張繼飛

摘 要：一種基于GPRS[1]（General Packet Radio Service，通用分組無線業務）和ATMEL128L單片機的智能停電報警器，通過SIM900A模塊建立與用戶手機的遠程短信電話連接，實現對水產養殖場供電情況的監控。該報警器在一些對持續供電要求較高的場所有很重要的應用價值。

關鍵詞：GPRS；SIM900A；停電報警器；水產養殖場；AVR單片機

在眾多的無線通信方式中，GPRS遠程通信因為不受地理限制，加之其方便、高效、快捷、費用低廉等特點，而廣泛應用于場地分散、戶外的公司和企業中。在這些場所，通過GPRS無線通信模塊，可以隨時隨地接收現場的終端設備狀態，便于及時掌控現場數據并進行遠程控制。水產養殖場由于其特殊性，不能停電，一旦停電造成的損失幾乎不可挽回。為此，本系統采用先進的微處理器芯片，結合GSM無線傳輸技術，實現對水產養殖場供電電源遠距離監控，隨時進行管理和操作，提高了水產養殖場的科學管理水平。

一、整機系統組成

整機系統采用模塊化設計，由AVR單片機微處理器、實時時鐘模塊、電源模塊、鋰電池充電模塊、SIM900A通信模塊、溫濕度采集模塊、外接報警器和繼電器模塊組成，其中溫濕度采集模塊、外接報警器和繼電器模塊可根據具體的情況來選擇相應的模塊使用。

首先在SIM900A模塊安裝手機卡，撥動電源開關后約20秒，網絡指示燈每3秒閃爍一次，說明已注冊到手機網絡中，此時報警器與用戶手機建立連接，即可通信。如果停電，報警器會通過SIM900A通信模塊給用戶手機或設定的手機客戶發送停電報警的短信，同時給用戶手機撥打電話，防止客戶忽略停電報警信息。客戶也可以通過給報警器撥打電話來主動獲取報警器的信息。整機系統框圖如圖1所示。

二、系統硬件電路設計

1.微處理器

本設計選用的是ATMEL公司生產的微處理ATmega128[2]。它是一款基于AVR RISC結構的8位高性能、低功耗的CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，Atmega128的數據吞吐率，高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。包括6路分辨率可編程（1到16位）的PWM，8路10位ADC。

2.無線通信模塊[3]

本設計的無線通信模塊采用了SIMCom公司生產的SIM900A[4]模塊。該模塊采用工業標準接口，工作頻率為GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz， 其尺寸大小為24*24*3mm，適用于緊湊型電子產品。SIM900A功耗低，可以與一些低功耗的微處理器通過串口通信來實現數據的傳輸。另外，在硬件原理圖設計方面，SIMCom公司給出了SIM900A模塊的典型電路應用設計，用戶只需按照要求來做即可實現。在PCB設計方面，SIMCom公司主要給出了兩個主要注意的問題點：①SIM900A模塊的供電需要保持穩定；②天線可以采用直連的方式來保證阻抗匹配。

3. 鋰電池充電模塊

本設計的充電器模塊[5]采用TP4056芯片。該芯片是完整的單節鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器。其底部帶有散熱片的SOP8封裝與較少的外部元件數目，使得TP4056成為便攜式應用的理想選擇。

由于采用了內部PMMOSFET架構，加上防倒充電路，所以不需要外部隔離二極管。熱反饋可對充電電流進行自動調節，以便在大功率操作或高環境溫度條件下對芯片溫度加以限制。充電電壓固定于4.2V，而充電電流可通過一個電阻器進行外部設置。當充電電流在達到最終充電電壓之后降至設定值的1/10時，TP4056將自動終止充電循環。當輸入電壓（交流適配器或USB電源）被拿掉時，TP4056自動進入一個低電流狀態，將電池漏電電流降至2uA以下。如圖2是鋰電池充電電路。

三、系統軟件設計

1.電源供電情況檢測程序設計

本系統的電源供電情況的檢測是通過硬件中的TP4056芯片的VddLevel腳（圖3所示）與AVR單片機的PF0（ADC0）腳相連，軟件設計中只要檢測PF0輸入腳高低電平，即可實現檢測電源的供電報警情況，而停電后備用電源電壓也可通過此腳來實現測量并衡量該報警器還能工作多長時間。

2.溫濕度的數據采集程序設計

開機后首先進行初始化，在開機的20s內注冊成功，然后啟動心跳數據，保證停電報警器可以一直在線，按照報警器的要求不斷采集溫濕度數據和供電情況，通過串口與SIM900A模塊通信。軟件流程圖如圖3所示。

3.Atmega128與SIM900A的串口通信程序設計

SIM900A與AVR單片機是通過普通的串口來通信的。而SIM900A通信模塊主要是通過AT指令來實現相應的短信、電話和聯網等功能的。所以，AT指令是實現SIM900A無線通信模塊和Atmega128單片機之間通信的橋梁。通過發送AT指令來控制和監控停電報警器的相關參數。在程序設計中，主要是將SIM900A與AVR單片機之間的串口通信函數封裝起來作為底層固定的函數，要實現相應的功能時，只要向串口寫相應的AT指令即可。程序的這部分用模塊化來處理，增加了程序的可讀性，并且程序跑起來更簡潔。

基于AVR單片機和SIM900A的智能停電報警器[6]，采用無線通信技術。此技術通訊穩定，較好地解決了對現代化水產養殖場供電情況和相關參數的遠程監控問題。在軟/硬件設計中采用了模塊化的結構，靈活性高和適用性好。在移動設備和機房維護單位以及一些需要遠距離監控的場所，該系統具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]（美）R.J.Bates.通用分組無線業務（GPRS）技術與應用[M].朱洪波，沈越泓，蔡躍明，等譯.北京：人民郵電出版社，2004.

[2]馬 潮.高檔8位單片機ATmega128原理與開發應用指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]夏 華.無線通信模塊設計與物聯網應用開發[M].北京：電子工業出版社，2011.

[4]翟 順，王衛紅，張 衍，等.基于SIM900A的物聯網短信報警系統[J].現代電子技術，2012（05）.

[5]趙文倩，尹 斌.基于Atmega128的智能充電系統設計[J].電子設計工程，2013（22）.

[6]宋 揚，丁月明，尹德強，等.用于GIS抽真空設備的停電報警器[J].價值工程，2012（36）.

（作者單位：廈門海洋職業技術學院）