基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

河北工業(yè)大學碩士學位論文基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計姓名：趙輝申請學位級別：碩士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導教師：賈志成20081101河北工業(yè)大學碩士學位論文i基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計摘要伴隨著科技的進步和工業(yè)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)面臨著越來越高的要求，諸如監(jiān)控范圍越來越大、監(jiān)控點越來越分散等。近些年來，出現(xiàn)了一種新型無線網(wǎng)絡—通用分組無線業(yè)務GPRS(GeneralPacketRadioService，簡稱為GPRS網(wǎng)絡。GPRS網(wǎng)絡，具有實時在線、高速傳輸、快速登陸、按流量收費、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議等優(yōu)點。在工業(yè)監(jiān)控領域，GPRS正得到越來越廣泛的應用。本文提出了一種基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計，具體應用于建筑節(jié)能檢測中的室內墻體溫度測量。該監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心，GPRS通信網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)采集終端三部分組成。系統(tǒng)利用中國移動現(xiàn)有的GSM/GPRS網(wǎng)絡，構建遠程無線通信平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心和終端的實時在線連接。下位機部分設計分為溫度采集和無線通信兩部分：溫度采集由單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20和單片機AT89S52構成，將多個DS18B20連接在一起構成溫度傳感器網(wǎng)絡來測量不同點的溫度；無線通信部分則包括單片機和GPRS模塊ZWG-23DP,GPRS模塊負責建立與遠程數(shù)據(jù)中心的通信，而單片機則對接收到的命令進行分析并完成相應的操作。上位機使用組態(tài)軟件進行編寫，實現(xiàn)對下位機系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。論文首先介紹了GPRS技術的基本概念和原理，然后描述了系統(tǒng)總體設計思想與實現(xiàn)功能，并對下位機硬件系統(tǒng)的構建、下位機的軟件系統(tǒng)設計以及上位機的編寫等內容，進行了詳細的介紹與分析。經(jīng)調試與試驗，系統(tǒng)方案切實可行，設計合理。在論文的結尾，指出了論文需要完善之處，并提出了日后繼續(xù)深入研究的方向。關鍵詞：GPRS，分布式系統(tǒng)，DS18B20，組態(tài)軟件基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計iiSTUDYANDDESIGNOFDISTRIBUTEDLONG-DISTANCEWIRELESSMONITORINGSYSTEMBASEDONGPRSNETWORKABSTRACTWiththedevelopmentofindustryandtechnology,themonitoringsystemisfacingever-increasingdemands,suchastheincreasingcoverageofmonitoredareaandthescatteredmonitoringpointetc.Inresentyears,anewtypeofwirelessnetwork(GeneralPacketRadioServiceappears.GPRSnetworkhasmanymerits,suchasreal-timeonline，high-speedtransmission，quicklanding，paidaccordingtofluxofnetdata,supportedIPprotocolandX.25protocol,andsoon.GPRSiswidelyusedinthefieldofindustrialmonitoring.ThispaperpresentsaGPRS-basedremotemonitoringsystemwhichappliedtotemperaturemeasurementofindoorwallfortheenergyefficiencyinspection.Thesystemconsistsofthreepartswhicharethedatacentre,GPRScommunicationsnetworkanddatacollectionterminals.TheexistingGSM/GPRSnetworkisappliedtobuildatransmissionplatformforlong-distancecommunicationinordertorealizereal-timeconnectionbetweentheterminalsanddatacenter.Thedesignofthelower-endcomputercanbedividedintotwomainparts:temperaturecollectionandthewirelesscommunication.Inthepartoftemperaturecollectionthe1-wirebusdigitaltemperaturesensorcalledDS18B20andtheMCUcalledAT89S52areusedtocompletethefunction.Manytemperaturesensorsconnecttogetherinmodeltoconstituteanetworkfortemperaturecollectionindifferentlocations.ThepartofwirelesscommunicationismadeofaMCUandGPRSmodelcalledZWG-23DP.TheGPRSmodelisresponsibleforcommunicationwiththedatacentre.TheMCUanalyzesthereceivedinformationandcompletescorrespondingoperations.Thedatacenterisdesignedthroughtheuseofconfigurationsoftwaretoachieveremotemonitoring.ThispaperintroducesthebasicconceptsandprinciplesofGPRStechnologyfirstly,andthendescribesthethinkingofwholesystemdesignandimplementionoffunctions.Thehardwarestructureoflower-endcomputer,designofsoftwareinthelower-endcomputer,andtheprocessofdevelopmentofupper-endcomputeraredeeplyanalyzedandresearched.Thepracticabilityandfeasibilityofdesignareprovedbytheprocessofexperimentanddebugging.Attheendofthepaper,itindicatesthepointswhereneedtobeimprovedandthedirectionofbeingstudiedcontinuouslyinfuture.河北工業(yè)大學碩士學位論文iiiKEYWORDS:GeneralPacketRadioService,distributedsystem,DS18B20,configurationsoftware河北工業(yè)大學碩士學位論文1第一章緒論現(xiàn)代遠程監(jiān)控系統(tǒng)融合了自動控制技術、計算機技術和現(xiàn)代通信技術三大領域的技術成果，是尖端科技領域的儀器儀表、電子技術、現(xiàn)代通訊技術、計算機軟件等諸多技術的有機結合和綜合運用。在工業(yè)測控領域，隨著計算機技術的不斷發(fā)展，采用單片機作為測控機，計算機作為管理機的控制方法越來越得到廣泛的應用。這種采用微機、測控機相結合，以單片機為核心的下位機與管理主機一起，被稱為分布式系統(tǒng)。其中單片機是把微型計算機主要部分都集成在一塊芯片上，由于其高集成度，縮短了系統(tǒng)內的信號傳輸距離，優(yōu)化了結構配置，大大提高了系統(tǒng)的可靠性及運行速度的同時，它的指令系統(tǒng)又適合于工業(yè)控制的需要，因此單片機在測控技術中得到了廣泛的應用。根據(jù)信息的傳輸方式，上位機與下位機間的通信一般可以分為有線和無線兩種。