【摘 要】采用單片機STC89C52為控制核心、結(jié)合無線GSM短信模塊，從主控模塊的設計、主控模塊與各子功能模塊的連接、GSM通信模塊的設計、防盜部分、傳感器信號采集、電器控制、門窗控制等方面設計一個基于GSM短信息的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)對實驗室設備、環(huán)境狀況的監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】GSM 短信息 TC35 單片機 環(huán)境監(jiān)控

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2014）11C-0187-02

實踐教學是高職院校人才培養(yǎng)的重要組成部分，智能化的實驗室環(huán)境監(jiān)控已經(jīng)成為各個高職院校實驗室建設的熱議話題，成為發(fā)展的必然趨勢。實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個復雜龐大的系統(tǒng)，涉及通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，為用戶提供全方位的多功能服務，同時對實驗室環(huán)境進行遠程監(jiān)控和實時管理。基于短消息數(shù)據(jù)交換的技術(shù)，具有成本低和易于維護的優(yōu)點，這主要是因為省略了巨大的網(wǎng)絡建設投資成本和維護費用，將現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡資源應用于實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡覆蓋率高、傳輸特性好等優(yōu)勢，為實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸方式提供便利條件。

本文探討的實驗室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，是利用傳感器和單片機系統(tǒng)采集信息，通過總線接口，利用GSM網(wǎng)絡短消息傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對實驗室環(huán)境的智能無線監(jiān)控。

一、系統(tǒng)的工作原理和方案設計

（一）總體結(jié)構(gòu)。本實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由主控模塊、功能模塊、SMS通信模塊、手機等部分組成。其中主控模塊通過SMS模塊與用戶的手機進行通信。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

主控模塊與功能模塊組成星形拓撲結(jié)構(gòu)。各控制模塊主要以單片機為控制核心完成控制工作。根據(jù)實驗室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中各個部分電路所起的作用和實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)可以分為三個部分。一是主控模塊。主控模塊是控制的核心，負責處理接收到的發(fā)送來各功能模塊信息，并控制有關(guān)信息發(fā)送給通信模塊的權(quán)限。并且對各功能模塊根據(jù)接收到的通信模塊信息進行控制和操作。二是通信模塊。通信模塊是實驗室監(jiān)控系統(tǒng)的重要部分，實現(xiàn)主控模塊和手機用戶之間的通信，目的是完成對實驗室的遠距離控制。通信模塊接收到手機通過GSM移動網(wǎng)絡將SMS發(fā)送的實驗室數(shù)據(jù)后，傳輸給主控模塊，控制功能模塊進行相關(guān)操作，從而實現(xiàn)對實驗室的遠程控制，同時通信模塊將通過主控模塊獲取的各功能模塊的信息傳送給手機。三是功能模塊。該模塊負責完成實驗室環(huán)境智能化監(jiān)控的各項工作。根據(jù)所完成工作的功能不同，可以分為信息采集模塊和自動控制模塊。采集模塊主要是采集各傳感器，門磁開關(guān)，聲控開關(guān)的狀態(tài)。自動控制模塊主要是執(zhí)行短信息發(fā)過來的指令，通過繼電器，電機等實現(xiàn)門窗控制和電器控制。

（二）系統(tǒng)功能。本文探討的實驗室環(huán)境監(jiān)控主要是實驗室電子設施的智能化，包括門窗控制、遠程電器控制、遠程監(jiān)控、安防報警等。

二、系統(tǒng)硬件設計

（一）主控模塊的設計。主控模塊選用了STC89C52單片機作為主控模塊，因為STC89C52與AT89C51完全兼容，可在線編程。具有8K的ROM和512B的RAM，而且有1K的EEPROM，基本上可以滿足一個中型監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)要求。而且STC89C52已集成有看門狗，這樣可以省下外部硬件看門狗部分，所以選擇AT89C52作為主控芯片。

在本系統(tǒng)中，主控模塊用了兩片STC89C51芯片，一片專門用來TC35通信，處理短信息，儲存用自定義的字符；另一片用來和從單片機通信，并處理紅外線接收和發(fā)送，儲存用戶需要的紅外線代碼串，從而實現(xiàn)手機發(fā)短信控制帶紅外線遙控的電器，這樣功能更強大，編程更簡單。由于采用集散式控制，因此需要兩個串口，一個用來和TC35通信，一個用來和從單片機通信。

