基于TC35和nRF24L01的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

席 婷，金燕華，曹 勇

（電子科技大學(xué) 四川 成都 611731）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)的重要性正在逐漸被人們所認(rèn)識(shí)和重視。現(xiàn)階段，我國(guó)在石油、煤礦、水利水電等資源的監(jiān)測(cè)和管理中仍然缺乏經(jīng)濟(jì)實(shí)用、有效安全的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)缺O(jiān)控設(shè)備，傳統(tǒng)的人工方式既耗費(fèi)了大量的人力物力，同時(shí)也無(wú)法避免人工帶來(lái)的誤差，而且對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理相當(dāng)滯后，線路鋪設(shè)也存在很大的局限性。通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展使得水利電力系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度進(jìn)一步提高。如果使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸數(shù)據(jù)的載體，上述面臨的種種問題就可以得到很好的解決與完善。文中設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)量的采集與監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)3部分組成。

數(shù)據(jù)采集終端由3個(gè)從機(jī)組成，每個(gè)從機(jī)由A/D（MAX144）負(fù)責(zé)監(jiān)控量采集，并配有紅外解碼按鍵設(shè)置功能，可對(duì)從機(jī)的相關(guān)功能進(jìn)行人工設(shè)置。從機(jī)采集的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示，其與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的傳輸均采用無(wú)線射頻模塊nRF24L01。

數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站也采用無(wú)線射頻模塊nRF24L01，其與3個(gè)從機(jī)組成簡(jiǎn)單的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并接有GPRS模塊（TC35）A，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行短信發(fā)送，同時(shí)對(duì)上位機(jī)發(fā)來(lái)的自定義數(shù)據(jù)格式的短信進(jìn)行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應(yīng)的控制命令以控制從機(jī)的工作狀態(tài)。

上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)為 PC機(jī)，配有 GPRS模塊（TC35）B，對(duì)數(shù)據(jù)短信進(jìn)行接收解碼，從中提取出各個(gè)從機(jī)的監(jiān)測(cè)量采樣值，然后存入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以方便以后進(jìn)行查詢等操作[1-3]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 GPRS模塊

TC35i模塊是西門子公司推出的一種無(wú)線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

TC35i模塊應(yīng)用接口采用40腳的Zip插座，包含的引腳功能有：3.3～5.5 V、峰值為2A的直流電源接口，模擬音頻輸入、輸出接口，8個(gè)引腳的標(biāo)準(zhǔn)RS232信號(hào)接口，6個(gè)引腳符合GSM11.11標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡連接、控制接口。文中應(yīng)用4個(gè)接口，電源接口、控制接口、串行通信接口及SIM卡連接接口。TC35模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TC35模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of TC35

2.2 監(jiān)測(cè)量采樣模塊

監(jiān)測(cè)量采樣模塊電路要完成對(duì)監(jiān)測(cè)量的采樣任務(wù)，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，不同的采樣電路對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性有很大的影響。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣電路主要運(yùn)用MAXIM公司的12位串行A/D MAX144。電路如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量采樣電路Fig.3 Monitoring sampling circuit

芯片采用的參考電壓為外置的+5 V電源，2、3兩腳分別模擬電壓輸入的采樣口，本系統(tǒng)將2路采樣結(jié)合在一起。圖中Rc是電位器，跳帽是監(jiān)控量選擇開關(guān)。當(dāng)2、3引腳短路時(shí)，系統(tǒng)為了模擬監(jiān)測(cè)量的值，MAX144采樣的是電位器上Rc的電壓。當(dāng)1、2引腳短路時(shí)，系統(tǒng)可以采集外接的各種傳感器（一般標(biāo)準(zhǔn)0～5 V信號(hào)）的輸入信號(hào)。設(shè)計(jì)了一個(gè)4位的接線柱，可為外置的傳感器（如溫度、氧氣濃度等）提供所需的工作電源以及信號(hào)輸入接口，大大增加了系統(tǒng)的實(shí)用性和擴(kuò)展性[4-6]。

