基于GSM和WSNs的實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 苧， 郭曉冉， 毛向東， 劉海濤

(中國(guó)人民解放軍63908部隊(duì)，河北 石家莊 050000)

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基于GSM和WSNs的實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 苧， 郭曉冉， 毛向東， 劉海濤

(中國(guó)人民解放軍63908部隊(duì)，河北 石家莊 050000)

針對(duì)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格的環(huán)境條件要求，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集報(bào)警系統(tǒng)。以STC12C5A60S2微處理器為控制核心，收集、處理和儲(chǔ)存各校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)GTM900C模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度超出設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)傳輸超限報(bào)警信息。系統(tǒng)精確度高、實(shí)用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠，能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)、記錄實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，有效規(guī)避在環(huán)境不合格的條件下進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)及測(cè)試項(xiàng)目，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 溫濕度采集； 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)

0 引 言

計(jì)量校準(zhǔn)對(duì)周圍環(huán)境因素的要求很高，尤其電子設(shè)備的校準(zhǔn)對(duì)環(huán)境的溫濕度非常敏感，為保證測(cè)量結(jié)果的有效性，并提供修正依據(jù)，環(huán)境必須受控[1]。目前，實(shí)驗(yàn)室溫濕度主要依靠檢定員觀察、記錄放置于各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫濕度計(jì)，記錄方法智能化程度低、記錄數(shù)據(jù)有限且難以保證連續(xù)記錄，導(dǎo)致各標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)法合理匯總，查詢耗時(shí)費(fèi)力；若遇某標(biāo)準(zhǔn)需長(zhǎng)時(shí)間校準(zhǔn)，或某段時(shí)間無(wú)人監(jiān)守，溫濕超限將無(wú)法知曉，從而難以保障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠；受時(shí)空、環(huán)境等因素的制約，有線模式數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)不能完全滿足所有條件下校準(zhǔn)任務(wù)的執(zhí)行，因此,通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式代替有線數(shù)據(jù)傳輸，成為解決此類問(wèn)題的主要研究方向[2～6]。

針對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室溫濕度數(shù)據(jù)受控的要求，根據(jù)nRF2401芯片和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)[7,8]，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)采集與超限預(yù)警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集報(bào)警系統(tǒng)由信息采集和處理子系統(tǒng)，即WSNs節(jié)點(diǎn)及終端控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。信息采集和處理子系統(tǒng)直接與終端控制系統(tǒng)通過(guò)近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。為了得到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度的有效信息，在室內(nèi)安放WSNs節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度、濕度。整個(gè)實(shí)驗(yàn)樓有數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室至少需要一個(gè)WSNs節(jié)點(diǎn)，將其按照一定順序編號(hào)，WSNs節(jié)點(diǎn)采集溫濕度信息并與設(shè)置的閾值對(duì)比，當(dāng)出現(xiàn)量值超標(biāo)時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身聲光報(bào)警，同時(shí)會(huì)將報(bào)警信息傳至終端控制系統(tǒng)，并通過(guò)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communication,GSM)模塊以短信形式發(fā)送報(bào)警信息至指定手機(jī)，以便及時(shí)采取有效措施。采集信息以分時(shí)掃描方式發(fā)送至終端控制系統(tǒng)并保存至存儲(chǔ)芯片內(nèi)，同時(shí)在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，方便查看。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 WSNs節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

WSNs節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊等部分組成。WSNs節(jié)點(diǎn)框圖如圖2所示。