其中有線通信主要包括架設光纜、電纜或租用電信電話線、DDN、ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine，即非對稱數(shù)字用戶線路）等，存在建設周期長、工作難度大、運行費用高等缺點，不便于大規(guī)模應用；而無線通信則包括超短波通信、擴頻通信、衛(wèi)星通信、GSM/GPRS通信等[1]，具有投資較少、建設周期短、運行維護簡單、性價比高等優(yōu)點。采用基于GSM的無線通信系統(tǒng)，可以解決傳統(tǒng)控制中，構建系統(tǒng)時間長、成本高、抗干擾性差的缺點。它將維護人員從大量繁瑣的工作中解放出來，提高系統(tǒng)的運行效率，增強可靠性和可控性，而且能及時發(fā)現(xiàn)故障，盡快使系統(tǒng)正常運轉。但是，GSM網(wǎng)絡只能提供最高9.6Kbit/s的電路型數(shù)據(jù)業(yè)務，難以滿足如今越來越高的數(shù)據(jù)傳輸要求。其存在的傳輸擁堵和延時，影響了GSM網(wǎng)絡移動數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展，也制約了在實時監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。而GPRS技術的出現(xiàn)，克服了這種限制，為構建速度更快、更安全的遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)提供了可能?！?-1GPRS網(wǎng)絡概述GPRS作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G的過渡技術，是由英國BTCellnet公司早在1993年提出的，是GSMPhase2+(1997年規(guī)范實現(xiàn)的內容之一，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS采用與GSM同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發(fā)結構、同樣的跳頻規(guī)則以及同樣的TDMA幀結構[2]。這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前電路交換的語言業(yè)務信道極其相似，因此現(xiàn)有的基站子系統(tǒng)從一開始就可以提供全面的GPRS覆蓋。GPRS網(wǎng)絡實際上是疊加在GSM網(wǎng)絡之上的一個網(wǎng)絡，它仍然利用GSM網(wǎng)絡的基站收發(fā)器(BTS和基站控制器(BSC，與GSM系統(tǒng)相同，在GPRS系統(tǒng)中，一個TDMA幀分為8個時隙，每時隙構成一個物理信道。物理信道被定義成不同邏輯信道。與GSM系統(tǒng)不同，在GPRS系統(tǒng)中，一個物理信道既可以定義為一個邏輯信道，也可以定義為一個邏輯信道的一部分，即一個邏輯信道可以由一個或幾個物理信道構成[3]。GPRS提供端到端的廣域無線IP連接，采用信道捆綁和增強數(shù)據(jù)速率，進而實現(xiàn)了高速接入，使無基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計2線資源得到充分利用，能夠使得用戶在端到端分組轉移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務。目前第一代GPRS技術可以實現(xiàn)在一個載頻或8個信道中實現(xiàn)捆綁，將每個信道的傳輸速率提高到14.1Kbps，因此GPRS通訊方式的最大速率是115.2Kbps[4]。GPRS發(fā)展的第二步是通過增強數(shù)據(jù)速率改進(EDGE將每個信道的速率提高到48Kbps，因此第二代的GPRS設計速率為384Kbps。它更適合于大多數(shù)的數(shù)據(jù)業(yè)務，如移動辦公室、Internet接入、數(shù)據(jù)和語音多媒體、即時聊天等[5]。GPRS網(wǎng)絡的主要特點是：1.采用分組交換技術[6]，所謂分組交換技術就是GPRS信息在傳輸前被分成既分離又是相關的“數(shù)據(jù)包”，在接收端重新組合。因此GPRS特別適合于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶然的大數(shù)據(jù)量傳輸。2.使用范圍廣，只要有GPRS信號的地方就可以使用，非常適合野外、偏僻地區(qū)的數(shù)據(jù)采集。3.數(shù)據(jù)傳輸速率高，GPRS由于采用了經(jīng)濟高效的數(shù)據(jù)分組交換技術，數(shù)據(jù)傳輸占用GSM的8個時隙，在分割分組后上網(wǎng)發(fā)送。當發(fā)送之后不需要此容量時，就立即釋放。提供了即時連接高速接入，數(shù)據(jù)傳輸可以穩(wěn)定地達到115Kbps，此速率是常用的56Kbpsmodem理速率的2倍，這樣的通訊速度完全可以和專用通訊線路方式相媲美。GPRS采用分組交換技術，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。GSM網(wǎng)中的部分信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務占用。在信道充足的條件下，可以把一些信道作為GPRS專用信道使用[7]。4.GPRS支持基于標準數(shù)據(jù)通信協(xié)議的應用，可以和IP網(wǎng)、X.25網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，支持點到點和點到多點服務，以實現(xiàn)一些特殊應用如遠程信息處理。GPRS也允許短消息業(yè)務(SMS經(jīng)GPRS無線信道傳輸。5.瞬間上網(wǎng)，永遠在線。GPRS的模塊一經(jīng)啟動，就始終附著在GPRS網(wǎng)絡上，每次使用時需要進行激活，一般只需要2-3秒的時間就能馬上登錄至Internet，通訊網(wǎng)絡的建立過程十分迅速。由于GPRS使用了數(shù)據(jù)分組技術，用戶上網(wǎng)就可以避免斷線情況的出現(xiàn)，由此保證GPRS永遠在線。6.數(shù)據(jù)吞吐量大，GPRS采用了與GSM不同的信道編碼方案，定義了CS-1、CS-2、CS-3、CS-4這4種編碼方案，支持中、高速率數(shù)據(jù)傳輸。PRS所提供的數(shù)據(jù)傳輸速率取決于所采用的四種編碼方案的哪一種，高的傳輸速率保障了需要實時傳送和大的數(shù)據(jù)流量的順利進行，GPRS上網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)吞吐量最高可達72.2Kbit/s。7.性價比高。同有線網(wǎng)絡相比，無需布線，而且速度較快；同無線局域網(wǎng)相比，免去了無線頻率資源審批手續(xù)，無需架設天線、節(jié)省投資。8.GPRS的安全功能，同現(xiàn)有的GSM安全功能一樣。身份認證和加密功能由GPRS服務節(jié)點(ServingGPRSSupportingNode，簡稱SGSN來執(zhí)行。其中的密碼設置程序的算法、密鑰和標準與前GSM中的一樣，不過GPRS使用的密碼算法是專門為分組數(shù)據(jù)所優(yōu)化過的。GPRS設備(MobileEquipment，簡稱ME可通過用戶標識模塊(SubscriberIdentityModule，簡稱SIM訪問GPRS業(yè)務，不管這個SIM卡是否具備GPRS功能。河北工業(yè)大學碩士學位論文39.在GSM公用陸地移動通信網(wǎng)(PublicLandMobileNetwork，簡稱PLMN中，GPRS引入了兩個新的網(wǎng)絡節(jié)點：一個是GPRS服務節(jié)點，它和移動交換中心(MobileSwitchingCentre，簡稱MSC在同一等級水平，并跟蹤單個移動臺(Mobilestation，簡稱MS的存儲單元，實現(xiàn)安全功能和接入控制。節(jié)點SGSN通過幀中繼連接到基站系統(tǒng)。另一個是GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點(GatewayGPRSSupportNode，簡稱GGSN，GGSN支持與外部分組交換網(wǎng)的互通，并經(jīng)由基于IP的GPRS骨干網(wǎng)和GPRS節(jié)點互通。10.用戶數(shù)據(jù)在MS和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間透明的傳輸，它使用的方法是封裝和隧道技術，數(shù)據(jù)包用特定的GPRS協(xié)議信息打包并在MS和GGSN之間傳輸。這種透明的傳輸方法縮減了GPRS的PLMN對外部數(shù)據(jù)協(xié)議解釋的需求，而且易于在將來引入新的互通協(xié)議。用戶數(shù)據(jù)能夠壓縮，并有重傳協(xié)議保護，因此數(shù)據(jù)傳輸高效且可靠。11.GPRS可以實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)流量、業(yè)務類型及服務質量等級(QOS的計費功能，計費方式更加合理，用戶使用更加方便。12.GPRS的核心網(wǎng)絡層采用IP技術，底層可使用多種傳輸技術，很方便地實現(xiàn)與高速發(fā)展的IP網(wǎng)無縫連接。§1-2課題應用方向和功能要求本課題的具體應用方向是建筑節(jié)能監(jiān)測中關于室內墻體溫度的檢測。