摘要：本文根據(jù)城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集的需求，以單片機(jī)MSP430F1232為核心，集成GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊，詳細(xì)論述了城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計，包括硬件方案和軟件方案的設(shè)計。該系統(tǒng)可以實時記錄城市環(huán)境采集點的溫度、濕度、噪聲強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實時的傳送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的服務(wù)器上，以便研究人員對采集到的城市環(huán)境信息進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；GPRS模塊；DS18B20；LTC3105

引言

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集分析也越來越重要，如何使環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、分析更加簡便易行，是城市環(huán)境監(jiān)測研究機(jī)構(gòu)最關(guān)心的問題。城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集是城市環(huán)境監(jiān)測研究機(jī)構(gòu)對城市環(huán)境狀況進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)，但是以往的城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集大都僅依靠人工完成，采集記錄的環(huán)境數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)之間存在較大的誤差，對數(shù)據(jù)的應(yīng)用以及城市環(huán)境狀況的分析等都會造成很大的影響。城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以實時、方便、快捷地采集城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并且可以全天候工作，真實可靠地記錄城市環(huán)境數(shù)據(jù)，從而可以避免人為誤差。

1城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備的功能

為了真實有效的采集記錄安裝點的環(huán)境數(shù)據(jù)，以便環(huán)境研究機(jī)構(gòu)對采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，掌握城市環(huán)境變化規(guī)律，更好的為人類的生活生產(chǎn)服務(wù)，環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要功能如下：

1）城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息采集功能

該設(shè)備可以實時對安裝地點城市環(huán)境數(shù)據(jù)（例如溫度、濕度、噪聲強(qiáng)度、懸浮顆粒濃度等）進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的采集。

2）數(shù)據(jù)存儲功能

該設(shè)備可以對采集到的城市環(huán)境數(shù)據(jù)按時間先后進(jìn)行存儲記錄，以便城市環(huán)境分析人員對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實確認(rèn)。

3）數(shù)據(jù)傳輸功能

設(shè)備可以將采集到的城市環(huán)境數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的服務(wù)器上，以便相應(yīng)的人員對城市環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。同時該設(shè)備還可以通過GPRS模塊接收來自城市環(huán)境監(jiān)測中心的設(shè)置命令，用以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)設(shè)置。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以高性能、低功耗單片機(jī)MSP430F1232為核心控制器，集成GPRS模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲器模塊、鍵盤以及電源管理模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收來數(shù)據(jù)采集模塊的實時數(shù)據(jù)信息，同時對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、存儲，并且可以通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的服務(wù)器上；數(shù)據(jù)采集模塊采集現(xiàn)場的環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；GPRS模塊負(fù)責(zé)設(shè)備與城市環(huán)境監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)通信，通過GPRS模塊該設(shè)備可以將采集到的實時數(shù)據(jù)信息發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心，同時也可以接收來自城市環(huán)境監(jiān)測中心相應(yīng)的設(shè)置命令。另外該設(shè)備還可以通過鍵盤來設(shè)置工作狀態(tài)（例如數(shù)據(jù)采集時間間隔、發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔等）。為了避免頻繁更換設(shè)備工作時所需要的電池，該終端設(shè)備采用太陽能電池供來提供工作所需的電能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 The block diagram of the system

2.1 單片機(jī)單元

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F1232單片機(jī)，此單片機(jī)是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實現(xiàn)了最大化的代碼效率。包括1個內(nèi)置16位的定時器、一個快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，一個通用串行同步異步通訊接口和22個I/O端口。下面列出它的一些主要特性：低電源電壓輸入范圍：DC 1.8~3.6V；超低功耗：2.5uA  @ 4kHz,2.2V；具有5種節(jié)電模式；喚醒時間小于6us；12位200Ksps的A/D轉(zhuǎn)換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；2個8位并行端口，1個6位并行端口；片內(nèi)包含8KB FLASH ROM和256 RAM；1個通用的16位定時器，并具有片內(nèi)溫度傳感器^[1]。單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線接口接收來自數(shù)據(jù)采集模塊的各種數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與存儲，然后通過串口0與GPRS模塊相連接完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，實現(xiàn)與城市環(huán)境監(jiān)測中心的雙向通信。