圖2 WSNs節(jié)點(diǎn)框圖

微處理器模塊采用STC12C2052AD單片機(jī)[9]，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)。無(wú)線通信芯片nRF2401采用全球開(kāi)放的2.4 GHz頻段，有125個(gè)頻道，可滿足多點(diǎn)跳頻需要，傳輸速率1Mb/s，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，電壓范圍為1.9～3.6 V，滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，內(nèi)置CRC糾錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，能夠滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求。溫濕度傳感器選擇SHT11，內(nèi)置已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部集成了溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口及CRC發(fā)生器，電源電壓范圍為2.4～5.5 V，濕度測(cè)量范圍為0 %～100 %RH，分辨率為0.3 %RH，溫度范圍為-40～123.8 ℃，分辨率為0.01 ℃，能夠滿足測(cè)量范圍和精度要求。能量供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)兩種供電方式：由干電池供電，適合WSNs節(jié)點(diǎn)自由移動(dòng)，任意擺放；由市電通過(guò)適配器供電，適合WSNs長(zhǎng)期固定在室內(nèi)某個(gè)區(qū)域?；趯?shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀優(yōu)先選用第二種供電方式。

2.2 終端控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端控制系統(tǒng)由中央處理單元、存儲(chǔ)單元、顯示單元、GSM模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和能量供應(yīng)模塊6部分組成，如圖3所示。

圖3 終端控制系統(tǒng)硬件框圖

中央處理單元采用STC12C5A60S2[10]單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，完全滿足系統(tǒng)要求。為了存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)信息，以便查詢，終端控制系統(tǒng)采用可編程存儲(chǔ)器AT24C512存儲(chǔ)采集的信息，并通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示。GSM模塊選用GTM900C無(wú)線模塊。收發(fā)模塊采用與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相同的芯片NRF2401，保證終端控制系統(tǒng)與信息采集和處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 WSNs構(gòu)建

構(gòu)建的WSNs包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)[11]，傳感器節(jié)點(diǎn)布置于各標(biāo)準(zhǔn)室、儀器庫(kù)等房間，負(fù)責(zé)收集房間內(nèi)溫濕數(shù)據(jù)，經(jīng)STC12C2052AD處理，通過(guò)nRF2401傳送數(shù)據(jù)至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)放置于該樓層中間的會(huì)議室，將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STC12C5A60S2處理存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器或通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送至電腦儲(chǔ)存，并將超限數(shù)據(jù)通過(guò)GSM模塊傳送至指定手機(jī)(任務(wù)管理節(jié)點(diǎn))實(shí)現(xiàn)報(bào)警，任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)亦可實(shí)時(shí)主動(dòng)獲取任意傳感器節(jié)點(diǎn)溫濕度信息。WSNs體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 WSNs體系結(jié)構(gòu)

3.2 信息采集和處理子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件功能需求：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制溫濕度傳感器采集并讀取當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)并與閾值對(duì)比，將超限數(shù)據(jù)提取并生成警報(bào)，然后通過(guò)單片機(jī)軟件模擬SPI將數(shù)據(jù)和超限警報(bào)發(fā)給NRF2401，并配置NRF2401到發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。流程如圖5所示。

各節(jié)點(diǎn)溫濕度閾值可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)本身設(shè)置，也可由手機(jī)編輯短信經(jīng)GSM—終端控制系統(tǒng)—節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)置，該設(shè)計(jì)使各節(jié)點(diǎn)閾值更改方便，通用性更強(qiáng)。

3.3 終端控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件功能需求：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制接收器接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，分別存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)信息并在LCD循環(huán)顯示各標(biāo)準(zhǔn)室閾值及實(shí)時(shí)測(cè)試值，當(dāng)有超限報(bào)警時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)、LCD顯示報(bào)警并通過(guò)GSM將超限詳細(xì)信息傳送至手機(jī)終端。流程如圖6所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程

終端控制系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有限，系統(tǒng)通過(guò)串口與電腦相連可定期轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)至電腦；終端控制系統(tǒng)警報(bào)可通過(guò)手機(jī)發(fā)送命令短信關(guān)閉。