一般的，建筑節(jié)能工作可分為設計審查、現(xiàn)場檢測及竣工驗收。對節(jié)能建筑的評價，從建設前期對施工圖紙審查計算階段向現(xiàn)場檢測和竣工驗收轉移是大勢所趨。建筑節(jié)能現(xiàn)場檢測，是目前我國落實建筑節(jié)能政策的最有力保證手段。特別是在寒冷地區(qū)采用集中供暖的建筑，必須在交付使用前要對其節(jié)能措施的效果進行檢驗，保證建筑物及其采暖空調設備系統(tǒng)整體能夠達到節(jié)能標準中規(guī)定的指標。因此近年來，建筑節(jié)能檢測越來越受到人們的重視。目前，全國范圍內建筑節(jié)能檢測執(zhí)行的標準是JGJ132-2001《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標準》。它明確了建筑節(jié)能檢測的內容和方式，要求檢測必須使用儀器自動采集，并且要連續(xù)進行，能夠將各種數(shù)據(jù)直接輸入計算機加以整理，并出具檢測結果。課題來自天津市建委的科技項目《建筑無線遙測系統(tǒng)的研究》。根據(jù)相關標準的要求，并結合實際測量中的需求和問題，依照項目委托方的設計要求，課題提出了一種可靠的，能夠對遠端房間進行多點溫度監(jiān)測的遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式結構，圍繞高實用性、低成本和強可靠性的原則進行設計。上位機和下位機應該實現(xiàn)的功能，如下所示:1.下位機系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：(1無需職守，自動執(zhí)行采集、通信等全部任務。(2周期性完成數(shù)據(jù)采集和傳輸任務，測量的時間和周期由上位機設定。默認測溫時間是168小時，每小時采集一次。(3要求多點的溫度采集（8點，可擴充），而且精度要求在0.1℃。(4采集到的溫度數(shù)據(jù)進行合理化審核，若發(fā)現(xiàn)問題則重新測量。(5與上位機的通信?；贕PRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計42.上位機系統(tǒng)應實現(xiàn)以下功能：(1對用戶進行分級管理，設置管理員和其他用戶。(2實現(xiàn)對下位機系統(tǒng)的完全監(jiān)控，控制下位機的各項操作。(3實時顯示下位機采集到的數(shù)據(jù)，對于異常數(shù)據(jù)進行報警，并可自動重測。(4制作數(shù)據(jù)顯示報表，并且顯示下位機自運行以來的歷史數(shù)據(jù)。(5報表能夠完成存儲、顯示和查詢操作。(6使用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)備份。(7實現(xiàn)對GPRS模塊的配置更改。§1-3系統(tǒng)總體介紹所有設計內容可分為三大部分：下位機硬件設計，下位機軟件設計和上位機設計。設計思路都是根據(jù)功能要求，進行針對性設計。下位機硬件部分以微控制器為核心，控制傳感器及其他外圍電路的工作，并與GPRS模塊進行串行通信。相應的，下位機軟件部分就要完成對傳感器的控制程序設計、對其他外圍電路的程序設計以及與上位機通信的程序設計。選擇設計成熟，功能完善的芯片，可以提高系統(tǒng)的可靠性。首先要實現(xiàn)多點溫度采集功能。多點的溫度采集，可以考慮使用數(shù)字溫度傳感器。選用連接簡單，功能可靠，價格適中的傳感器為宜。對采集到的數(shù)據(jù)，在發(fā)送前，需要進行一系列的處理，例如對數(shù)據(jù)的格式轉換，合理化審核等等。格式轉換，主要是配合上位機的識別，做出的處理；而合理化審核，包括了數(shù)據(jù)的均值審核和變化率審核。關于合理化審核的詳細內容，在后面的章節(jié)再行介紹。GPRS模塊用來建立下位機與上位機間的透明數(shù)據(jù)通道，應該選擇功能齊全，穩(wěn)定可靠，性價比高的產(chǎn)品。下位機的控制芯片負責了對傳感器的操作、數(shù)據(jù)審核、對GPRS模塊的通信、以及對周邊外圍電路的控制。下位機與上位機的通信，要按照固定的通信協(xié)議進行，在下位機的軟件設計中必須加入對該通信協(xié)議的支持。上位機部分采用組態(tài)軟件編寫，可以大大縮短設計周期。亞控電子有限公司的組態(tài)王軟件，提供了一個便捷，輕松的設計環(huán)境?？梢韵翊罘e木一樣，輕松實現(xiàn)GPRS的鏈接、數(shù)據(jù)的實時顯示、報表操作和數(shù)據(jù)庫操作。設計者從而可以更多的注重于功能結構的設計和優(yōu)化，擺脫繁瑣程序代碼的編寫。上位機部分是整個系統(tǒng)的中樞。上位機部分，即數(shù)據(jù)中心負責接收各個下位機系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)分析、顯示、查詢和存儲等操作。上位機所在主機的網(wǎng)絡環(huán)境，影響了與GPRS模塊的配置參數(shù)。因此需要根據(jù)具體情況，進行GPRS模塊配置。例如當主機申請固定IP時，GPRS模塊則可以通過IP直接訪問；而當主機使用ADSL方式及動態(tài)IP地址時，GPRS模塊應該配置為域名訪問，并且在主機使用動態(tài)域名訪問技術，以實現(xiàn)鏈接。更復雜的網(wǎng)絡環(huán)境，例如局域網(wǎng)環(huán)境，則要對局域網(wǎng)的路由進行設置，實現(xiàn)端口映射才可以完成GPRS模塊的鏈接。河北工業(yè)大學碩士學位論文5§1-4論文的內容安排論文將按下面的內容進行安排:第一章，緒論，首先介紹了分布式監(jiān)控系統(tǒng)的概念、特點以及發(fā)展現(xiàn)狀，然后對GPRS技術的概念和特點做了簡要的說明，最后在明確了系統(tǒng)應用方向以及功能要求之后，對系統(tǒng)的總體設計思路，大體構造做了簡要的說明。第二章，下位機系統(tǒng)的硬件設計。從芯片的選擇，到硬件特點和連接方式，文章詳細介紹了系統(tǒng)硬件各個功能塊的構建與連接方法。第三章，下位機軟件系統(tǒng)的設計，重點介紹了主控制器的各部分功能程序的設計思路和執(zhí)行流程，并且介紹了GPRS模塊配置方案的設計思路和具體步驟。第四章，介紹了上位機的設計。首先對設計中使用的重要技術和概念，例如組態(tài)軟件、ODBC（OpenDatabaseConnectivity，即開發(fā)數(shù)據(jù)庫互聯(lián)）數(shù)據(jù)庫、動態(tài)域名訪問等做了簡要的介紹，然后重點介紹了界面各個功能的設計步驟和方法。第五章，介紹了系統(tǒng)的抗干擾措施，重點討論了系統(tǒng)的優(yōu)化方案。第六章，首先介紹了對系統(tǒng)測試的方法和結果，然后對論文的工作做了總結，最后對系統(tǒng)的擴展及今后的研究方向做了展望?；贕PRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計第二章下位機系統(tǒng)硬件設計§2-1基本功能的設計下位機的硬件設計，首先要明確設計要求，根據(jù)其擔負的功能要求，進行硬件芯片、組織結構的選擇和設計?！恫膳ㄖ?jié)能檢驗標準》中規(guī)定，對室內墻體溫度的測量，需要在待測建筑的頂層、中間層和底層的代表性房間，每層至少選擇三個點進行持續(xù)168小時以上的測量[8]。因此下位機需要對房間內的多個位置進行長時間，有間隙的溫度測量。其承擔的功能如下：1.數(shù)據(jù)多點采集功能：每個傳感器都需要引出10米，以測量房間內不同位置的墻體溫度。2.定時采集和數(shù)據(jù)審核功能：系統(tǒng)每小時，將發(fā)送一次數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在發(fā)送前要經(jīng)過數(shù)據(jù)審核處理，如果未通過，則重新進行測量。在非發(fā)送數(shù)據(jù)期間，GPRS模塊處于休眠狀態(tài)，并且隨時可以激活。3.顯示、鍵盤等功能：用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及采集到的溫度數(shù)據(jù)。4.與上位機的通信：上位機采用組態(tài)王編寫，而組態(tài)王規(guī)定了與單片機的通信協(xié)議。因此在下位機的軟件系統(tǒng)設計中，需要嚴格滿足通信協(xié)議的要求?！?-2系統(tǒng)的總體結構本系統(tǒng)可分為以下幾個部分：電源部分，負責了單片機、傳感器、以及GPRS模塊的供電；單片機部分，包括了周邊的電路；GPRS模塊部分。系統(tǒng)的整體設計框框圖如圖2.1所示。圖2.1下位機結構圖Fig2.1Structureofthelower-endcomputer該控制系統(tǒng)以微處理器為核心控制單元，根據(jù)任務需要，合理選擇微處理器、溫度傳感器、GPRS模塊和外圍設備來構成系統(tǒng)。為使硬件設計盡可能合理，系統(tǒng)的電路設計遵循了以下幾個方面：1.選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設計的成功率和結構的靈活性。2.選用功能強、集成度高的電路或芯片。3.選擇通用性強、市場貨源充足的元器件。4.在對硬件系統(tǒng)總體結構考慮時，考慮通用性的問題。