基于GSM短消息的温室环境监测系统

1 引言

温室环境的各项参数是否符合规定要求需进行检测得知，而科技的发展为温室环境的监测自动化、高效化提供了重要条件。GSM短信息以其覆盖区域广、快捷、高效、准确、费用低廉、受环境影响小等特点．逐步应用于工业控制、移动作业环境、远程数据采集和监控中。可随时随地通过GSM模块以短消息方式发送和接收现场采集到的数据，具有实时性强、精度高的优点，便于数据信息的集中管理和远程控制。采用 MSP430F149单片机和TC35i作为核心器件，系统实现了对环境中温度、湿度、光照强度、CO2浓度等参数的实时监测。并将测得数据定时以GSM 短消息的方式发送到手机、远程监控中心，也可设置标准环境参数。当环境参数不符合环境要求时向手机发送警报。因此，该系统是一种低成本、体积小、可移动、方便操作的新型环境监测仪。

2 系统结构和工作原理

该系统主要由两大部分组成：环境数据采集部分和数据监测终端。环境数据采集部分主要由环境数据采集传感器、单片机MSP430F149和GSM无线收发模块等组成。其中环境数据采集传感器包括温湿度传感器、光照传感器、CO2浓度传感器，主要完成环境信息的采集。MSP430F149是一款超低功耗单片机，能够在1．8～3．6V电压、1 MHz的时钟下运行，具有5种节电模式；具有强大的处理能力和丰富的片内外设，主要控制环境数据采集传感器和GSM无线收发模块两者有序工作，它是数据采集系统的核心部分，一方面进行用户鉴权，另一方面将获得的数据转换成GSM短信模式，并控制TC35i收发模块发送数据。GSM无线收发模块即 TC35i，负责发送和接收短信，它可以向用户监测终端发送检测到的实时环境数据，同时也接收用户监测终端发来的命令短信。数据监测终端可以是手机终端或计算机监控中心。

图1为系统整体框图，整个电路采用MSP430F149结合外同电路实现对温湿度、光照强度和CO2浓度的数据采集和监控。系统循环监控环境，若出现问题，单机片立即通过AT命令RS232异步串行接口与GSM收发模块进行通信，并利用该模块向手机终端或计算机监控中心发送短信息。监测者可用短信命令设置智能模块，或发送短消息查询命令查询其监控情况，从实现到无线监测。该方式无需拨号，短信收发模块直接把传输的内容和终端号码传送给SMSC，再由 SMSC发送给接收终端。如果发送失败，网络保留消息重新发送。

图1　环境监测系统框图

3 系统硬件设计

3．1 GSM收发模块TC35i

TC35i是一款工业级GSM模块，集成有射频单元和基带处理器，可工作于900 MHz和1 800 MHz两个频段，支持数据、语音、短消息和传真功能。TC35i模块的正常运行需要相应外围电路的配合。TC35i共有40个引脚，通过零阻插座ZIF (Zero Insertion Force)连接器分别与电源、启动与关机、数据通信、语音通信、SIM卡、指示灯等电路连接。启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。TC35i上电1Oms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在引脚IGT加时长至少为100 ms的低电平信号，且该信号下降沿的时间小于1 ms。启动后，该引脚信号应保持高电平。TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU2T，RS232接口电路标准，工作在CMO电平(2165 V]，数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300 b／s～115 Kb／s的波特率下运行。支持的自动波特率为418～115 Kb／s。TC35i模块还支持RTSO／CTSO的硬件握手和Xon／Xoff的软件流控制，串口RS232通信采用MAX3238器件实现电平转换。

3．2 数据采集传感器

数据采集传感器是整个监测系统的重要组成部分，采集处理环境参数，将环境中的温湿度、光照强度、CO2浓度信号转化为电信号。系统将采集到的数据存人存储器，系统对采集的数据带有有线传输方式，通过RS232对数据现场采集与调试。 

3．2．1 光照强度传感器

选用TSL230B测量周围环境的光线强度。该器件采用先进的LinCMOSTM 工艺，由多晶硅光电二极管和单片CMOS电流频率集成转换器构成。它无需外接元件即可完成高分辨率的光照度／频率转换，把一定光谱的光转换成电流。再由电流／频率转换器转换成相应脉冲频率。输出方波或三角波的频率完全由光照幅度决定，分辨率极高，可直接与微控制器相连，如图2所示。S0、S1为灵敏度控制端，实际是通过改变其上方的感光面积来改变灵敏度；S2、S3为满量程选择端；OUT为频率信号输出端，进入单片机的捕获输入，通过计算两次捕获时间内计数器的数值差，便可以计算出输出频率值，最后根据TSL230B的频率一能量关系曲线图对照得到光线强度。

