基于GPRS的温湿度监测系统_郁赛赛.pdf

Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)工程应用本栏目责任编辑：梁书基于 GPRS 的温湿度监测系统郁赛赛，袁静，刘国成，谢雨婷，岳卫国，韩昱（宿迁学院 电子信息工程系，江苏 宿迁223800）摘要：随着互联网技术的进步和大数据时代的到来，人们对数据采集有了更高的要求，而传统的有线数据采集受限于传输方式，难以满足人们对复杂环境下远距离数据采集和传输的需求。文中设计了一种基于 GPRS的温湿度采集和传输系统。该系统由STM32单片机作为主控制器，包括电源模块、GPRS模块、温湿度采集和显示模块，经系统总体分析和软硬件调试，最终，完成了该数据采集系统。系统可进行远程数据采集，然后将采集到的数据通过 GPRS 网络上传到服务器或手机，具有成本低廉、结构简单具有数据采集方式灵活时效性高的特点，因此在工程应用中具有较高的实用价值。关键词：GPRS；温湿度采集；STM32；SIM900A；无线数据传输中图分类号：TP368文献标识码：A文章编号：1009-3044(2022)36-0095-02开放科学（资源服务）标识码（OSID）:1 引言在高度信息化的现代社会，移动通信技术快速发展，已经从2G来到了5G时代。信息技术的进步也为许多传统工程问题带来了新的解决思路1。在工业生产、环境监测、水文测量等工程项目中数据测量占据了重要地位2，而传统的有线传输虽传输效率高但易受环境因素的影响，难以适应复杂环境和远距离传输。与有线传输不同，GPRS通过分组数据交换技术可实现远距离无线传输，特别适用于频繁的少量数据传输和间断的大量数据传输3。且得益于我国的通信基础设施建设，基于GPRS技术的数据传输系统在广大的山区、农村地区也可以得到广泛使用。2 GPRS技术GPRS(General Packet Radio Service)是一种基于GSM发展起来的移动数据技术4。它是利用GSM网络中的TDMA信道，提供中速的数据传输服务。它的特点是间歇传输数据，最高速率可达170千比特/秒，支持短信、语音、上网和数据无线传输等业务。GPRS遵循TCP/IP 协议或 UDP 协议，通常用于客户端和服务器之间的通信，从而进行无线数据传输5。随着GPRS 网络服务技术的不断发展，GPRS在数据通信领域的应用越来越广泛6，它传输速率快、可靠性高、永久性在线的优点在环境监测和智能汽车定位等应用领域得到了很好的体现。3系统硬件设计系统主要是以 STMicroelectronics 公司的 M3 核STM32103ZE作为主控单元，集温湿度数据采集电路，电源电路和 GPRS 无线传输电路为一体的数据采集发送终端。MCU单元用于整体控制和对 GPRS 无线通信模块发出 AT 指令；温湿度数据采集电路的功能是实现采集所处环境的温湿度；电源电路负责整体模块的外部供电；GPRS 模块负责将采集到的数据通过GPRS 移动通信网络上传到服务器或手机。此外，系统采用了 0.91 寸 OLED 液晶屏作为显示模块，实时显示所测量环境的温湿度。使用SHT20 芯片来采集温度和湿度，它的体积较小，I2C 通信。采用JTAG 进行系统硬件部分的调试，测试是否正常驱动硬件，是否能正常实现数据采集与传输模块的功能要求。主控制微处理器温湿度传感器JTAG调试电源电路显示模块GPRS无线通信模块显示模块天线图1 整体硬件框图3.1 MCU单元设计MCU 单元使用 STM32F103ZET6 芯片作为主控单元的核心芯片，正常工作电压为2.03.5V，主频为72MHZ且含有大量外设资源78。该芯片相比于其他同系列微控制器拥有更大的存储容量可满足本系统大量数据采集的要求。芯片内部自带基准的 RTC 时钟和看门狗定时器，能有效阻止异常情况，防止测试程序跑飞死机。本系统的主晶振采用 8MHz 晶振，可将处理器的收稿日期：2022-05-12修回日期：2022-05-23作者简介：郁赛赛（1999），男，江苏邳州人，本科在读，研究方向为移动通信；袁静（1979），女，江苏宿城人，副教授、硕士，研究方向为嵌入式系统、信号处理。E-mail：http：/Tel：+86-551-65690963 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术Vol.18,No.36,December202295DOI:10.14004/ki.ckt.2022.2279Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)本栏目责任编辑：梁书工程应用频率增加六倍至72MHZ，此晶振是给需要高频的外设提供的。RTC 时钟电路的专用晶体振荡器频率为32.768KHz，且在时钟晶振两端配有两个电容式以抵抗外部电磁干扰。PD0PD0PD1PD1PD2PD2PD3PD3PD4PD4PD5PD5PC14/OSC32_INPC14/OSC32_INPC15/OSC32_OUTPC15/OSC32_OUTPD6PD6PD7PD7VBATVBATOSC_INOSC_INOSC_OUTOSC_OUTNRSTNRSTY1C1C2R1R2PD0PD1PC15PD5PC14PD2PD3PD4PD6PD7GND1GND2R4R5R6R7C3Y2GND3GND4GND5GND6S1C4C5C6C7+3V+3V图2 时钟电路3.2 GPRS 无线通信模块电路设计GPRS部分采用SIM900A，它包含了 AT指令、网络注册、短信操作等多种功能。SIM900A在同一时间只能处理微处理器发送的一条 AT 指令，如果同时接收到多条则会被丢弃，只保留一条。SIM900A 由TTL电路驱动，可自适应兼容3.3V和5V电压，能够与STM32系列单片机直接连接，可进行短信收发，无线数据传递，图像传输，彩信等服务。