2.3 nRF24L01無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)模塊

nRF24L01[4]是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，內(nèi)置頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)制器等模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行自由配置。nRF24L01以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA；接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA。nRF24L01工作于 2.4～2.5 GHz ISM頻段，融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，功耗低，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），其性能的優(yōu)越性使系統(tǒng)設(shè)計(jì)的更加簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用。

nRF24L01有3種待機(jī)模式：待機(jī)模式1，待機(jī)模式2以及掉電模式。數(shù)據(jù)包處理模式分為ShockBurst模式和增強(qiáng)型ShockBurst模式兩種，本系統(tǒng)采用了后面一種，因?yàn)樵鰪?qiáng)型ShockBurst模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來(lái)更為容易、有效。典型的雙向鏈接為：發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號(hào)，以便于發(fā)送方檢測(cè)有無(wú)數(shù)據(jù)丟失，一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。增強(qiáng)型的ShockBurst模式可以同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無(wú)需增加MCU工作量。

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個(gè)數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的通信頻道，6個(gè)不同的nRF24L01可以對(duì)這6個(gè)發(fā)送端進(jìn)行相互識(shí)別。數(shù)據(jù)通道0是唯一一個(gè)可以配置為40位自身地址的數(shù)據(jù)通道，1～5數(shù)據(jù)通道都為8位自身公用地址，所有的數(shù)據(jù)通道都可以設(shè)置為增強(qiáng)型ShockBurst模式。nRF24L01在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用做接收應(yīng)答信號(hào)，因此，數(shù)據(jù)通道0的接收地址與發(fā)送地址必須相等以確保接收到正確的應(yīng)答信號(hào)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用主一從三的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，功能完全滿足預(yù)期要求。電路如圖4所示。

圖4 nRF24L01電路Fig.4 nRF24L01 circuit

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)分為從機(jī)和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站兩個(gè)部分。

從機(jī)的任務(wù)主要是采樣、顯示數(shù)據(jù)并接收“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”的控制指令，然后完成相應(yīng)的控制功能。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行必要的初始化操作，包括設(shè)置AT89S52單片機(jī)的I/O口工作方式、開中斷等，然后初始化數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片MAX7221，使其顯示相關(guān)內(nèi)容，最后再進(jìn)行無(wú)線射頻模塊的初始化工作，并設(shè)置其工作模式為接收模式。單片機(jī)進(jìn)入主程序后，就一直檢測(cè)有沒有紅外遙控控制信號(hào)。如果有紅外信號(hào)則執(zhí)行相應(yīng)的控制指令（包括參數(shù)的設(shè)置等命令）；如果沒有則進(jìn)行數(shù)據(jù)A/D采樣并實(shí)時(shí)數(shù)碼顯示，每顯示完一次數(shù)據(jù)后再檢測(cè)是否收到無(wú)線射頻控制信號(hào)，如果收到控制信號(hào)則執(zhí)行相應(yīng)程序（包括反饋采樣數(shù)據(jù)、接收?qǐng)?zhí)行命令等），沒有則返回到主程序進(jìn)行紅外信號(hào)的檢測(cè)，以此循環(huán)執(zhí)行。無(wú)線射頻信號(hào)的控制指令分為好幾種，從機(jī)接收到不同的編碼指令后，可對(duì)應(yīng)的執(zhí)行反饋采樣數(shù)據(jù)、控制繼電器工作以及警戒值設(shè)定等操作。

“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)從機(jī)的工作并進(jìn)行相關(guān)信息量的轉(zhuǎn)送。首先，“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”進(jìn)入接收從機(jī)采樣數(shù)據(jù)的倒計(jì)時(shí)程序，當(dāng)時(shí)間到時(shí)，就開始依次接收各個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)，接收完最后一個(gè)從機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入數(shù)據(jù)的短信傳輸程序，短信發(fā)送成功后再進(jìn)入倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，以此循環(huán)。當(dāng)上位機(jī)有短信發(fā)來(lái)時(shí)，“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”就接收PC機(jī)發(fā)送過來(lái)的控制短信，對(duì)短信進(jìn)行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應(yīng)的控制命令以控制從機(jī)的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站程序流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站程序流程圖Fig.5 Flow chart of data transmission module

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，以及各種新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)正在進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的階段。由于本系統(tǒng)使用了GPRS通信技術(shù)和短距離無(wú)線射頻組網(wǎng)技術(shù)，相對(duì)于其他有線通信技術(shù)有很多的優(yōu)越性，從而很容易取代一些基于有線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，因此，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性，不管是應(yīng)用于自動(dòng)抄表系統(tǒng)，還是溫度測(cè)量、環(huán)境測(cè)量等領(lǐng)域中，都有很好的發(fā)展前景。

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