基于TC35的遠程溫度監測報警系統

劉玟宏，王海江，宋 靜，倪進寶

(成都信息工程學院電子工程學院，四川成都610225)

0 引言

溫度是現代社會中無處不在的物理量，工業中對溫度的監測至關重要，糧食倉庫中對溫度的監測也非常重要，溫度的高低對某些化學變化起著決定性的作用，工業、民用、軍事等領域溫度的監測都占有十分重要的地位[1]。因此對溫度的遠程監控更是具有實踐性的意義。

傳統的溫度監測系統，一般都需要人力去觀測系統測量溫度的值，對于一些偏遠地方，這不僅耗費人力物力，而且耗費財力[2－3]。隨后又產生了基于無線模塊的溫度監測系統，相對于人力去觀測溫度值的方式有所改善，但一般無線模塊的傳輸距離有限，在幾十米到幾百米不等。根據目前GSM網絡技術成熟、覆蓋范圍廣的特點[4－8]，系統通過日常生活中人手一部的手機來對溫度進行遠程監測，通過發送短信來獲取溫度的報警信息。這使得該系統使用性高、成本低、后期的維護成本低，具有一定的使用價值[9－12]。

研究的目標是:首先通過溫度傳感器對當前溫度進行實時監測，并通過液晶1602顯示出當前溫度，當溫度超過某一設定溫度時，由單片機控制GSM模塊向指定戶發送短信，實現對溫度的遠程監控。通過課題可以將單片機與日臻完善的GSM網絡聯系，實現遠程監控溫度。同時也是對生活中的節能提出了一種解決途徑。特別是對于那些對溫度數據要求高的偏遠地方，設計提出一種能更好節省人力和物力的理念。

1 系統方案設計

1.1 方案設計

方案使用單片機STC89C52作為控制核心芯片，STC89C52的功能足以完成設計的要求[13－15]。溫度采集是用的DS18B20作為溫度采集的部件，利用它對當前環境溫度進行實時的測量。采用GSM作為通信模塊，GSM模塊通過移動網絡發送短信到指定的用戶，其中單片機STC89C52和GSM模塊之間通過9針串口線連接。單片機的IO口連接到液晶顯示器1602的數據口及控制接口上面。系統大致可以分為3部分:一是實現對溫度采集，由溫度傳感器DSl8B20實現。二是溫度的顯示，通過液晶顯示器1602顯示出溫度。三是發送短信部分，主要通過GSM無線通信模塊(TC35)、和接收短信的手機實現。該方案設計實現溫度數據的采集、處理和顯示。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架

1.2 方案介紹

采用DS18B20作為溫度采集模塊，DS18B20數字溫度傳感器只有3只線接線方便 ，封裝后的DS18B20可用于室內測溫，電纜溝測溫，農業大棚測溫，高爐水循環測溫，糧食倉庫測溫，計算機機房測溫等。按照DS18B20的通信協議，由主機向DS18B20發送命令，讀取DS18B20的轉換溫度，從而實現對環境溫度的測量。GSM模塊采用的是德國西門子公司生產的TC35模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統，GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊，開發人員使用單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，故使用很方便，通過標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能。設計的TC35模塊通過與MAX232連接即可以實現TTL電平的轉換，然后接在一個9針串口的接口上。GSM模塊圖如圖2所示。

圖2 GSM模塊圖

2 系統設計

2.1 單片機的選擇

單片機作為設計中重要的芯片，對其選擇標準應該是功能滿足、穩定性好、操作方便，通過仔細對比，選擇了STC89C52作為設計中使用的主控芯片。設計采用的是基于一款帶有RS232串行接口的單片機最小系統作為主體部分。單片機最小系統包括電源電路，晶振電路，復位電路三大部分。單片機最小系統部分原理圖如圖3所示。

2.2 GSM工作原理及發送短信控制

西門子公司的TC35是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊。在GSM網絡日臻完善的今天，TC35秉承了西門子一貫的優秀品質，GSM網絡的發展已經有很多年的歷史，技術在當今社會中已經非常成熟，所以使用發送短信報警也是比較可靠的手段。TC35功能框圖如圖4所示。

圖3 單片機最小系統原理圖

圖4 TC35功能框圖

控制GSM模塊通信通過AT(Attention)命令實現，AT命令集一般用于 Terminal Equipment(終端設備)與PC(Personal Computer)之間的連接于通信。分別介紹幾條簡單的AT指令:(1)AT+CMGF選擇消息格式。(2)AT+CMGS發送短消息。如表1、2所示。其余AT指令祥見西門子公司的TC35數據手冊只做簡單介紹。

表1 AT+CMGF指令

表2 AT+CMGS指令

將TC35模塊通過RS232接口用串口線和電腦串口連接起來。用串口助手可以調試電腦與TC35之間的通信。簡單實現一條短信發送:(1)先運行一個串口工具。(2)向串口輸入指令“AT+回車”。(3)輸入AT+CMGF=1按回車鍵后點“手動發送”指令功能英文方式發送，狀態有 OK回復。(4)再輸入T+CMGS=“指定用戶手機號”再按回車鍵后點“手動發送”指令功能向指定手機號碼發送信息狀態有“＞”回復。經過以上步驟就可以成功通過電腦串口控制GSM模塊向指定用戶發送短信。具體如圖5所示。

圖5 串口調試GSM模塊示意圖

GSM模塊與電腦通信調試好以后，單片機只需要通過串口向GSM模塊發送上述幾條指令即可實現發送短信的功能。短息的格式采用text格式，也即文本格式。短信內容可由用戶自行設定。需要注意的是選好串口號和波特率，其他不動，如圖3中選擇串口為COM3，波特率為9600 bps，數據位8位，停止位1位，無校驗位。單片機與GSM模塊之間通過9針串口線連接。

