基于GSM网络远程测量系统的设计理工学院 电子信息科学与技术 050303022 林凌凡指导教师 吴志伟 【摘 要】 由于科技的发展和自动化水平的提高，温度的自动监测已成为各个行业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一特定场合下由于监测分站比较分散、偏远，采用传统的温度测量方式周期长、成本高，而且测量员必须到现场进行测量，因此工作效率非常低且不便于管理本文提出了基于GSM的远程温度监测系统，采用美国DALLAS公司生产的DSl8B20数字温度传感器，通过现有的GSM网络将监测结果以短信方式发送至相应的监控终端(如、PC机)系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点，可广泛应用于桥梁混凝土测温、电力电缆火灾监测、粮仓及物资仓库温度监测关键词】TC35;DS18B20;GSM;AT指令;温度检测0 绪论（5）基于无线通信的远程测控系统 对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程测控方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本这种远程测控系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高（可以采用专业无线电台来替代射频模块），以扩大站点间的距离，同时还需要考虑无线电波波段的选择；无线通信调制解调器已经有许多比较成熟的产品，可以根据实际需要来选择。
基于无线通信的远程测控技术的应用领域十分广泛，比如说智能小区的保安系统、油井远程监测系统等均可以采用这种技术来实现，还有航空航天上使用的无线电跟踪测轨、遥测、遥控系统，是这种技术的典型应用1系统总体设计 1.1系统功能（1）实时采集温度：当温度超过某一警戒值时报警（2）发送短信：当温度超过某一警戒值时，模块向发送短信（3）接收短信：用户接收到报警后，向模块发送短信，使风扇工作，降低温度1.2系统设计方案论证与选择1.2.1温度传感器的设计方案论证与选择方案一：热电偶和热电阻测出的一般都是电压，要再经过采样/保持电路进行A/D转换,最终送入单片机再转换成对应的温度这需要比较多的外部硬件支持，易受干扰、精度低、硬件电路复杂，需要复杂的软件调试补偿精度，制作成本高方案二：选择DS18B20作为温度传感检测元件，它不仅测温范围宽（-55~125℃），而且最大分辨达0.0625℃，同时与单片机相连采用3线制，可直接读出被测温度值减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点从上面两个方案的比较中可以看出方案二比较好1.2.2与GSM比较GPRS有何技术优势？GPRS是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，与原有的GSM比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势：更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输；支持的数据传输的速率更高，理论峰值达115kbps；计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费；GPRS还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等。
1.2.3 GSM模块的选择目前，国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的A2D系列、Wavecome的WMO2系列、西门子的TC35系列、爱立信的DM10/DM20系列、中兴的ZXGM18系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大其中西门子的TC35系列模块性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证所以本设计选用的是西门子TC35，该模块设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计1.3系统设计框图系统的硬件电路部分包括天线、CPU、GSM模块、SLIC厚膜电路、电源和馈电输出系统CPU采用单片机AT89C52，具有使用方便，抗干扰性好等特点GSM模块采用西门子公司的TC35工业控制模块，来完成语音及数据通信，它提供的AT指令接口由CPU控制该模块工作，如图1.1所示 图1.1 系统设计框图2系统硬件设计2.1系统构成 系统分为监测中心站和远程监测分站两部分：监测中心站主要由监测中心站服务器、GSM无线通信模块、数据库系统及其应用软件组成；远程监测分站主要由AT89C52单片机及外围电路、温度传感器和GSM无线通信模块(TC35)组成。
监测中心控制GSM无线通信模块收发短消息，接收各监测分站采集的温度数据,然后对数据进行显示、处理和打印等远程监测分站实现温度数据的采集、处理和显示同时控制GSM无线通信模块收发短消息监测中心站与远程监测分站之间通过GSM网络实现无线远程通信实现了基于GSM网络的远程监测系统系统总体结构如图2.1所示 图2.1 系统总体结构2.2单片机外围电路设计 该系统的MCU采用ATMEL公司生产的AT89C52单片机它是一种低电压、低功耗、高性能的CMOS 8位单片机，片内含8 kB可反复擦写的程序存储器和256 B的数据存储器本设计用的单片机结构简单，外围电路除了包括单片机正常工作所必须的元件外，只有8个发光二极管，用以检测命令2.3温度检测电路温度检测电路采用Dallas公司生产的数字温度传感器DSl8B20，它采用3引脚T0-92封装：温度测量范围为-55℃～+125℃．编程设置9～12位分辨率现场温度直接以1-Wire的数字方式传输大大提高了系统的抗干扰性多个DSl8B20可并联至3或2根总线上．CPU只需1根端口线就能与多个DSl8820通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
主机控制DSl8820实现温度转换，DSl8820采用外接电源方式，其VDD端采用3 v～5.5 V电源供电3 GSM模块介绍3.1 GSM模块概述GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动网络标准，让用户使用一部就能行遍全球我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代GSM技术（2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络）目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM1900：1900MHz等几个频段 GSM是一种广泛应用于欧洲及世界其他地方的数字移动系统GSM使用的是时分多址的变体，并且它是目前三种数字无线技术（TDMA、GSM和CDMA）中使用最为广泛的一种GSM将资料数字化，并将数据进行压缩，然后与其它的两个用户数据流一起从信道发送出去，另外的两个用户数据流都有各自的时隙。
GSM实际上是欧洲的无线标准，据GSM MoU联合委员会报道，GSM在全球有12亿的用户，并且用户遍布120多个国家因为许多GSM网络操作员与其他国外操作员有漫游协议，因此当用户到其他国家之后，仍然可以继续使用他们的移动3.2 GSM系统组成GSM通信系统主要由移动交换子系统（MSS）、基站子系统（BSS）和移动台（MS）三大部分组成，如图3.1所示其中MSS与BSS之间的接口为A接口，BSS与MS之间的接口为Um接口GSM规范对系统的A接口和Um接口都有明确的规定，也就是说，A接口和Um接口是开放的接口图3.1 GSM系统组成（1）移动交换子系统MSS 完成信息交换、用户信息管理、呼叫接续、号码管理等功能2）基站子系统BSS BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，完成信道的分配、用户的接入和寻呼、信息的传送等功能3）移动台MS MS是GSM系统的移动用户设备，它由两部分组成，移动终端和客户识别卡（SIM卡）移动终端就是“机”，它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收SIM卡就是“人”，它类似于我们现在所用的IC卡，因此也称作智能卡，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动终端才能接入进网4）操作维护子系统GSM子系统还包括操作维护子系统（OMC），对整个GSM网络进行管理和监控通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能3.3 TC35通信模块 TC35是西门子最新推出的无线通信模块，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计3.3.1 TC35的主要结构 TC35设计小巧、功耗很低，其主要由GSM基带处理器、GSM无线模块、电源模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成其框图如图3.2所示图3.2 TC35的组成框图TC35有40个引脚，通过ZIF连接器引出这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制TC35外围电路图如图3.3所示图3.3 TC35外围电路图1～14引脚为电源部分，其中l～5引脚为电源电压输入端，6～10引脚为电源地GND，11～12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)，14引脚ACCU／TEMP接负温度系数的热敏电阻；24～29引脚为SIM卡连接端；33～40引脚为语音接口用来接手柄。
