基于SHT11溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11作為測量元件，結(jié)合單片機(jī)和GSM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括溫濕度數(shù)據(jù)采集終端軟硬件設(shè)計(jì)以及監(jiān)控系統(tǒng)通信端軟件的具體實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)裝置相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高。
關(guān)鍵詞：數(shù)字溫濕度傳感器SHT11；GSM；遠(yuǎn)程監(jiān)控；單片機(jī)

    溫濕度控制在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運(yùn)用非常廣泛，本系統(tǒng)采用SHT11溫濕度復(fù)合傳感器是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，其外形尺寸僅為7．65x5．08x23．5 mm，體積與火柴頭相近，SHT11采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對(duì)現(xiàn)場的采集速率而進(jìn)行調(diào)整，一般情況下默認(rèn)的測量分辨率分別為14 bit(溫度)、12 bit(濕度)，如果在高速采集中就可分別降至12 bit和8 bit，對(duì)溫度的量程范圍：-40～123．8℃，濕度的量程范圍：0～100％RH，采用該芯片使本系統(tǒng)構(gòu)成更趨于簡單化同時(shí)本系統(tǒng)還使用單片機(jī)控制TC35(廉價(jià)的GSM模塊)發(fā)送、接收GSM短信實(shí)現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 控制原理
    本系統(tǒng)主要由控制器、測量、通信、顯示、鍵盤5部分組成，單片機(jī)控制芯片內(nèi)部定時(shí)器每隔一定的時(shí)間對(duì)溫濕度進(jìn)行一次采樣，產(chǎn)生一次中斷并對(duì)采樣的溫濕度值進(jìn)行計(jì)算，然后系統(tǒng)利用單片機(jī)串口與GSM模塊以通用異步收發(fā)器形式通信，完成溫濕度值通過手機(jī)短消息的方式，發(fā)送到集中監(jiān)控中心或工作人員的手機(jī)終端，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控溫濕度的變化，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 控制模塊采用AT89C2051單片機(jī)
    單片機(jī)控制模塊是本系統(tǒng)的核心，通過外圍電路對(duì)溫濕度采集和向GSM模塊寫入相關(guān)程序，控制部分要實(shí)現(xiàn)能夠控制GSM模塊短消息的接收和發(fā)送、接收溫濕度值并進(jìn)行計(jì)算、設(shè)置相關(guān)的工作模式等各項(xiàng)參數(shù)的功能。
    AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的廉價(jià)高性能8位單片機(jī)，采用80C31內(nèi)核指令系統(tǒng)，與MCS-51完全兼容，內(nèi)含2k字節(jié)的Flash可作為用戶程序存貯器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，采用20引腳封裝，縮小了體積，并內(nèi)含2個(gè)程序加密位，可防止程序的非法讀出，安全性能好。它的低電壓、高性能CMOS的8位機(jī)與MCS-51指令和輸出腳兼容，可以構(gòu)成一個(gè)最小的測量系統(tǒng)。但它只有20個(gè)引腳，15個(gè)雙向輸入／輸出(I／O)端口，其中P1是一個(gè)完整的8位雙向I／O口，兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器，同時(shí)AT89C2051的時(shí)鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時(shí)鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。
1．2 采用SHT11完成溫度、濕度測量
    SHT11溫濕傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測濕元件和一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，它操作比較簡單，只需用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，就能實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，同時(shí)，在測量和通信結(jié)束后，SHT11會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大的減少了功耗，SHT11的主要特點(diǎn)是：
    1)將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片(CMOSensTM技術(shù))；
    2)可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出；
    3)帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；
    4)具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；
    5)具有卓越的長期穩(wěn)定性；
    6)濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；
    7)小體積(7．65x5．08x23．5 mm)，可表面貼裝；
    8)具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；
    9)片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100％互換性；
    10)電源電壓范圍為2．4～5．5 V；
    11)電流消耗，測量時(shí)為550 μA，平均為28 μA，休眠時(shí)為3 μA。
    SHT11的濕度檢測運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時(shí)也非常便于和單片機(jī)連接，因而測量精度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差，SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    SHT11引腳說明：VDD-電源引腳其工作電壓是2．4～5．5 V，DATA-串行數(shù)據(jù)引腳；SCK-串行時(shí)鐘輸入，GND-接地端。SHT11測量過程包括啟動(dòng)傳輸、發(fā)送測量命令、等待測量完成和讀取測量數(shù)據(jù)。
1．3 GSM模塊采用TC35
    TC35是Siemens公司推出的無線通信GSM模塊自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊。TC35模塊的工作電壓為3．3～5．5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2W(900 MHz)和和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2．4 k，4．8 k，9．6 k的非透明模式。
    TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。
    TC35模塊有40個(gè)引腳，通過ZIF連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。IGT端是TC35模塊的啟動(dòng)端，系統(tǒng)加電后為使TC35進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不能超過100 ms，啟動(dòng)后ICT應(yīng)保持高電平(3．3 V)。同時(shí)還要考慮TC35作為數(shù)據(jù)通信設(shè)備來連接，它的RXD0引腳與單片機(jī)的RXD引腳連接，它的TXD0與單片機(jī)的TXD引腳連接才能進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，此外，單片機(jī)的串口是TTL電平，而TC35是采用CMOS電平，應(yīng)接電平轉(zhuǎn)換器件MAX232，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能，系統(tǒng)硬件主要連接如圖3所示。