對于一個較復雜的系統(tǒng)，采用模塊化的設6河北工業(yè)大學碩士學位論文7計方式，即對中樞控制單元、輸入接口、輸出接口、人機接口等部分進行分塊設計，然后將其組合成一個完整的系統(tǒng)。在這種情況下選用現(xiàn)成的模塊板作為系統(tǒng)的一部分，盡管成本有些偏高，但會大大縮短研制周期，提高工作效率。5.系統(tǒng)的擴展及各功能模塊的設計在滿足應用系統(tǒng)功能要求的基礎上，適當留有余地，以備將來修改、擴展之需。6.在電路設計時，充分考慮應用系統(tǒng)各部分的驅動能力。不同的電路有不同的驅動能力，對后級系統(tǒng)的輸入阻抗要求也不一樣。如果阻抗匹配不當，系統(tǒng)驅動能力不夠，將導致系統(tǒng)工作不可靠甚至無法正常工作?！?-3芯片的選擇2-3-1控制芯片的選擇MCS-51系列單片機及其兼容機在國內擁有廣泛的用戶。目前，國內市場上，Intel公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機已少見，代之以其它公司生產(chǎn)的MCS-51系列兼容單片機。這些公司主要有Phillips，Dallas，Siemens，AMD，Ateml，NEC等，其中以Ateml，Phillips，Dallas，WinBond，YHUNDAI，ADI等公司占有市場份額最大。每個公司都在原來MCS-51內核基礎上，加入了本公司的特有技術，如擁有很大用戶群的Ateml公司生產(chǎn)的MCS-51系列兼容單片機——AT89系列單片機，就在原來MCS-51內核基礎上加入了該公司的FLASH存儲器技術[9]。在Ateml公司的系列產(chǎn)品中，常用的AT89C系列單片機已經(jīng)停產(chǎn)，因此AT89S系列單片機的價格比AT89C系列單片機低，而且AT89S系列單片機相對于AT89C系列單片機新增不少功能，性能有了較大提升。最終確定采用AT89S51/52[10]單片機作為處理芯片。相對AT89C系列單片機，AT89S系列新增加以下功能：1.ISP在線編程功能，這個功能的優(yōu)勢在于，改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個強大易用的功能；2.最高工作頻率為33MHz，高于89C系列的極限工作頻率是24MHz，具有更快的計算速度；3.具有雙工UART串行通道；4.內部集成看門狗計時器，不像AT89C系列單片機，需外接看門狗計時器單元電路；5.雙數(shù)據(jù)指示器；6.電源關閉標識；7.全新的加密算法，使得對89C系列單片機的解密變?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產(chǎn)權不被侵犯；8.兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列產(chǎn)品，例如8051、89C51等。其中ISP在線編程功能給單片機的開發(fā)帶來了相當?shù)谋憷?，只需要下載線及相應的下載軟件即可實現(xiàn)PC機對單片機進行寫入、擦除等操作，省去了C51開發(fā)中必需的仿真器、燒寫器等設備?？紤]到控制器的程序內容及空間大小，處理器選用具有8KROM及256字節(jié)RAM的AT89S52單片機[11]?；贕PRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計82-3-2傳感器芯片的選擇常用的數(shù)字溫度傳感器有AD7416、MAX6575L/H、DS18B20等。1.AD7416是美國模擬器件公司出品的單片式數(shù)字溫度傳感器，工作電壓2.7V—5.5V，測溫范圍-55℃到+125℃，采用IIC串行總線和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來實現(xiàn)同與外設的數(shù)據(jù)通信。在通訊過程中，AD7416通過數(shù)據(jù)輸入/輸出線SDA以及時鐘信號線SCL與總線相連，它內部包含有帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉換器，可將感應溫度轉換為0.25℃量化間隔的數(shù)字信號，并可以與用戶設置的溫度點進行比較。最多可允許8片AD7416掛接在同一個串行總線上。該溫度傳感器可廣泛應用于環(huán)境溫度監(jiān)測、工業(yè)過程控制、電池充電以及個人計算機等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[12]。2.MAX6575L/H是MAXIM公司設計生產(chǎn)的溫度傳感器，它采用單線數(shù)字接口，只用一條信號，控制線和微處理器通信，它能將溫度數(shù)據(jù)直接傳給微處理器，并最多將8片MAX6575L/H掛在一條I/O線上。測量溫度時，微處理器短暫的拉低I/O線啟動轉換，經(jīng)過一定延時后，第一片MAX6575L/H拉低I/O線，這個延時與絕對溫度成正比，比例常數(shù)可以通過TSO和TSI引腳設定，根據(jù)選擇的延時系數(shù)不同，使得8片芯片的延時時間不重疊，這樣8片MAX6575L/H就安裝在系統(tǒng)周圍不同的位置，通過一條I/O線連接到微處理器[13]。3.DALLAS半導體公司生產(chǎn)的DS18B20型單線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設備中。它具有體積小，接口方便，采用1-WIRE總線方式通訊，傳輸距離遠等特點。每一個DS18B20均有一個唯一64位的序號，它是傳感器的地址序列號，在出廠前被光刻好，因此多個DS18B20可以掛接在同一根總線上進行多路測量[14]。對比以上三種數(shù)字溫度傳感器，AD7416、MAX6575L/H的功能擴展比較困難，DS18B20的軟硬件都比較簡單，用一根線即可實現(xiàn)串行通訊，實際應用中不需要任何外部元器件即可實現(xiàn)測溫，其經(jīng)濟、實用且性能優(yōu)于其它器件的產(chǎn)品，所以設計選用該芯片作為溫度采集元件。2-3-3GPRS模塊的選擇在GPRS模塊選擇上，要綜合功能和成本兩方面因素進行考慮。目前，市場上知名國外品牌的GPRS通信模塊如Motorola公司的GZO，Siemens公司的MC39i及SIM100等，擁有較大的市場份額。而國內的很多公司，也推出了自己的GPRS產(chǎn)品，例如如桑容電子的Saro3150EP、致遠電子的ZWG-23DP等等。比較而言，國外的品牌在做工上比較考究，性能也比較可靠。而國內的品牌則在功能上比較齊全，性價比高，而且在服務方面也有一定的優(yōu)勢。很多品牌將串口引出，使用方便，集成度高。但是為了使系統(tǒng)更加小巧緊湊，選擇使用GPRS嵌入式模塊。GPRS模塊在使用前要經(jīng)過配置才能夠使用，配置參數(shù)，要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡環(huán)境而定。GPRS模塊的配置有多種方式，在上位機和下位機都可以實現(xiàn)，具體的配置方案在第三章進行介紹。經(jīng)慎重考慮，本課題采用的是國內品牌，致遠電子有限公司的ZWG-23DP嵌入式模塊。其具體特性將在后面章節(jié)詳細介紹。2-3-4顯示芯片的選擇顯示芯片的種類非常多，一般可分為英文顯示和中文顯示，根據(jù)顯示的內容多少，劃分檔次。一般河北工業(yè)大學碩士學位論文9來說，顯示芯片的選擇主要圍繞著系統(tǒng)的功能要求來考慮。在本課題中，從成本控制和實用角度出發(fā)，在下位機設計顯示模塊并非必要，因為下位機的用途就是采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳給上位機，無需現(xiàn)場顯示。況且已經(jīng)在上位機設計了友好的畫面顯示功能，能夠將數(shù)據(jù)按照時間順序，制作設計報表進行顯示。因此在下位機的顯示部分，不需要追求顯示功能的強大和完整，只需要顯示工作狀態(tài)以及測溫的數(shù)據(jù)即可。在下位機部分制作顯示模塊，功能上有所重復，增加了成本。但是從普通用戶的角度出發(fā)，加入LCD顯示，可以使產(chǎn)品更加友好易用。最終系統(tǒng)選擇了LCD1602作為顯示芯片，顯示下位機部分的工作狀態(tài)和采集到的數(shù)據(jù)?！?-4系統(tǒng)硬件設計2-4-1傳感器模塊設計1.DS18B20簡介DS18B20芯片引腳說明：DS18B20采用3腳PR-35封裝或8腳SOIC封裝，DQ為數(shù)據(jù)輸入/輸出端，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平，VDD是可供選用的外部+5V電源，不用時需接地，GND為地，NC為空腳[15]。DS18B20性能特點[16]：(1采用單總線專用技術，只要求一個端口即可實現(xiàn)通信，可連接到單片機的串行口線或者其它I/O口線，無需經(jīng)過其它變換電路，直接輸出數(shù)字溫度值；(2測溫范圍為-55℃~+125℃，最高測量分辨率為0.0625℃；(3內含64位的只讀存儲器ROM，刻有DS18B20唯一識別序列號；(4適配各種單片機或系統(tǒng)機；(5用戶可分別設定各路溫度的上、下限值。單總線技術就是在一條總線上僅有一個主系統(tǒng)和若干個從系統(tǒng)組成的應用系統(tǒng)。由于總線上的所有器件都通過一條信號線傳輸信息，總線上的每個器件在不同的時間段驅動總線，這相當于把數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線合在一起，所以整個系統(tǒng)要按單總線協(xié)議規(guī)定的時序進行工作。