圖6 終端控制系統(tǒng)工作流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

隨機(jī)選擇6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)室布置WSNs節(jié)點(diǎn)和經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度計(jì)，對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將終端控制系統(tǒng)布置會(huì)議室，對(duì)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示，對(duì)超限數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)預(yù)警。利用空調(diào)和加濕器對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，待制冷、加濕一段時(shí)間后記錄溫濕度計(jì)和終端控制系統(tǒng)上LCD顯示值，數(shù)據(jù)如表1所示(溫濕度值均取到小數(shù)點(diǎn)后一位，小數(shù)點(diǎn)后第二位數(shù)據(jù)時(shí)刻變動(dòng)，無(wú)實(shí)際意義)。

表1 實(shí)驗(yàn)室溫濕度測(cè)試結(jié)果

可以得出：WSNs節(jié)點(diǎn)與經(jīng)校準(zhǔn)的溫濕度計(jì)測(cè)得的溫濕度值基本一致，最大溫度差為0.5 ℃，最大濕度差為0.8 %RH，誤差范圍小，能夠滿足實(shí)驗(yàn)室要求；其中，標(biāo)準(zhǔn)室1鑒定規(guī)程要求溫度19～21 ℃、相對(duì)濕度45～65 %RH；標(biāo)準(zhǔn)室6鑒定規(guī)程要求溫度17～21 ℃、相對(duì)濕度小于等于80 %RH。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知兩標(biāo)準(zhǔn)室濕度、溫度分別超差，系統(tǒng)聲光報(bào)警，LCD超差結(jié)果顯示，同時(shí)手機(jī)也接收到超差報(bào)警信息。

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室溫濕度采集報(bào)警系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，軟件設(shè)計(jì)合理、效率高，數(shù)據(jù)傳輸速度快，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性好，且易擴(kuò)展、易安裝，滿足實(shí)驗(yàn)室溫濕度監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集及超限報(bào)警要求。

[1] 閆宇華，李 誼，黃 寧，等.GJB 2725A—2001.測(cè)試實(shí)驗(yàn)室和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通用要求[S].北京：中國(guó)人民解放軍總裝.

[2] 唐希浪，肖明清，宋海方，等.基于WSNs的軍用機(jī)場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015,34(10)：96-99.

[3] 朱嶸濤，葉傳濤.基于nRF2401和STC15F2K61S2的無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].石油儀器，2014,28(1)：29-31,34.

[4] 施云波，周 磊，修德武，等.基于GSM的溫濕度環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29(4)：96-98.

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[7] 孫利民，李建中，陳 渝，等.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005:391-402.

[8] 陳遠(yuǎn)波，李 青，王燕杰，等.基于WSNs的醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(2)：120-122,129.

[9] 宏晶科技有限公司.STC12C2052AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].深圳:宏晶科技有限公司，2011.

[10] 宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].深圳：宏晶科技有限公司，2011.

[11] 王 殊 閻毓杰 胡富平，等.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的理論及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

Design of laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system based on GSM and WSNs

GUO Ning， GUO Xiao-ran， MAO Xiang-dong， LIU Hai-tao

(Troops 63908,People's Liberation Army,Shijiazhuang 050000,China)

A laboratory temperature and humidity acquisition and alarm system is designed based on wireless sensor networks(WSNs)for the strict requirements of environmental conditions in the calibration laboratory.System uses STC12C5A60S2 microprocessor as controlcore to collect,process and store each sensor node data in the calibration laboratories,and realize remote transmission of data through GTM900C module.When temperature and humidity exceed a set threshold,the system can automatically transmit the alarm message.System has high precision,strong practicability,stability and reliability,which can accurately monitor and record the temperature and humidity.System avoids the verification, calibration and test items in substandard conditions effectively,which has a strong practical application value.

wireless sensor networks(WSNs); temperature and humidity collection; global system for mobile communication(GSM)

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0092—03

2016—08—31

TP 212

A

1000—9787(2017)08—0092—03

郭 苧(1989-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備與電子元器件環(huán)境試驗(yàn)及可靠性設(shè)計(jì)，以及數(shù)字表、示波器、頻譜儀、時(shí)頻等標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)計(jì)量校準(zhǔn)工作。