2.2 GPRS模塊

2.2.1 GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業(yè)務(wù)的簡稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接；是GSM Phase2.1規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbit/s更高的數(shù)據(jù)率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、調(diào)頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。作為第二代移動通信技術(shù)GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術(shù)，GPRS充分利用了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)的設(shè)備，不需要改變無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因而從很大程度上節(jié)省了移動網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。它支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議，在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時只需要增加部分硬件設(shè)備和軟件升級即可^[2]。

GPRS的數(shù)據(jù)傳輸具有以下幾個特點：（1）采用的時分組交換技術(shù)的通信方式。在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長度的數(shù)據(jù)報（分組），每個數(shù)據(jù)報的前面有一個分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道，建立連接。而是在每一個數(shù)據(jù)報到達(dá)時，根據(jù)數(shù)據(jù)報頭中的信息（如目的地址），臨時尋找一個可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用，因此對信道資源能夠更合理地應(yīng)用。（2）按數(shù)據(jù)流量計費，而不是按在線時長計費。GPRS是按照用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量進(jìn)行計費，即用戶一直在線，只要不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸用戶無需付費，從而降低了系統(tǒng)的運行與服務(wù)成本。（3）傳輸速率高。GPRS可提供高達(dá)115kbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率（最高值可達(dá)到171.2kbit/s），比當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)中電路交換業(yè)務(wù)速度（9.6kbit/s）高十幾倍，可以穩(wěn)定地傳送大容量的高質(zhì)量音頻與視頻文件。（4）永遠(yuǎn)在線。GPRS用戶一旦成功連接到網(wǎng)絡(luò)后，無論是否進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用戶始終與網(wǎng)絡(luò)保持連接并且處于在線狀態(tài)。（5）GPRS網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無縫連接。（6）GPRS支持基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應(yīng)用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)互聯(lián)互通。支持特定的點到點和點到多點服務(wù)，以實現(xiàn)一些特殊應(yīng)用如遠(yuǎn)程信息處理。GPRS 也允許短消息業(yè)務(wù)(SMS)經(jīng)GPRS無線信道傳輸。（7）GPRS 的設(shè)計使得它既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內(nèi)恢復(fù)數(shù)據(jù)的重新傳輸。

2.2.2 GPRS模塊介紹

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊，它是城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備與城市環(huán)境監(jiān)測中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊一方面可以將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)信息實時發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的服務(wù)器上；另一方面還可以接收來自城市環(huán)境監(jiān)測中心的設(shè)置命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備與監(jiān)測中心的雙向通信。MC52i模塊特性和技術(shù)參數(shù)如下：（1）符合GSM phase 2/2+。（2）使用標(biāo)準(zhǔn)AT指令控制。（3）MC52i以AT指令方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸都會有相應(yīng)的結(jié)果狀態(tài)（“OK”或者“ERROR”）返回。（4）內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，通過AT指令接口提供給用戶，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的透明和非透明傳輸。透明傳輸是指數(shù)據(jù)的封裝都由TCP/IP協(xié)議自動完成。（5）支持GSM語音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息及GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄓ嵐δ堋＃?）體積小，性價比高，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

2.2.3 GPRS模塊接口電路的設(shè)計

MC52i模塊與MSP430F1232通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖2所示。MC52i的26-30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3V～4.8V，峰值負(fù)載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數(shù)據(jù)接收端口與數(shù)據(jù)輸出端口，分別連接到單片機(jī)串口（UART0）的TXD0與RXD0。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復(fù)位信號；CCIN引腳主要用來檢測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。接口功能見表1所示。MC52i模塊的IGT引腳為開機(jī)信號控制端，當(dāng)MC52i模塊的輸入電源電壓達(dá)到4.0V后，單片機(jī)P1.0控制外圍電路將該引腳拉低到低電平并且維持時間大于100ms，MC52i模塊才可以正常開機(jī)運行。為防止電流回灌到MC52i模塊，外圍電路使用集電極無上拉電阻的三極管作為驅(qū)動電路。