為了使其它設備也能使用這條總線，單總線協(xié)議采用了一個三態(tài)門，使得每一個設備在不傳送數(shù)據(jù)時空出該數(shù)據(jù)線讓給其它設備，外部需要一個上拉電阻，所以在總線空閑時是高電平[17]。掛在單總線上的器件稱為單總線器件，為了區(qū)分總線上的不同器件，生產(chǎn)單總線器件時，廠家都刻錄了一個64位的二進制ROM代碼作為芯片的唯一序列號。這樣通過尋址就可以把每個器件識別出來。64位ROM的結構如下：開始8位是產(chǎn)品類型的編號(DS18B20為10H，接著是每個器件的唯一的序號，共有48位，最后8位是前56位的CRC校驗碼，這也是多個DS1820可以采用單線進行通信的原因。DS182O的內部框圖如圖2.2所示，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等7部分?；贕PRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計圖2.2DS18B20的內部框圖Fig2.2TheinnerstructureoftheDS18B202.測溫原理與連接方式DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術，其測量電路框圖如圖2.3所示。內部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù)，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當?shù)竭_某一設置高溫時，振蕩器的脈沖無法通過門電路。如計數(shù)器設置為-55℃時，在計數(shù)器到達零之前，門電路未關閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示當前溫度高于-55℃，同時，計數(shù)器復位在當前溫度值上，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到歸零，如果門電路仍然未關閉，則重復以上過程。溫度表示值為9-12位可編程，高位為符號位。圖2.3DS18B20的測溫原理圖Fig2.3WorkprincipleoftheDS18B20由于DS18B20的單總線特性，使得總線命令者的一根IO口線上可以掛接多個DSl8B20[18-21]。其電源供電方式有兩種：(1外部電源供電連接方式：GND接地，DQ與單片機的I/O線相連，而且DQ口線都要接4.7K上拉電阻。如圖2.4所示：10河北工業(yè)大學碩士學位論文基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計圖2.6ZWG23-DP實物圖Fig2.6ThepictureofZWG23-DP圖2.7ZWG-23DP結構框圖Fig2.7theconfigurationofZWG-23DPZWG-23DP的主要特性是：(1支持數(shù)據(jù)的透明傳輸；(2支持備用數(shù)據(jù)中心；(3IP訪問以及動態(tài)域名訪問；(4支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式；(5具有斷線自動重連的功能；(6支持短信和電話喚醒功能；(7及短信配置與維護功能；(8支持本地和遠程圖形化界面配置和維護；(9支持數(shù)據(jù)中心虛擬串口功能；(10擁有多重軟硬件設計，復合式看門狗技術；(11適應高溫和低溫工作環(huán)境，溫度范圍：-25℃~+75℃；(12功耗控制，尤其是在休眠與掉電模式下，功耗極低。其具體特性見表2.1所示：12河北工業(yè)大學碩士學位論文表2.1ZWG-23DP工作參數(shù)Table2.1TheparametersofZWG-23DP參數(shù)名稱參數(shù)備注GPRS移動站類型CLASSB網(wǎng)絡類型GPRS多時隙類型CLASSA頻段900/1800/1900MHz基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計14表2.2ZWG-23DP引腳說明列表Table2.2DescriptionofZWG-23DPpins管腳名稱方向說明備注VBAT—GPRS模塊供電引腳（3.8V—4.5V）—VDD—CPU供電引腳（3.8V—7V）—電源接口GND—數(shù)字地—TXD_AOUT串口A發(fā)送RXD_AIN串口A接收通信口TXD_BOUT串口B發(fā)送串行數(shù)據(jù)接口RXD_BIN串口B接收配置口SIM_RST_POUT復位SIM_CLK_POUT時鐘SIM_IO_PIN/OUTIO數(shù)據(jù)SIM_PRSNSINSIM卡插入檢測外接SIM卡接口VSIMINSIM供電不使用SIM卡插座時，可將外接插座連接這些管腳，以便將SIM卡接口引到用戶地板或機箱接口處NETOUT網(wǎng)絡指示LINKOUT上線指示，低電平有效FULLOUT緩沖區(qū)滿表示，低電平有效信號指示線ACKOUT數(shù)據(jù)收發(fā)指示當需要外接指示燈時，直接接LED上拉到3.3V，否則可懸空，也可做信號指示線UART_CTRIN通信口和配置口切換控制引腳低電平有效控制信號線RST_CTRIN復位控制引腳低電平有效（二）與控制器的連接本課題中，ZWG-23DP使用只使用了串口A，與單片機串行相連。并且引出信號指示線，連接數(shù)碼管顯示狀態(tài)。控制器根據(jù)LINK引腳的狀況，判斷GPRS模塊的鏈接狀態(tài)，并在液晶模塊顯示。連接電路圖見附錄A。2-4-3單片機及周邊電路1.AT89S52基本介紹AT89S52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOSS位單片機，有3種不同的封裝。即PDIP、河北工業(yè)大學碩士學位論文TQFP、PLCC，其中PDIP（雙列直插式）比較常見，其有效引腳為40條[22]。片內含8kbytes的在線可擦寫程序存儲器(FLASH和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM。器件采用ATMEL公司的高密度、基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計接地或者直接與VCC相連。AT89S52內部的寄存器WMCON專門用于看門狗和內存的控制，該寄存器的高3位PS2，P21和PS0用于設置看門狗定時器周期；位0是看門狗使能位；位1用于看門狗定時器的復位，通過AT89S52內部的看門狗可以防止程序跑飛或進入死鎖狀態(tài)。3.顯示模塊顯示模塊使用的是常見的LCD顯示芯片1602。它能顯示兩行，每行16個英文字符。下位機的顯P6GND(直流輸出地Vo2-（二路輸出低電位）JWAS-10-S5N(W的特點是：高品質，低價格；高效率，低溫升，小體積；內置EMI濾波器，低紋波雜訊；100%負載老化；通用交流輸入電壓，全范圍電壓；有短路、過載、過壓保護。其主要參數(shù)見下表2.4：表2.4電源芯片參數(shù)列表Table2.4Theperformanceofpowerchip參數(shù)描述參數(shù)描述輸入電壓N：165-265，W：85~265輸出電壓5V標準符合VL1850，IEC950，CCEE，GB4943過載保護值過流，過熱，短路保護(長期自恢復輸入頻率47-63Hz溫漂系數(shù)<0.03%/℃高效率80%(典型值工作溫度-25℃~+75℃輸出電壓精度一路1%，二路5%標準符合VL1850，IEC950，CCEE，GB4943輸出紋波噪聲<1%Vp-p接線端子JN1直接接入交流220V電壓，經(jīng)過JWAS-10-S5N(W進行交流—直流換后，Vo+引腳輸出5V電壓。ZWG-23DP的模塊供電引腳VBAT需要直流穩(wěn)壓電源3.8V~4.5V，典型值是4V；VCC引17基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計18腳需要3.8V~7V，典型值為5V。通過調整三端可調穩(wěn)壓器LM317的參考點的電阻，使LM317輸出4V電壓，滿足GPRS模塊的需要。發(fā)光二極管DS5為電源指示燈，指示系統(tǒng)是否己經(jīng)接上電源?！?-5本章小結本章完成的工作是，根據(jù)任務提出的要求，擬訂了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設計。具體完成了傳感器模塊，GPRS模塊，單片機周邊電路，供電模塊，鍵盤輸入、液晶顯示及各個模塊間接口的硬件電路設計。河北工業(yè)大學碩士學位論文19第三章下位機系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件是系統(tǒng)運行的核心，沒有軟件的系統(tǒng)是不能運行的。怎樣把控制系統(tǒng)的硬件和軟件有效的結合起來是系統(tǒng)設計成功的關鍵。依托下位機硬件系統(tǒng)，下位機軟件系統(tǒng)采用C語言進行程序設計，具有較高的可移植性。下位機軟件設計部分主要完成了傳感器的時序操作，采集數(shù)據(jù)的審核，對上位機的應答通信等功能。與硬件設計一樣，軟件設計更需要明確系統(tǒng)的功能要求，然后根據(jù)功能劃分軟件模塊化，完成各部分程序設計。1.多點溫度采集功能由于使用了單總線技術，因此要注意讀寫時序的要求。