图2　温度湿度、光照传感器连接电路

3．2．2 温度湿度传感器

温度湿度的测量采用SHT11型智能化湿度／温度传感器，它采用CMOSens (Ce-mo-Sens)专利技术(CMOS和传感器技术的融合)，体积小。SHT11主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、A／D转换器、校准存储器(E2PROM)、随机存取存储器(RAM)、状态寄存器、加热器、低电压检测电路等部分，可给出全校准相对湿度及温度值输出，具有露点值计算输出功能；湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；具有数据传输校验功能。SHT11是采用I2C总线接口的传感器，接口电路非常简单，具有数字式输出，免调试，免标定，一致性好，具有超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，图2为其连接电路图。

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3．2．3 CO2浓度传感器

CO2的监测采用6004型CO2浓度传感器，该传感器采用红外线吸收散射式NDIR技术，灵敏度高，可重复性好，响应时间快，预热时间短，长期使用稳定性能好。红外CO2传感器6004的测量范围较宽。分别为0～2 000 pom,0～10 000 ppm，0～50 000 ppm，采用+5 V供电，平均电源损耗45 mA，最小电源损耗15 mA。工作环境为0～50°C，输出电压是在0～4 V变化的直流信号，系统对6004的输出信号进行采样后，送到A/D转换器处理。A／D转换器采用带有I2C总线的ADS1100，它具有分辨率、接口简单、比例放大、功耗低、体积小等优点。ADS1100采用电源电压为基准电压，可按比例进行MD转换。同时带有差分输入且具有高达16位的分辨率，片内可编程增益放大器(PGA)能提供高达8倍的增益，允许对小信号进行测量。该传感器使用寿命长(约10年)，对温度和湿度依赖性比较小，可以明显降低温度的漂移所带来的误差。

3．3 存储器模块

存储器部分采用SST25VF040。它以SuperFlash技术为基础，适用于外扩存储器，其存储容量为4 MB，采用3．3 V单电源供电，无需额外高电压，可通过一些特殊的命令字序列实现对各个子模块的读写和擦除。该器件功耗低，工作电流为7 mA，等待电流为3μA；时钟频率高达33 MHz，可快速编程、擦除、读取，可重复10万次以上，采用8引脚SOIC封装及超薄型WSON封装，可减少电路板空间、耗能及成本。提供最新自动地址增值(AAI)资料写入模式，相较于单一字节资料写入模式，该模式将整个闪存的资料写入时间减少50％。

对采集的数据通过SPI串行通信存储到SST25VF040，也可通过SPI串行通信读取存储器中的数据，从而便于查询、分析、处理采集的数据。存储电路连接如图3所示。通过上拉电阻将CE、SO引脚的初始状态置为高电平，写保护始终为高电平。相应的输入输出端、时钟信号端和使能端分别和单片机接口相连。

3．4 时钟模块

系统采用DS1302器件作为时钟电路。该器件低功耗，可通过串行方式与单片机传送数据，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并且具有月末日期、闰年的补偿功能；还有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭时，也能保持时钟的连续运行。DS1302与单片机系统的数据传送依靠CE、I／O、SCLK 3根端线即可完成。其工作过程为：首先CE引脚驱动至高电平，然后再作用于SCLK时钟脉冲，通过I／O引脚向DS1302输入地址／命令字节，随后再在 SCLK时钟脉冲的配合下，从I／O引脚写入或读出相应数据字节。因此，DS1302与单片机之间的数据传送是十分容易实现的。如图3所示。 

 图3　存储、时钟模块的连接电路

4 系统软件设计

系统软件程序采用C语言编写。主要分为两大部分：一是对监测数据进行判别、检查和存储，包含采集中断、时钟读取子程序、存储程序、短信收发、串行通信中断等程序组成；二是对采集的数据进行处理、分析。系统除接收正常的测量数据．还对采集数据进行判别，监控者也可随时查询所监测的各项参数，短信收发模块对接收到查询指令的用户进行鉴权。如果是非法用户则不处理该指令，同时也可检查各监测数据的时钟和日历设置、各采集终端，分析数字化采集状态的信号装置，并随时校正。定时向检测者发送监测数据，到系统设定时间时，将自动发送最新的监测数据。

单片机和TC35i模块之间采用AT指令通信。TC35i提供的命令接口符合GSM 07．05和GSM 07．07规范。GSM07．07中定义的AT命令提供一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口，数据终端设备通过标准的AT命令与GSM网络引擎相互通信、交换数据。对SMS的控制主要采用3种模式：Block、基于AT指令的Text和基于AT指令的PDU。该监测系统采用PDU模式接收和发送短消息。系统软件采用模块化方式设计，主要有主程序和温度湿度、光照强度、CO7浓度等数据采集子程序，主程序开始后，先初始化单片机、GSM短信收发模块驱动、A／D转换驱动等，其流程如图4所示。

图4　系统软件流程

5 结束语

基于TC35i短信收发模块的环境监测系统结构简单，成本低廉，实时性强。采用一种成熟可靠、便捷的数据传输采集方式。进一步开发该系统可实现基于普通手机的远程操作，可逐步替代移动性不强的PC机，使远程控制更加便捷。