    使用TC35收發(fā)短信息，采用用戶識(shí)別模塊SIM，用戶必須準(zhǔn)備一張已開通短信息服務(wù)SIM卡，SIM卡上包含了所有的用戶信息。個(gè)人識(shí)別碼PIN可以防止SIN卡未經(jīng)授權(quán)而使用，每當(dāng)移動(dòng)用戶開機(jī)時(shí)，GSM系統(tǒng)先要自動(dòng)鑒別用戶的合法性，只有在系統(tǒng)認(rèn)可之后，才為該移動(dòng)用戶提供服務(wù)。TC35使用外接SIM卡座，SIM卡座上有6個(gè)引腳分別接到T35的模塊SIM的CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCIO，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。
    TC35I模塊的通訊全部采用AT+XXX指令完成，可以用AT指令切換操作模式，可以使它處于數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。
    單片機(jī)可以通過正確的AT指令對(duì)TE35模塊進(jìn)行初始化，例如單片機(jī)向TE35發(fā)送AT回車后，檢測TC35的返回值：若是“OK”則連接正確，若是“ERROR”則是連接錯(cuò)誤。然后才能進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送。本模塊采用PDU支持中文模式，所以本系統(tǒng)使用PDU模式進(jìn)行短消息的接收和發(fā)送。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件主要采用模塊結(jié)構(gòu)，溫濕度的整個(gè)測控過程及遠(yuǎn)程監(jiān)控由主程序、短消息收發(fā)的子程序、溫濕度測量子程序、定時(shí)中斷子程序、顯示子程序等完成。各功能模塊只有一個(gè)入口和出口，各模塊間相對(duì)獨(dú)立，避免某功能模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的故障發(fā)生。A T89C2051單片機(jī)對(duì)TC35模塊進(jìn)行通信，其中初始化的工作包括設(shè)置波特率、網(wǎng)絡(luò)登錄、設(shè)置發(fā)送短消息的模式為PDU。然后單片機(jī)通過向TC35寫入不同的AT指令，能完成多種功能，如網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)、讀取SIM卡上電話號(hào)碼、發(fā)送短信息、接收短信息、刪除短消息等。這里只給出主程序流程、短消息收發(fā)子程序的流程、溫濕度測量子程序，如圖4～圖6所示。

3 結(jié)束語
    本系統(tǒng)適用于無人值守的溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)能對(duì)溫度和濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，測濕精度為±3．0％RH，在溫度為25℃時(shí)測溫精度為：±0．4℃，靈敏度高，具有極高的安全性、可靠性和長期穩(wěn)定性，又由于SHT11傳感器直接輸出數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡單。