本課題全部使用了C語言編程，可讀性和移植性較強。DS18B20的編程，主要是底層函數(shù)的編寫，例如讀操作和寫操作等。要注意的是，對于傳感器的數(shù)據(jù)線，加以區(qū)分，輸入的參數(shù)進行選擇使用。這樣，就可以訪問不同信號線上的傳感器，從而輕松實現(xiàn)采集點數(shù)的擴展。2.定時采集和數(shù)據(jù)審核定時采集，是通過上位機的控制來實現(xiàn)的。上位機周期性發(fā)送測溫命令，下位機根據(jù)命令進行操作。因此定時功能在上位機的設計中完成。數(shù)據(jù)的合理化審核，是在當數(shù)據(jù)采集完成立刻進行。審核主要包括兩項內容，即均值審核和變化率審核。其中均值審核選擇在下位機部分實現(xiàn)。而變化率審核，則放在上位機部分比較合適。因為在上位機部分的報警功能中，能很簡單地對數(shù)據(jù)的變化率做出監(jiān)控，并報警。具體設計，見第四章內的報警設計。3.顯示與鍵盤控制從成本控制和實用角度出發(fā)，在下位機設計顯示模塊并非必要。因為就系統(tǒng)功能而言，下位機的用途就是采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳給上位機，無需現(xiàn)場顯示。而且從上位機可以完全監(jiān)控下位機的狀況，可以完美地顯示下位機的工作狀態(tài)和測溫數(shù)據(jù)，因此在下位機部分制作顯示模塊，功能上有所重復，增加了成本。但是從使用角度出發(fā)，加入LCD顯示與鍵盤控制，可以使產(chǎn)品更加友好易用。因此系統(tǒng)選擇了較低成本的LCD顯示，并加入了簡單的鍵盤控制。4.與上位機的通信組態(tài)王與單片機的通信有固定的協(xié)議，因此在單片機中必須添加對協(xié)議的支持函數(shù)。根據(jù)協(xié)議規(guī)定，細化功能，設計相應的功能函數(shù)，以實現(xiàn)與上位機的有效通信。下面就下位機軟件系統(tǒng)的整個執(zhí)行過程做一個簡單的描述：首先微處理器先對整個系統(tǒng)初始化，使CPU和外圍連接器件處于工作狀態(tài)。如果整個系統(tǒng)都進入正常工作狀態(tài)，則開始進入等待命令狀態(tài)；GPRS模塊則與遠程的上位機進行鏈接，建立透明數(shù)據(jù)通道；上位機命令通過GPRS模塊，經(jīng)串口發(fā)送到單片機；下位機分析并執(zhí)行命令，如果執(zhí)行成果，則再次進入等待狀態(tài)，直到下一條命令的到來；對執(zhí)行失敗的次數(shù)進行計數(shù)，如果超過三次，則放棄任務，重新初始化。下位機軟件系統(tǒng)的總體執(zhí)行過程如下圖3.1所示：基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計圖3.1控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig3.1Themainprogramflowchartofcontrolsystem§3-1DS18B20程序設計3-1-1DS18B20分辨率設置DS18B20的數(shù)字溫度輸出可進行9-12位的編程，通過對便箋式RAM中的CONFIG寄存器的可編程溫度分辨力位R0、R1進行編程，可設定不同的溫度分辨力及最大轉換時間，見表3.1[27]：表3.1R1R0不同時的對應配置Table3.1ConfigurationwhenofR1R0havedifferentvalueR0R1有效數(shù)據(jù)/位溫度分辨率/℃最大轉換時間/ms0090.593.7510100.25187.501110.12537511120.0625750由表可見，設定的分辨力愈高，所需要的溫度轉換時間就愈長。因此，在實際應用中需要在分辨力和轉換時間之間權衡考慮。在芯片出廠時R1和R0均配置為“1”，即工作在12位模式下。當DS18B20接收到溫度轉換命令（44H）后，開始啟動轉換，轉換后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在便箋RAM的第0，1字節(jié)。在執(zhí)行讀ROM命令后（33H），可將這兩個字節(jié)的溫度值通過單總線傳20河北工業(yè)大學碩士學位論文送給主CPU，高位字節(jié)中的符號代表溫度值為正還是為負。本論文采用出廠默認設置。3-1-2DS18B20的操作指令單片機對DS18B20的每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通訊協(xié)議，對其訪問過程是：首先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器數(shù)據(jù)操作。例如主機控制DS18B20完成溫度轉換、讀取溫度值這一過程，步驟為：先進行初始化操作，再發(fā)送44H指令進行溫度轉換，延時一段時間后，再次初始化操作，發(fā)送BEH指令進行讀取溫度值，然后將所得溫度值轉存。其指令代碼如下表3.2所示。表3.2DS18B20指令代碼表Table3.2InstructionlistofDS18B20ROM操作指令代碼RAM操作指令代碼ReadRom(讀ROM33HWriteScratchpad(寫暫存存器4EHMathRom(匹配ROM55HReadScratchpad(讀暫存存儲器BEHSkipRom(跳過ROMCCHWriteScratchpad(寫暫存存儲器48HSearchRom(搜索ROMF0HConvertTemperature(溫度轉換44HAlarmSearch(告警搜索ECHRecallEPROM(讀非易失寄存器值到暫存存儲器B8HReadPowersupply(讀電源方式B4H3-1-3DS18B20子程序設計DS18B20的底層程序有：初始化程序、讀字節(jié)程序、寫字節(jié)程序、讀序列碼程序、測溫程序五個。其中讀ROM碼程序用于讀取傳感器的64位識別碼，需要將每個傳感器與單片機單獨連接，進行逐個測量。1.DS18B20的初始化圖3.2初始化時序圖Fig3.2Theschedulingdiagramofinitialization初始化時序如圖3.2所示，初始化始于主機發(fā)送一個復位脈沖，即主機將總線拉低，持續(xù)480μs~960μs21基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計后將總線拉高，釋放總線進入接收狀態(tài)，之后DS18B20開始控制總線，在檢測到總線的上升沿之后，等待15μs~60μs，DS18B20發(fā)送存在脈沖，將總線拉低，持續(xù)60μs~240μs，在區(qū)間（60μs，240μs]內釋放總線，然后由主機控制總線進行延時操作，待DS18B20檢測到總線上升沿的480μs以后，初始化結束。在DS18B20控制總線時，主機循環(huán)檢測總線電平信號，如果為低電平，則進行延時操作；如果為一直為高電平，則檢測設定時間終止后，將DS18B20存在標志置0，表示不存在。軟件框圖如圖3.3所示：圖3.3初始化程序流程圖Fig3.3Theprogramflowchartofinitialization2.字節(jié)讀、寫程序DS18B20的字節(jié)讀寫程序，首先要編寫讀操作子程序和寫操作子程序。其中寫操作分為寫“0”操作和寫“1”操作。DS18B20的讀操作：DS18B20的讀時隙如圖3.4所示，主機將總線從高電平拉至低電平，只需保持1μs，之后的14μs內將總線拉高，就產(chǎn)生讀間隙，DS18B20將要讀的位送到總線，主機必須在產(chǎn)生間隙后，至讀操作開始的15μs內完成讀位操作，然后進行延時，待整個讀操作時間60μs到120μs時釋放總線。控制器讀0時隙480μsMinimum控制器讀1時隙總線控制器低電平總線和DS18B20同為低電平DS18B20低電平電阻上拉15μs15μs30μs15μs15μs30μs>1μs>1μs總線控制器采樣總線控制器采樣GNDVCC圖3.4DS18B20讀操作時序圖Fig3.4Theschedulingchartofreadoperation22河北工業(yè)大學碩士學位論文DS18B20的寫操作：DS18B20的寫時序如圖3.5所示，主機將總線拉低1μs后，就產(chǎn)生寫時隙，總線開始拉低的15μs內主機應將所要寫的位送到總線上，DS18B20在之后的15μs—45μs內對總線采樣，若為低電平，寫入的位是“0”，如左圖所示；若為高電平，寫入的位是“1”，如右圖所示，寫“0”操作過程完成的時間為60μs~120μs，寫“1”操作過程完成的時間大于1μs。主機在將位送總線之后DS18B20控制總線時進行延時操作。GNDVCC控制器寫0時隙480μsMinimum控制器寫1時隙總線控制器低電平總線和DS18B20同為低電平DS18B20低電平電阻上拉>1μDS18B20采樣MINTYPMAX15μs15μs30μsDS18B20采樣MINTYPMAX15μs15μs30μs圖3.5DS18B20寫操作時序圖Fig3.5Theschedulingchartofwriteoperation3.讀序列碼程序此程序并不直接在本課題中出現(xiàn)，但是在傳感器使用前，要在單片機開發(fā)板上運行。此時每次只連接一個DS18B20，運行后可讀出傳感器的64位序列碼，然后通過串口輸出。開發(fā)板通過串口線與電腦相連，使用串口調試助手，獲得序列碼。下圖3.6是讀序列碼程序執(zhí)行過程的簡要表示。圖3.6讀序列碼程序流程圖Fig3.6Theprogramflowchartofwriteoperation4.