表1 SIM接口功能

Tab. 1 Function of the SIM interface

圖2 MC52i 連接原理圖

Fig. 2 MC52i Connection diagram

MC52i的工作狀態(tài)監(jiān)測可以通過模塊的VDD引腳來完成，當(dāng)模塊工作時VDD輸出高電平，當(dāng)模塊關(guān)閉時VDD輸出低電平，可以通過單片機(jī)P1.2管腳監(jiān)測VDD的輸出電平狀態(tài)來判斷MC52i模塊的工作狀態(tài)。

MC52i模塊與單片機(jī)之間主要通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它們之間的通信波特率可根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)定，可以設(shè)置的通信波特率有1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s，9600bit/s，19200bit/s，38400bit/s，57600bit/s，115200bit/s等。單片機(jī)通過AT指令控制MC52i模塊附著GPRS網(wǎng)絡(luò)并且與城市環(huán)境監(jiān)測中心服務(wù)器建立連接，MC52i模塊與服務(wù)器建立連接完成后，數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備就可以實時向城市環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)送采集到的城市環(huán)境信息，以及接收來自城市環(huán)境監(jiān)測中心的設(shè)置命令。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

    數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集單元部分，其集了單總線數(shù)字溫度傳感器、單總線數(shù)字濕度傳感器、單總線數(shù)字噪聲傳感器、懸浮物顆粒檢測傳感器等于一體。數(shù)據(jù)采集模塊上的所有傳感器均采用單線數(shù)據(jù)傳輸控制方式，并且每只傳感器擁有自己的ID號碼，因此在單片機(jī)接收數(shù)據(jù)時可以很方便的判別出接收到的數(shù)據(jù)類型。限于文章的篇幅本設(shè)計僅對溫度傳感器的工作方式以及與單片機(jī)的連接進(jìn)行介紹。

2.3.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20，其采用3引腳TO-92小體積封裝；測溫范圍為-55~C～+125℃，具有9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度，最小溫度分辨率可達(dá)0.0625℃，以16位補(bǔ)碼方式串行輸出所測量的城市環(huán)境溫度；DS18B20的工作電源既可由遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式；多個DS18B20可以并聯(lián)到兩或三根線上，此時CPU只需用一根端口線就可以實現(xiàn)與多個DS18B20傳感器的通信，這樣占用微處理器的端口也比較少，因此此溫度傳感器可廣泛用于多路溫度檢測與控制中^[3]。

DS18B20中的溫度傳感器可以實現(xiàn)對城市環(huán)境中溫度的測量，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換指令出現(xiàn)后，轉(zhuǎn)換后的環(huán)境溫度以補(bǔ)碼的形式存放在高速暫存存儲器的第0個和第1個字節(jié)中。下面以12位轉(zhuǎn)化為例具體說明：用16位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式提供，以0.0625℃／LSB的形式表示，其中S為符號位。表2是溫度轉(zhuǎn)化后所得到的16位的數(shù)據(jù)格式，高字節(jié)的前面5位為符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，此時只要將數(shù)據(jù)乘以0.0625便可以得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625即可得到實際溫度。

表2 溫度數(shù)據(jù)格式

Tab.2 The temperature data format

例如，+125℃的數(shù)字輸出為07D0H；+25.0625℃的數(shù)字輸出位0191H；-55℃的數(shù)字輸出為FC90H。

單總線傳感器與單片機(jī)的接口電路，單總線傳感器常采用內(nèi)部寄生電源和外部電源供電兩種方式供電，在連接方式上可分為單片連接和多片連接。前者形成單點測量系統(tǒng)，后者構(gòu)成多點測量系統(tǒng)。本次設(shè)計中單總線傳感器與單片機(jī)連接方式為外部電源供電方式，VCC接4.0V電源供電，外部電源供電的優(yōu)點：電源穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、操作方便；單片機(jī)P2口的P2.2為外接多路傳感器的數(shù)據(jù)傳輸線路，以組成多路城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。傳感器與單片機(jī)的連接圖如圖3所示。