2.3 溫度采集和顯示部分

溫度采集是通過DALLAS公司生產的DS18B20溫度傳感器采集當前溫度，然后送到1602液晶顯示器顯示當前溫度值。DS18B20主要由4部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。每一個DS18B20含有唯一的ROM序列號，當采用多個DS18B20時需要對其進行單獨的配置，設計只用到一個故采用默認配置即可。1602LCD是指顯示的內容為16X2，即可以顯示2行，每行16個字符液晶模塊(顯示字符和數字)。1602采用標準的16腳接口，是工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。

DS18B20采集溫度的步驟是:復位→忽略ROM匹配(0xcc)→溫度轉換(0x44)→延時→復位→忽略ROM匹配→讀指令→分別讀取溫度2個字節。1602的操作步驟是:復位→寫命令→讀地址和傳遞數據，初始化然后將溫度送到液晶的數據口。

溫度傳感器DS18B20是單總線器件，該傳感器只具有3只引腳，連接電路并不復雜，3個接口分別是VCC，GND，DB。其中VCC和 GND分別接到電源和地。DB(數據口)本身不具備輸出高電平的能力，所以需要在數據口上接一個上拉電阻在與單片機的IO口連接。

液晶的8位數據口分別于單片機的P0口連接，RS，E，R/W端口分別接上P2的一個IO口。

3 系統軟件設計

3.1 程序實現功能介紹

系統主要包括溫度的采集、溫度顯示、發送短信3個部分的程序組成。程序中需要設定一個報警溫度，當溫度傳感器檢測到當前環境溫度超過設定溫度時，單片機通過串口向GSM模塊發送AT指令。當GSM收到AT指令后，它會執行相關的短信發送操作，從而實現讓GSM模塊向指定用戶發送短信報警。

3.2 軟件設計流程圖

首先是系統上電，然后緊接著是系統初始化，系統初始化包括單片機串行口初始化、溫度傳感器初始化、液晶初始化等。再接著是溫度的采集部分，單片機讀出溫度傳感器采集的溫度，送到液晶數據口顯示出當前環境溫度值，并隨時判斷溫度值是否超過系統設定的溫度值，如果超過該值，則單片機向GSM模塊發送AT指令，最后再次進入溫度采集循環部分。如果沒超過溫度上限，則程序回到采集部分。

圖6 軟件設計流程圖

4 實驗結果及分析

設計通過對溫度的實時監測，實現了能夠準確發送短信，達到通知用戶報警的目的。研究結果表明，系統能夠通過發送短信來對溫度進行遠程實時監測。設計成本不高，實現了合理利用現有的非常成熟的技術對生活提出了一種更加安全、便捷節能的方法，達到了預期的目標。但本設計只是提出了一個大致，用于具體的實踐還需做很多修改。實驗中設置的報警溫度是28℃，用手捏溫度傳感器，使其溫度快速達到上限溫度，然后手機收到報警短信，實驗設置的短息內容是英文短信“temperature exceed”為實驗結果圖7～9所示。

圖7 手動升溫

圖8 收到報警短信

圖9 收到短息內容

表3是將系統同基于無線模塊的測溫系統和傳統的人工溫度監測系統的比較。

表3 同以往溫度監測系統一些比較

首先在成本方面GSM測溫系統成本比傳統的稍微高一點;其次是在獲取溫度時間方面本系統獲取溫度的時間應該是最少的，因為它可以發送短信到我們隨身攜帶的手機上面;再次是在有效距離方面無線模塊測溫系統范圍有限，最后是在便利性方面GSM測溫系統是最方便的。所以綜合所有的優缺點，系統能夠很好的監測溫度。將系統放在不同的環境溫度下測試溫度，然后與實際環境溫度比較，得到測溫誤差隨溫度變化的關系如圖10所示。

圖10 系統測溫誤差

圖10中帶有“*”的曲線為該系統測溫誤差，帶有“.”的曲線為傳統測溫誤差。從曲線彎曲程度分析可以看出系統的總體測溫誤差小于傳統的DS18B20測溫誤差。當溫度在5℃以下以及快到30℃時，誤差較大，產生的原因可能是當溫度太低時測溫系統的靈敏度降低，當溫度接近30℃時，可能是由于系統自身發熱導致溫度的偏差。但是在正常溫度下該系統測溫還是比較精確的，其誤差都在0.4左右。當環境溫度超過30℃時，可以通過將溫度傳感器的讀取值減去1來提高測量精度。將系統分別放在不同的地點判斷發送短信的準確率以及發送短信的延遲時間如表4所示。

表4 一些測試數據

對表3的分析，發送短信和GSM網絡的覆蓋程度有很大關系，當系統在野外和山區時，應該是由于GSM網絡的覆蓋率不是那么好所以導致了有些短信的漏發，而在GSM網絡覆蓋良好的市區和郊區可以達到100%。從短信的延遲可以看出在市區手機用戶較多導致了手機信道的擁塞，所以收到短信的延遲時間較長。然而在郊區、山區、野外在考慮收到短信的條件下其延遲時間普遍較正常。能夠得出該系統是能夠進行有效的遠程監控的。

5 結束語

課題的創新點是提出一種基于單片機遠程的監控思想，達到節能的目的，又使對溫度的監控更加方便，隨時隨地的監控溫度。對以后現代社會中工業，農業，家庭，辦公室等的節能可以發揮較好的作用。認為系統的進一步改進和完善地方首先是用戶可以發送短信給系統去獲取系統任意時刻的溫度值，其次是主要研究對象可以向濕度、氣壓、等方面考慮。

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