測溫程序23基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計當接到上位機的測溫命令時，啟動測溫程序。測溫命令就是對寄存器X0的訪問。測溫原理是跳過ROM碼匹配，然后令所有的寄存器啟動測溫，然后進行逐一匹配操作，將各傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)讀入單片機，然后等待發(fā)送。具體的執(zhí)行流程如下圖3.7所示。圖3.7測溫子程序流程圖Fig3.7Theprogramflowchartoftemperaturecollection§3-2通信協(xié)議程序設計組態(tài)王與單片機之間的通信，有固定的通信協(xié)議需要遵守。數(shù)據(jù)通信由組態(tài)王發(fā)起，采用問答的方式，以數(shù)據(jù)包為單位進行。組態(tài)王發(fā)出讀命令或者寫命令，命令中包含了數(shù)據(jù)頭、機器地址、標志位、數(shù)據(jù)地址、數(shù)據(jù)長度、校驗以及結束位等信息[28]，對于下位機的回應格式也做出了具體的要求。3-2-1通信協(xié)議的介紹1.通信方式通信方式為RS232，波特率由單片機決定。但組態(tài)王中設置的通信參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等必須與單片機編程中的設定一致。24河北工業(yè)大學碩士學位論文252.組態(tài)王中所定義的設備地址和寄存器地址在組態(tài)王中，設備定義時需要設定的地址格式為：##.#前兩個字符是設備地址，占用一個字節(jié)，范圍為0~255。當存在多下位機系統(tǒng)時，用于標識所訪問下位機地址。上位機需要為每個下位機定義對應的外部設備。而在設備定義時，設定了不同的地址數(shù)據(jù)。當上位機訪問不同的外部設備，發(fā)出的命令中就會包含不同的的地址信息。同時收到命令的下位機系統(tǒng)，可以自行判斷是否需要執(zhí)行該命令。每個設備，都有相應的寄存器空間，如下寄存器的地址稱為數(shù)據(jù)地址，格式如下表3.3所示：表3.3寄存器格式Table3.3Formatofregister寄存器名稱dd下限dd上限數(shù)據(jù)類型Xdd065535BYTE/UINT/FLOAT其中dd代表數(shù)據(jù)地址，此地址也與單片機的數(shù)據(jù)地址相對應。在組態(tài)王內定義變量時，根據(jù)選擇的變量類型不同，BYTE，UINT，F(xiàn)LOAT類型分別占用一個、兩個和四個字節(jié)。同一數(shù)據(jù)區(qū)，不可交叉定義不同數(shù)據(jù)類型的變量。而且為了提高通信訪問速度，最好使用連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)。例如：(1在單片機中定義從地址0開始的數(shù)據(jù)類型為BYTE型的變量，則在組態(tài)王中定義相應的變量的寄存器為X0、X1、X2、X3、X4等，數(shù)據(jù)類型為BYTE，每個變量占一個字節(jié)。(2在單片機中定義從地址100開始的數(shù)據(jù)類型為UINT型的變量，則在組態(tài)王中定義相應的變量的寄存器為X100、X102、X104、X106、X108等，數(shù)據(jù)類型UINT，每個變量占兩個字節(jié)。(3在單片機中定義從地址200開始的數(shù)據(jù)類型為FLOAT型的變量，則在組態(tài)王中定義相應的變量的寄存器為X200、X204、X208、X212等，數(shù)據(jù)類型FLOAT，每個變量占四個字節(jié)。3.組態(tài)王與單片機通訊的命令格式：組態(tài)王規(guī)定與單片機的通信，以數(shù)據(jù)包的形式進行。在數(shù)據(jù)包中除字頭、字尾外，所有的數(shù)據(jù)字節(jié)均用兩個ASCII碼表示。當通訊失敗，發(fā)送嘗試恢復命令(COMERROR，即請求地址為0的一個BYTE數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的構成如下表3.4所示。表3.4數(shù)據(jù)包格式表Table3.4Theformatofdatapackage字頭設備地址標志數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)…異或CR字頭：占用1個字節(jié)，為定值40H。為了避免出現(xiàn)混淆，在其他位置的數(shù)據(jù)，不能再使用40H。例如當組態(tài)王內設備地址設置為10.0時，命令數(shù)據(jù)包內使用的設備地址數(shù)據(jù)將是30H41H，而不是30H40H。在其他位置的數(shù)據(jù)，也是如此。設備地址：1字節(jié)，用2個ASCII碼表示，0~255（即0---0x0ff），將前四位，當作一個字符，用ASCII碼表示。后四位同樣處理。于是，實際上是用兩個字節(jié)表示。將這種操作稱為拆分操作。標志位：占用1個字節(jié)，經(jīng)拆分操作用2個ASCII碼表示。bit7~bit0，（前四位通常為43H），即1101；后四位則表示了通信數(shù)據(jù)的類型，打包與否以及讀寫命令的識別。標注位說明如表3.5所示：基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計表3.5標志格低字節(jié)格式表Table3.5Theformatoflowerindicationdyte標志字節(jié)低4位數(shù)值說明00數(shù)據(jù)類型為字節(jié)01數(shù)據(jù)類型為字bit3bit21x數(shù)據(jù)類型為浮點數(shù)0不打包bit11打包0讀命令bit01寫命令數(shù)據(jù)地址：2字節(jié)4個ASCII碼，0x0000~0xffff。與機器地址數(shù)據(jù)相同，在通信中每個字節(jié)用兩個ASCII碼表示，即數(shù)據(jù)地址在通信中占用四個字節(jié)。如表3.6所示：表3.6寄存器地址分配舉例Table3.6Theexampleofregistersdistribution寄存器數(shù)值地址X030303030X130303031X1030303041X1530303046X1630303130數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)：占用1字節(jié)，經(jīng)拆分操作，用2個ASCII碼表示。表示的是實際讀寫的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，而不是通信時占用的字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)：為實際的數(shù)據(jù)，經(jīng)拆分操作，轉換的ASCII碼，個數(shù)為字節(jié)數(shù)乘2。異或：異或計算從字頭之后到異或字節(jié)前，異或值轉換成2個ASCII碼使用。結束位（CR）：為定值0x0d，標志著數(shù)據(jù)包的結束。上位機讀命令的格式：圖3.8讀字節(jié)命令格式圖Fig3.8Theformatofreadoperation26河北工業(yè)大學碩士學位論文3-2-2通信協(xié)議相關程序1.串口發(fā)送函數(shù)串口通信包括了三個基本的發(fā)送函數(shù)：發(fā)送指定輸入字符的函數(shù)send_char(unsignedchartxd，發(fā)送字符數(shù)組內全部字符的函數(shù)send_str(，以及發(fā)送拆分數(shù)據(jù)的函數(shù)send_str0(，功能描述見表3.7所示：表3.7串口功能函數(shù)Table3.7Thefunctionofserialinterface函數(shù)名稱輸入變量返回值功能表述描述send_charunsignedchartxdvoid將輸入字符通過串口發(fā)送send_str無void將字符數(shù)組strl[]內的數(shù)據(jù)依次串口發(fā)送send_str0無void將字符數(shù)組Data_buf_ASCII[]內的數(shù)據(jù)依次串口發(fā)送2.字節(jié)拆分函數(shù)此函數(shù)是用于完成將一個字節(jié)的高四位和低四位，分別用一個ASCⅡ碼來表示的功能。在前面數(shù)據(jù)包格式的介紹中可知，此函數(shù)在協(xié)議中應用非常頻繁。具體執(zhí)行過程如下圖3.9所示：圖3.9字節(jié)拆分程序流程Fig3.9Theprogramflowchartofbyte-dividing3.接收準備程序下位機系統(tǒng)在運行中，始終在監(jiān)控串口狀況。如果接到命令數(shù)據(jù)，則開始進行命令的分析和判斷。根據(jù)通信協(xié)議，上位機的讀命令以字節(jié)40H開頭，以0dH結尾。例如讀15號儀表，數(shù)據(jù)地址為15的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)為100，數(shù)據(jù)類型為字節(jié)，打包。