuǎn)距離作業(yè)與危險(xiǎn)作業(yè)等問(wèn)題，提出了基于STC89C52單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，對(duì)各數(shù)據(jù)采集終端電路進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要采用多組傳感測(cè)量裝置對(duì)不同位置環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)信息由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊KYL1020U完成遠(yuǎn)距離傳輸，通過(guò)與PC機(jī)之間的串口通信將多路數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與處理，起到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用。該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，具有實(shí)時(shí)性與高可靠性等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)實(shí)際使用要求。

遠(yuǎn)程監(jiān)控；無(wú)線(xiàn)通信；單片機(jī)；傳感器

由于具有高集成度、小體積、易開(kāi)發(fā)性等特點(diǎn)，單片機(jī)技術(shù)不僅改變著人們的日常生活方式，還在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的作用。單片機(jī)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，使得智能控制與智能自動(dòng)化成為可能。多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以單片機(jī)技術(shù)為核心，開(kāi)發(fā)基于無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)，主要以指定地點(diǎn)的溫濕度參數(shù)作為采集與分析對(duì)象，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、處理、預(yù)警及遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)可應(yīng)用到食品加工、煙草儲(chǔ)存、動(dòng)植物養(yǎng)殖、溫濕大棚等多種場(chǎng)所，尤其是無(wú)法進(jìn)行人工數(shù)據(jù)采集的危險(xiǎn)場(chǎng)所。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)顯示終端2部分組成，數(shù)據(jù)采集終端的傳感裝置可根據(jù)具體場(chǎng)所的需要進(jìn)行多點(diǎn)布局，溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)由集溫濕度測(cè)量于一體的傳感器進(jìn)行測(cè)量，各個(gè)數(shù)據(jù)采集終端配有獨(dú)立的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，將采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至數(shù)據(jù)顯示終端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析與閉環(huán)控制。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，數(shù)據(jù)采集結(jié)果可靠性高，最遠(yuǎn)工作距離可達(dá)1 km，測(cè)試數(shù)據(jù)可直接用于預(yù)警控制以及環(huán)境參數(shù)控制等。

1 整體框架及硬件電路設(shè)計(jì)

多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，采用多組傳感測(cè)量裝置對(duì)不同位置的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中包括溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，減少人工作業(yè)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取功能。

單片機(jī)根據(jù)程序指令控制外圍器件，即溫濕度傳感器。采集到的數(shù)據(jù)信息由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，脫離了傳統(tǒng)依靠數(shù)據(jù)線(xiàn)路通信方式的限制，能進(jìn)行自由交互式的數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊和遠(yuǎn)程傳輸模塊具有可靠性強(qiáng)、靈活度高、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1-3]。數(shù)據(jù)顯示終端將采集的數(shù)據(jù)快速實(shí)時(shí)顯示，并根據(jù)安全閾值實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能以及閉環(huán)控制功能，界面可視性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端電路原理圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集終端電路原理圖

1.1 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集終端主要分為3大模塊:傳感測(cè)量模塊、單片機(jī)模塊[4-7]和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。傳感測(cè)量模塊將指定位置的環(huán)境參數(shù)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)程序的控制處理，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和串口協(xié)議將數(shù)據(jù)由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊傳遞給上位機(jī)，完成終端的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

1.2 溫濕度傳感器

數(shù)據(jù)采集終端選用DHT11溫濕度傳感器，該傳感器具有出色的穩(wěn)定性，可以在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定工作，特別在高溫低濕、含有特殊化學(xué)成分的空氣當(dāng)中正常工作，空間占用比例小，消耗電量極低，為電路板節(jié)省能源，價(jià)格優(yōu)勢(shì)以及信號(hào)可靠性都符合系統(tǒng)要求。溫濕度傳感器如圖3所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器

實(shí)際使用中，應(yīng)避免將溫濕度傳感器長(zhǎng)時(shí)間暴露在陽(yáng)光下，焊接時(shí)溫度不能超過(guò)260℃。DHT11設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示，其引腳1接+5 V直流電源，引腳2接單片機(jī)引腳P0～P7中的任何一個(gè)引腳，此引腳通過(guò)單總線(xiàn)與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信，引腳3懸空或連接GND，引腳4是傳感器的電源負(fù)極，連接到電路板上的GND引腳。

1.3 STC89C52單片機(jī)

STC89C52是一種低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

圖4 DHT11電路原理圖

使用多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，每路采集傳輸速率可達(dá)4 800 bit/s，各組無(wú)線(xiàn)模塊之間數(shù)據(jù)通信通過(guò)每路信號(hào)之間的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.4 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

系統(tǒng)選用KYL1020U無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，與單片機(jī)采用異步通信接口連接。該無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信，通信選用ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)。無(wú)線(xiàn)模塊體積小、功耗低，穩(wěn)定性和可靠性極高，能方便為用戶(hù)提供雙向的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸、檢測(cè)和控制。在信道誤碼率為10-2時(shí)，可得到實(shí)際誤碼率10-5～10-6。模塊標(biāo)準(zhǔn)配置提供8個(gè)信道，滿(mǎn)足用戶(hù)多種通信組合方式的需要，且傳輸速率與接口波特率成正比。無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊如圖5所示，其無(wú)線(xiàn)引腳電路如圖6所示。

