張繼飛

摘 要：一種基于GPRS[1]（General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務(wù)）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(yuǎn)程短信電話連接，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖場供電情況的監(jiān)控。該報警器在一些對持續(xù)供電要求較高的場所有很重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：GPRS；SIM900A；停電報警器；水產(chǎn)養(yǎng)殖場；AVR單片機

在眾多的無線通信方式中，GPRS遠(yuǎn)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(yīng)用于場地分散、戶外的公司和企業(yè)中。在這些場所，通過GPRS無線通信模塊，可以隨時隨地接收現(xiàn)場的終端設(shè)備狀態(tài)，便于及時掌控現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行遠(yuǎn)程控制。水產(chǎn)養(yǎng)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(tǒng)采用先進的微處理器芯片，結(jié)合GSM無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)對水產(chǎn)養(yǎng)殖場供電電源遠(yuǎn)距離監(jiān)控，隨時進行管理和操作，提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖場的科學(xué)管理水平。

一、整機系統(tǒng)組成

整機系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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(jù)具體的情況來選擇相應(yīng)的模塊使用。

首先在SIM900A模塊安裝手機卡，撥動電源開關(guān)后約20秒，網(wǎng)絡(luò)指示燈每3秒閃爍一次，說明已注冊到手機網(wǎng)絡(luò)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(shè)定的手機客戶發(fā)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?？蛻粢部梢酝ㄟ^給報警器撥打電話來主動獲取報警器的信息。整機系統(tǒng)框圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.微處理器

本設(shè)計選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的微處理ATmega128[2]。它是一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)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(zhí)行時間，Atmega128的數(shù)據(jù)吞吐率，高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)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(shè)計的無線通信模塊采用了SIMCom公司生產(chǎn)的SIM900A[4]模塊。該模塊采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)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(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。另外，在硬件原理圖設(shè)計方面，SIMCom公司給出了SIM900A模塊的典型電路應(yīng)用設(shè)計，用戶只需按照要求來做即可實現(xiàn)。在PCB設(shè)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(wěn)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(shè)計的充電器模塊[5]采用TP4056芯片。該芯片是完整的單節(jié)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(shù)目，使得TP4056成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。

由于采用了內(nèi)部PMMOSFET架構(gòu)，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(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高環(huán)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(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到最終充電電壓之后降至設(shè)定值的1/10時，TP4056將自動終止充電循環(huán)。當(dāng)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(tài)，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(tǒng)軟件設(shè)計

1.電源供電情況檢測程序設(shè)計

本系統(tǒng)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(shè)計中只要檢測PF0輸入腳高低電平，即可實現(xiàn)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(xiàn)測量并衡量該報警器還能工作多長時間。

2.溫濕度的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

開機后首先進行初始化，在開機的20s內(nèi)注冊成功，然后啟動心跳數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shè)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(xiàn)相應(yīng)的短信、電話和聯(lián)網(wǎng)等功能的。所以，AT指令是實現(xiàn)SIM900A無線通信模塊和Atmega128單片機之間通信的橋梁。通過發(fā)送AT指令來控制和監(jiān)控停電報警器的相關(guān)參數(shù)。在程序設(shè)計中，主要是將SIM900A與AVR單片機之間的串口通信函數(shù)封裝起來作為底層固定的函數(shù)，要實現(xiàn)相應(yīng)的功能時，只要向串口寫相應(yīng)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(shù)。此技術(shù)通訊穩(wěn)定，較好地解決了對現(xiàn)代化水產(chǎn)養(yǎng)殖場供電情況和相關(guān)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題。在軟/硬件設(shè)計中采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，靈活性高和適用性好。在移動設(shè)備和機房維護單位以及一些需要遠(yuǎn)距離監(jiān)控的場所，該系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）R.J.Bates.通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）技術(shù)與應(yīng)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(fā)應(yīng)用指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]夏 華.無線通信模塊設(shè)計與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]翟 順，王衛(wèi)紅，張 衍，等.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（05）.

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

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

（作者單位：廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院）