組態(tài)王所發(fā)數(shù)據(jù)如表3.8所示：27基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計表3.8讀命令數(shù)據(jù)結構Table3.8Datastructureofreadoperation3030463031字頭設備地址標志、讀操作、字節(jié)型、打包數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)異或結束位接收準備程序操作流程如下圖3.10所示：圖3.10接收準備函數(shù)流程圖Fig3.10Thepreparativefunctionofdata-receipt28河北工業(yè)大學碩士學位論文294.發(fā)送準備程序當上位機的命令結束，即串口接收到0dH時，控制器執(zhí)行的函數(shù)?？刂破魇紫葘Ω鳂薋ig3.11Tsmit當ff等于2時，表示訪問作。此時，下位機首先回復預責具體發(fā)送過程的子程序。由通信協(xié)議可知，數(shù)據(jù)包內的校驗位數(shù)據(jù)需要計算。需要對訪問個字節(jié)型I/O變量，占用一個字節(jié)。它的回復數(shù)據(jù)已經(jīng)設定在單片機里，無發(fā)送準備程序，是志位進行判定，然后執(zhí)行相應的操作。操作流程如圖3.11所示：圖3.11發(fā)送準備函數(shù)流程hepreparativefunctionofdata-tran的是寄存器X0，通過這條訪問命令，啟動測溫操存的回復數(shù)據(jù)，然后開始測溫。測溫時間大于0.75s，在此期間，不能相應上位機命令。因此在上位機設計時，在訪問X0之后相隔大于1s之后，才開始讀取數(shù)據(jù)。當測溫結束，ff置1，當下次讀命令到來時，就可以調用發(fā)送函數(shù)，傳送溫度數(shù)據(jù)。5.發(fā)送程序發(fā)送程序是負數(shù)據(jù)包內校驗位數(shù)據(jù)以前，除去字頭數(shù)據(jù)40H外的數(shù)據(jù)。進行異或運算。由于本系統(tǒng)中，寄存器訪問可以分成兩種：(1寄存器X0的寄存器X0是存放的是一基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計30需更他寄存器的訪問溫度數(shù)據(jù)，因此I/O變量設定為字型，每個占用兩個字節(jié)。即每個傳感器占用的數(shù)據(jù)內容，預存于字符數(shù)組str[]內，包括了設備地址和Fig3.12Thepmitfunction§3-3其他程序設計3-3-1顯示模塊程序設計機的工作狀態(tài)以及測量的數(shù)據(jù)。顯示模塊使用的是抵擋次液晶1602，只顯示兩行了單片機測溫狀態(tài)，以及GPRS鏈接狀態(tài)的顯示，分別在第一行和第二行顯示。改。(2其由于其他寄存器存放的是兩個字節(jié)，并規(guī)定用前一個寄存器來表示。例如傳感器器1實際占用的是寄存器X1和X2，但在組態(tài)軟件內的設定時，設定為X1。而傳感器2，就必須設定為X3，不得占用X2。最終傳感器1、傳感器2、傳感器3的表示寄存器名就變成了X1、X3、X5。因此只需設計第二類訪問的回復數(shù)據(jù)，其通用標志位。計算從str[1]到str[4]的異或值，即30H46H30H32H間的異或計算，可得結果為74H。定義的局部變量xor賦予初值74H，然后與數(shù)據(jù)的拆分值進行異或運算后，經(jīng)拆分操作可得校驗位數(shù)據(jù)。具體執(zhí)行過程如下圖3.12所示：圖3.12發(fā)送函數(shù)流程rogramflowchartoftrans顯示模塊用于顯示下位，每行16英文字符，但已足夠使用。顯示的內容比較少，程序也比較簡單，主要是對鍵盤的相應。顯示模塊與鍵盤相關的按鍵有三個，即復位鍵K1，上翻鍵K2，下翻鍵K3。上翻下翻用于顯示內容的更改，復位則重新初始化。工作狀態(tài)的顯示，包括只選擇這兩個，是因為這兩個狀態(tài)最為重要，而且不可或缺?！皌empok”表示單片機測溫成功，則可以響應上位機命令，而且標志這單片機的工作狀態(tài)正常，否則顯示“tempnot”。而第二行顯示“gprs河北工業(yè)大學碩士學位論文ok”GPRS模塊的鏈接，則代表了通信通道的建立，而且表示了GPRS模塊的正常工作，否則顯示“gprsnot”。每個傳感器的數(shù)據(jù)，可以用一行顯示，即兩個傳感器為一組數(shù)據(jù)。當按下上翻或下翻鍵時，顯示相鄰組的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)前有傳感器的個數(shù)標號加以區(qū)分。軟件執(zhí)行過程如圖3.13所示：31Fig3.13model3-3-2消抖和看門狗程序是利用機械觸點的合、斷作用，機械觸點由于彈性作用的影響，在閉合及斷開瞬號，則確認按鍵操作位電路來監(jiān)控程序的運行狀態(tài)。具體使用方法如下：在程序初始化中周期內必須至少喂狗一次。而且這個時間是固定的，無法更改。當晶振為12M時，每16個毫秒需喂狗一圖3.13顯示模塊程序流程圖Theprogramflowchartofdisplay無論是按鍵或鍵盤，都間都有抖動過程，如圖4-7所示一般為5-10ms，消除抖動影響的措施通?？赏ㄟ^硬件軟件兩種方法實現(xiàn)：硬件消抖主要有雙穩(wěn)態(tài)消抖、濾波消抖。軟件消抖主要通過軟件延時實現(xiàn)。消抖子程序原理是，對檢測到的按鍵延時10ms后再行檢驗，如果仍然存在閉合信，否則認為是抖動，不予認可。系統(tǒng)使用AT89S52的內部看門狗復向看門狗寄存器(WDTRST地址是OA6H中先寫入0lEH，再寫入0EIH，即可激活看門狗。AT89S52的看門狗必須由程序激活后才開始工作。所以必須保證CPU有可靠的上電復位。否則看門狗也無法工作?？撮T狗使用的是CPU的晶振，因此在晶振停振的時候，看門狗也無效。要保證程序中，在16383個機器基于GPRS的分布式遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計32§3-4GPRS模塊配置3-4-1配置方案設計ZWG-23DP模塊的配置有四種方式，本地串口配置、遠程配置、短信配置以及單片機直接配置。最為簡單，只需使用配套的開發(fā)板，使用串口與PC機相連后，運行廠家提供的配置短信配置，使用比較不便，但是可以作為輔助配置方案存在。單片機直接配置，即根據(jù)串口配置協(xié)議，案是在上位機部分設計與下位機的通信以數(shù)據(jù)包的形式進行，單片機需要進行解包程序，才能分離出上位機分設供顯示模塊在功能上并非必要，而且下位機本身的體積小，加入較大置，但是這必然增加系統(tǒng)的成本和設計開銷。綜合考慮，本課與遠程配置在配置過程上基本相同，因此下面對本地配置的步意，這種配置方式是模塊尚未嵌入系統(tǒng)，安插在實驗板上的時候采用的，可以看作進此工作模式配置為空閑下線的方式，DTU配置選擇客戶端模式次。因此在傳感器操作時，注意在底層函數(shù)中喂狗。本地配置在使用上軟件，就能方便地進行有關參數(shù)的配置。遠程配置首先需要GPRS模塊連接上服務器才可以進行。通過串口發(fā)送字符來完成配置，與本地串口配置在原理上和協(xié)議上沒有什么不同。GPRS模塊的配置參數(shù)非常多，而且經(jīng)常需要更改，因此最好使用圖形化配置，或至少能夠清楚地顯示配置的參數(shù)和狀態(tài)，以方便用戶的使用。那么就有兩種可能方案，一種可能性方配置界面，以顯示配置狀況，并且將配置的操作，轉換成對應的數(shù)據(jù)命令傳給下位機，下位機根據(jù)命令進行配置；另一種可能則是在下位機顯示，配置程序存儲在控制器內，用戶根據(jù)下位機的顯示屏和鍵盤進行配置操作。在下位機提供高檔次的顯示模塊或者。下面對使用單片機直接配置的兩者方案做一個比較和分析：可能性1：上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，因此后才能得到相應的數(shù)據(jù)。因此上位機不能夠直接發(fā)送配置字符，故而在上位機部計配置界面的方案也不可行。可能性2：設計上是可行的，不過要求高檔次顯示屏以方便用戶的使用，帶來成本的上升。在第二章已經(jīng)分析過，下位機提顯示面積的高檔次顯示屏，并不協(xié)調。從友好易用的角度來說，對于普通用戶單片機直接配置，遠不如廠家提供的配置軟件使用方便。盡管可以直接使用單片機進行GPRS模塊的配題采用了在GPRS模塊嵌入系統(tǒng)前，先本地配置；在嵌入系統(tǒng)后，使用遠程配置的方案。本地配置使用的是配置軟件、開發(fā)板和串口線，遠程配置利用的是備用數(shù)據(jù)中心的域名訪問功能。這種方案的優(yōu)點，將在第五章第3節(jié)進行詳細論述。3-4-2配置流程和步驟由于本地配置最為方便簡單，而且驟做詳細的介紹。但要注是對出廠配置的修改。當嵌入系統(tǒng)之后，主要使用遠程配置方式進行配置，短信配置方式輔助。配置內容主要包括串口參數(shù)配置、網(wǎng)絡基本配置以及數(shù)據(jù)傳輸配置等。進入本地配置的步驟、模式配置以及串口配置如下圖3.14、3.15所示：入本地配置，要求再軟件內的串口參數(shù)配置和PC機上使用的串口配置一致。在模式配置中，由于下位機系統(tǒng)大部分時間不需要傳輸數(shù)據(jù)，因。串口配置為：2400bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗。河北工業(yè)大學碩士學位論文（2）（1）進入本地配置3