15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT(Ignition)当TC35i通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动30引脚为RTC BACK up；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，16～23引脚为数据输入／输出端3.3.2 TC35主要特性TC35的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps~115kbps之间可选，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集传输速率可以在4.8kbit/s~115kbit/s间自适应系统加电后，为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不超过1ms启动后，IGT应保持高电平（3.3V）在驱动IGT时，TC35模块的供电电压不能低于3.3V，否则TC35不能激活 TC35模块是整个GSM系统的核心，它工作在EGSM900和GSM1800双频段，可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W和1W，通过接口连接器和天线连接器分别连接到SIM卡读卡器和天线。
它支持文本和PDU格式的SMS（短消息），2.4k 、4.8k、9.6k的非透明数据和第3组的一类、二类可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复TC35模块非常适合在最小功率下开发出GSM蜂窝设备，这蜂窝设备应用部分构成人机接口（MMI），通过单片机89C52的串行接口可接入TC35TC35通过40芯ZIF连接蜂窝应用部分，ZIF连接器提供控制数据、音频信号和电源输入线的应用接口 终端系统工作电压为5V由于TC35模块的突发耗电电流峰值可达3A，故外加的稳压器件必须达到足以提供TC35额定电流的条件 TC35数据接口工作在CMOS电平（2.65V）,通过74LVC07芯片电平转换与单片机的串行口连接数据接口遵从DCE的ITU-T RS-232内部交换电路标准实现异步串行收发功能ZIF连接器提供6个引脚给SIM卡接口，其中CCIN用来检测SIM卡是插好连接器的SYNC脚控制灯的状态，以此判断TC35的工作状态 电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供3.6V工作电压，同时产生MAX3238所需要的高电平；三端电源模块LM7806将外部＋12V直流电源转换为＋6V，连到ZIF连接器的11、12引脚，在充电模式下，为TC35i提供＋6V、500mA的充电电源。
启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成模块上电10ms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在15脚加时长至少为100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms启动后，15脚的信号应保持高电平 基带处理器集成了一个与ISO 7816-3 IC Card标准兼容的SIM接口为了适合外部的SIM接口，该接口连接到主接口(ZIF连接器)在GSM11.11为SIM卡预留5个引脚的基础上，TC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚，所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡当插入SIM卡，该引脚置为高电平时，系统方可进入正常工作数据通信电路主要完成短消息收发、与PC机通信、软件流控制等功能数据通信电路以Maxim公司的MAX3238芯片为核心，实现电平转换及串口通信功能；具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性增强型ESD结构为所有发送器输出和接收器输入提供保护，可承受±15kV IEC 1000-4-2气隙放电、±8kV IEC 1000-4-2接触放电和±15kV人体放模式4 DS18B20温度传感器4.1 DS18B20温度传感器概述DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单编程实现9~12位的数字值读数方式现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等4.2 DS18B20的外形和内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器DS18B20的管脚排列如下(图4.1)：图4.1 DS18B20引脚分布图引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） 内部结构(图4.2)图4.2 DS18B20内部结构图 4.3 DS18B20的性能特点:（1）可通过数据线供电，电压范围：3.0~5.5V； （2）测温范围：-55~+125℃；（3）无须外部器件，独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信； （4）多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能；（5）零待机功耗； （6）用户可定义的非易失性温度报警设置；（7）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；（8）可编程的分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃；（9）负压特性：电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
4.4 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图4.3所示图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定的频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减少计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值图4.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直到温度寄存器达到被测温度值图4.3 DS18B20测温原理图 另外，由于DS18B20单线通信功能是时分完成的，它严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行操作协议为如图4.4所示：图4.4 操作协议流程根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作复位要求主CPU将数据线下拉500us，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60us左右，后发出60～240us的低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功4.5 DS18B20与单片机的接口电路DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式(如图4.5)，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源另一种是寄生电源供电方式，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉图4.5 DS18B20采用电源供电方式 当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us采用寄生电源供电方式时VDD端接地由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。