本系统只需用到网络服务、收发短信和无线数据传递三种功能。此外，为防止GPRS模块发射功率过大导致单片机复位，该模块采用5V1A独立直流电源与单片机分开供电。IPX微型天线电路包含了两个二极管，与电阻、电容和双极性晶体管组成天线电路，来保证信号的强度。POWKEYPOWKEYOUTDTRRIDCDDSRCTSRTSTXD_ORXD_IDISP_CLKDISP_DATAVDDEXTDISP_D/CDISP_CSNRESET GNDGPIO10/KBC1GPIO9/KBC2GPIO8/KBC2GPIO7/KBC3GPIO6/KBC4GNDGNDGPIO5/KBR0GPIO4/KBR1GPIO3/KBR2GPIO2/KBR3GPIO1/KBR4GNDSCLSDAPWM2PWM1GNDLEDR7GND5Header1R8R9Q2R10R11R12VCC_MCUTXDQ3R11VCC_MCUTXDHeader2C2GND6C3GND7图3 SIM900A主要硬件原理图3.3 温湿度传感器电路设计温湿度测量模块采用SHT20作为传感器对环境温湿度进行实时检测，测量到的温湿度数据经微控制器传输到GPRS无线传输模块。SHT20的标准工作电压为3.3V，采用 I2C 通信原理。其湿度检测范围为0100%RH(3%RH)，温 度 测 量 范 围 为-40125(0.3)。采样规则是一定时间内采集n次后取平均值。SHT20的特点是可靠性高，稳定性好。而且它具有体积小、功耗低、抗干扰能力强、温湿度一体化等优点，可在野外露天环境下进行测量，也适用于室内复杂环境下的温湿度监测。所以采用 SHT20 温湿度传感器可以保证本模块的通用性。4 系统软件设计系统软件设计首先是初始化模块，然后GPRS通过附着移动终端建立连接，数据采集模块开始采集周围环境数据，OLED模块实时显示采集到的环境参数，最后GPRS模块将数据打包成 IP 数据包传输到服务端。如果采集到的数据超过预先设置的阈值范围，实时报警程序将通过 GPRS 网络发送报警短信。初始化开始GPRS模块初始化拨号连接拨号成功服务端和客户端成功通信YN采集周围环境参数数据传输至服务端在服务器端显示环境实时数据结束发送警报信息判断采集数据是否超过阀值YN图4 软件设计流程图4.1 数据传输模块程序数据传输程序设计需要完成SIM检测、GPRS初始化、GPRS通信连接和数据无线传输四个部分。在GPRS服务建立时需要一个公网IP地址以便识别主机的准确地址，如果采用局域网IP地址，服务端就难以找到数据采集终端的位置，无法完成握手通信。此外，考虑到工程应用中环境因素复杂多变，无线传输极易受到电磁波干扰，因此在数据传输过程中加入了奇数校验以提高系统的可靠性。4.2 实时检测报警程序报警短信的发送是采用SIM900A自带的AT指令集完成的。当检测到的温湿度超过预先设置的阀值时，短信会以UCS2编解码形式将当前检测到的数据和警报信息发送到预先设置连接IP地址的主机。根据不同场合的需求不同，需要设置的温湿度阈值范围是不一样的。因此要在程序里预先根据检测环境的需求，来设置温湿度阈值范围。如果采集到的数据超过这个阈值范围，GPRS 模块就会向上位机发送温湿度超标的短信。短信内容为“温度超标，当前温度为 xx；湿度未超标，当前湿度为 xx”。5 系统调试5.1 测试条件首先需要对系统硬件进行测试，主要看程序是否能够正常驱动硬件，硬件电路有没有短路、能否正常工作，GPRS 模块能否正常进行通信，温湿度采集数据（下转第99页）96Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第18卷第36期(2022年12月)第18卷第36期(2022年12月)工程应用本栏目责任编辑：梁书传三个环节，并且可任意通过核心库中的库函数对与板子相连的硬件进行控制，部分代码示例图4。图4 部分代码示例5 总结图5为项目使用设备图片。本文提出了一种用于保障室内安全、来访安全、防疫安全的项目研究。该项目研究通过DHT11温湿度传感器模块和MQ-2烟雾传感器模块实时监控保障室内安全，通过树莓派实现人脸识别和GY-906红外测温模块保障来访和防疫安全。小程序与传感器以及百度AI平台的组合应用将大大提高实用性和方便性。该系统能保证设备长时间工作，易于购买和安装。它可以有效地保障在疫情期间人员的人身情况，减少财产损失。图5 项目使用设备图参考文献：1 兰鸽,刘文平.基于树莓派的实验室人脸识别门禁系统设计J.信息记录材料,2021,22(2):190-192.2 张宣妮,马秀霞,鲁方莹,等.智慧小区的人脸识别门禁系统J.信息系统工程,2021(4):95-96.3 叶阳,顾国民.基于百度API的实时人脸检测J.信息记录材料,2020,21(5):226-227.4 Cheon J,Lee J,Lee I,et al.A single-chip CMOS smoke andtemperature sensor for an intelligent fire detectorJ.IEEE Sensors Journal,2009,9(8):914-921.5 Wang J X,Su J P,Hua R Y.Design of a smart independentsmoke sense system based on NB-IoT technologyC/International Conference on Intelligent Transportation,Big Data&Smart City(ICITBS).Changsha,China.IEEE,2019:397-400.【通联编辑：代影】（上接第96页）是否出现错误等内容。软件部分测试主要包括检测GSM服务是否正常，上位机连接情况，AT指令响应速度等内容。此外，为避免本地网络故障对系统测试产生影响，还应在系统测试前检测本地网络的延时和丢包