圖5 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

圖6 無(wú)線(xiàn)引腳圖

在無(wú)線(xiàn)模塊引腳圖中共有9個(gè)引腳，其中引腳1接電源地；引腳2接直流電源+3～5 V；引腳3為數(shù)據(jù)接收端RXD口，此引腳接處理器的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳P3.1；引腳4為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD口，此引腳接單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收口P3.0口；引腳5為無(wú)線(xiàn)模塊的信號(hào)地GND，此引腳可懸空或接電源地；引腳6為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送端口，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中懸空處理；引腳7為無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收端口，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中懸空處理；引腳8為無(wú)線(xiàn)SLEEP口，用于休眠控制模式，可置低電平或?qū)⒃撘_懸空；引腳9為無(wú)線(xiàn)TEST口，用于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膬?nèi)部調(diào)試。

2 數(shù)據(jù)顯示端設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)工作流程圖

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示終端的頂層數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示。

圖7 頂層數(shù)據(jù)流程圖

首先，進(jìn)行串口的參數(shù)設(shè)定以及初始化，打開(kāi)串口開(kāi)關(guān)，等待多路數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊傳送信號(hào)。之后，無(wú)線(xiàn)接收模塊將不斷掃描電腦端口設(shè)備，并收集信號(hào)。如果信號(hào)不符合串口通信協(xié)議將會(huì)返回單片機(jī)，若符合協(xié)議則PC機(jī)將接收到的信號(hào)進(jìn)行分析整理，最終顯示為用戶(hù)所需要的數(shù)據(jù)格式。

2.2 系統(tǒng)功能模塊圖

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的功能模塊如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)功能模塊圖

圖8中包括串口參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊及預(yù)警提示模塊。串口參數(shù)設(shè)置模塊的主要功能有:①設(shè)置端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等串口參數(shù)；②打開(kāi)串口，進(jìn)入數(shù)據(jù)通信狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示模塊的主要功能有:①將不同位置監(jiān)測(cè)的溫濕度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；②將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)保存。預(yù)警提示模塊的主要功能有:①針對(duì)不同的工作環(huán)境，設(shè)置所需要的安全預(yù)警值，溫度范圍0～50℃、濕度范圍20%～90%RH，當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)超出預(yù)警范圍，則發(fā)出警告；②將超過(guò)預(yù)警范圍的具體位置和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行提示與保存。

圖9 4路數(shù)據(jù)采集終端實(shí)圖

3 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

在測(cè)試階段，單片機(jī)通電進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，以4路數(shù)據(jù)采集為例，其數(shù)據(jù)采集終端如圖9所示。

使用USB接口將無(wú)線(xiàn)接收端插在PC機(jī)上，打開(kāi)用戶(hù)端軟件即可。測(cè)試時(shí)，對(duì)4個(gè)指定位置同步進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)測(cè)量，采集結(jié)果通過(guò)測(cè)試窗口在PC機(jī)上實(shí)時(shí)呈現(xiàn)[8-11]，用戶(hù)數(shù)據(jù)顯示界面如圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)最小測(cè)量誤差約為:溫度±2℃、濕度± 5%RH。

圖10 數(shù)據(jù)顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)搭建了基于STC89C52單片機(jī)的多終端遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的整體測(cè)試。以單片機(jī)為核心，對(duì)多路數(shù)據(jù)采集終端電路進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，對(duì)不同位置環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù)由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊完成遠(yuǎn)距離傳輸，經(jīng)串口將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與處理，起到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和預(yù)警作用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可視性強(qiáng)，可靠性高，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的有效監(jiān)控，克服了遠(yuǎn)距離作業(yè)與危險(xiǎn)作業(yè)等實(shí)際難題，可以向工業(yè)生產(chǎn)、食品運(yùn)輸、智能家居等領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

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Multi-terminal remote monitoring and early warning system based on STC89C52 MCU

YU Ya-nan，HE Cheng-cheng，WANG Gang
（School of Information Technology，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

In order to overcome the problems of remote operation and dangerous operation,a multi terminal remote monitoring and warning system based on STC89C52 and wireless communication technology is proposed in this paper.With STC89C52 micro-controller as the core,with the independent circuit design for data acquisition terminal,the system adopts the multiple sensing and measuring device to have real-time monitoring of the different position of the environment parameters according to the actual needs,including temperature and humidity data.Long distance transmission of data information is completed by wireless transceiver module KYL1020U and multi-information is transported to PC by serial communication to achieve real-time displaying and processing.The test system proposed has characteristic of simple structure,easy use,real-time performance and high reliability to meet users'requirement.

remote control;wireless communication;micro controller unite;sensor

TP277

A

2095－0926（2015）02－0035－04

2015-04-02

天津市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目（20130404）；天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)校級(jí)重點(diǎn)預(yù)研項(xiàng)目（KJY1303，KYQD13001）.

于雅楠（1984—），女，講師，博士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)及精密檢測(cè)技術(shù).