圖3 傳感器與單片機(jī)連接圖

Fig.3 The circuit of MCU and sensors

2.4 電源模塊

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用太陽能電池來提供工作所需的電能，并采用凌特公司的LTC3105控制器對太陽能電池提供的電壓進(jìn)行電壓變換，使整個系統(tǒng)可以得到穩(wěn)定的工作電壓并且在電路設(shè)計時加入可充電電池用來存儲剩余的電能以便在無太陽光時系統(tǒng)可以正常工作。電源模塊電路圖如圖4所示。

LTC3105的技術(shù)參數(shù)如下：工作電壓可低至0.225V；該芯片可以編程輸出設(shè)備需要的電壓；最大輸出電流0.4A；外圍電路簡單，只需外接較少的電子元器件就可以為設(shè)備提供穩(wěn)定的工作電壓；轉(zhuǎn)換效率高；具有過熱及過負(fù)載保護(hù)功能。

圖4 電源模塊電路圖

Fig.4 The circuit of power module

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級，系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要有主程序、數(shù)據(jù)采集定中斷程序、數(shù)據(jù)存儲程序以及GPRS通信程序等組成。

3.1 主程序功能

主程序負(fù)責(zé)對設(shè)備的各個工作模塊進(jìn)行初始化、初始化完成后開中斷程序，然后主程序便進(jìn)入中斷等待狀態(tài)，等待中斷的發(fā)生。

3.2 數(shù)據(jù)采集中斷程序

單片機(jī)與各個傳感器之間通過單總線方式連接，空閑時單總線狀態(tài)為高電平，各傳感器處于既可以寫入又可以讀取數(shù)據(jù)的狀態(tài)。對單總線傳感器的操作主要包括兩類：讀取數(shù)據(jù)與寫入數(shù)據(jù)，以ROM操作命令或存儲操作命令的形式出現(xiàn)。相應(yīng)的命令可以由用戶自行定義，在此設(shè)備中定義如下：[F0H]識別總線上的所有傳感器；[33H]讀單個傳感器的序列號；[55H]定位某個傳感器；[CCH]跳過ROM操作；[4EH]寫存儲器；[BEH]讀存儲器；[44H]完成采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)采集中斷程序通過定時器中斷來實現(xiàn)，當(dāng)定時器達(dá)到預(yù)定值時產(chǎn)生中斷，系統(tǒng)便進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序。進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序后，系統(tǒng)將對需要采集數(shù)據(jù)的傳感器進(jìn)行選擇，相應(yīng)的傳感器對單片機(jī)的請求做出響應(yīng)，當(dāng)傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，單片機(jī)對采集完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，數(shù)據(jù)讀取完畢后，單片機(jī)對讀取得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，并且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)按一定格式進(jìn)行存儲以便通過GPRS發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)采集中斷程序流程圖如圖5a所示。

圖5 程序流程圖

Fig.5 Program Flow Diagram

3.3 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以將采集到的實時信息通過GPRS模塊發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的服務(wù)器上，以便城市環(huán)境監(jiān)測中心實時掌握城市環(huán)境變化情況。單片機(jī)采集到各種數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將需要發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心的信息按一定格式進(jìn)行封裝后存儲到數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖器內(nèi)，以便發(fā)送數(shù)據(jù)時調(diào)用。本系統(tǒng)采用定時器中斷方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送時間間隔為5S，當(dāng)定時器定時5S溢出進(jìn)入中斷后，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序，程序讀取發(fā)送緩沖器內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)，并且通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到城市環(huán)境監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖如圖5b 所示。

4結(jié)論

以單片機(jī)技術(shù)、GPRS技術(shù)、單總線傳感器技術(shù)設(shè)計的城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備，具有精度高、響應(yīng)速度快等特點。系統(tǒng)硬件以及軟件均采用模塊化設(shè)計，同時該設(shè)備采用太陽能電池提供工作電源，更方便使用單位對系統(tǒng)的升級與維護(hù)。經(jīng)過實際運行測試，數(shù)據(jù)采集與傳送準(zhǔn)確可靠，為多點無線遠(yuǎn)程城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集提供了一款全新的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點，該系統(tǒng)具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。

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