（二）主控模塊與各子功能模塊的連接

基于實驗室的特殊功結(jié)構(gòu)，為方便布線，本系統(tǒng)采用總線形式和星型形式相結(jié)合。即主單片機和從單片機這間的關(guān)系是總線結(jié)構(gòu)，而從單片機和功能模塊之間是星型結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

功能模塊的實現(xiàn)都轉(zhuǎn)化為開關(guān)量了，這樣可以直接連接到P0、P1、P2口，完成信息采集和電器控制。

（三）GSM通信模塊的設計。采用TC35進行數(shù)據(jù)通信電路設計，用于實現(xiàn)與單片機通信、短消息收發(fā)、軟件流控制等功能。由于單片機用5V供電，而TC35用的是4.2V供電，需要對兩者的電平進行處理。由TC35串聯(lián)1K的阻R7再傳輸?shù)絊TC89C52，R7起保護作用，而由STC89C52到TC35則需串一2K左右的電阻，再加一3V的穩(wěn)壓二極管即可。電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信電路設計

（四）防盜部分。該項模塊分多種采集方式，大門磁開關(guān)，車門門磁開關(guān)，熱紅外線人體感應等。門磁開關(guān)選用常開干簧管，關(guān)著門時閉合。這樣既可以檢測門窗關(guān)好，又可以設防。該模塊的核心是BISS0001芯片。在防盜狀態(tài)下，當門發(fā)生位移時，就把信息轉(zhuǎn)化為開關(guān)量發(fā)送給單片機，從而短信告知手機，同時打通機主手機以提示，接著啟動警笛，達到防盜目的。

（五）傳感器信號采集。實驗室環(huán)境監(jiān)控需要監(jiān)控實驗室環(huán)境的狀態(tài)，因此實驗室環(huán)境控制器需要連接溫感、煙感及煤氣泄漏等傳感器，采集相關(guān)的信息，遇到險情時能夠及時通知用戶或管理中心。這些傳感器的信號一般用于報警功能，只有開關(guān)兩種狀態(tài)，因此將這一類的信號稱為開關(guān)量信號。傳感器的信號采集電路如圖4所示，圖中3V穩(wěn)壓管與電阻起到保護作用，外部突變電壓過大時，可以起到穩(wěn)壓的作用，防止燒壞主控制器，電容起到抗干擾作用。

圖4 信號的采集電路

（六）電器控制。一般實驗室電器分為帶紅外線遙控的和普通電器，帶紅外線遙控的電器可通過紅外線遙控來控制，工作原理：遙控器由中央控制器STC89C52、程序及數(shù)據(jù)存儲器、紅外發(fā)射和接收電路、信號調(diào)理電路等組成，遙控器具有學習狀態(tài)和控制狀態(tài)。原理圖如圖5所示。

圖5 紅外線遙控接收

（七）門窗控制。本文設計一個窗戶控制模塊，室內(nèi)可以手動控制，人在室外也可以通過發(fā)送短信息遠程遙控窗戶或門的開關(guān)，下雨時可以自動關(guān)窗。通過單片機采集窗的狀態(tài)，再控制電機使其開關(guān)，這個系統(tǒng)包括雨水傳感器、電機控制電路、按鈕、接近干簧管開關(guān)和串行通信電路等幾個部分。該系統(tǒng)通過單片機串口與主控模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

綜上，本文設計了一個基于GSM短信息實驗室智能化遙控系統(tǒng)，進行了總體方案設計和探討了該系統(tǒng)的整體構(gòu)架以及功能要求，對所需元器件進行選擇，以單片機為核心處理器件，對GSM短信息主控模塊電路以及各功能模塊電路進行設計，以PC機為試驗平臺，進行了短信息接收與發(fā)送的模擬試驗調(diào)試，同時也對各部分電路功能進行了調(diào)試，并分析和解決了試驗中遇到的所有問題，證實了該系統(tǒng)是具有可行性的，具有較強的使用價值，很好地適應了未來實驗室環(huán)境監(jiān)控發(fā)展的智能化和網(wǎng)絡化的必然趨勢。

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【作者簡介】吳建軍（1966- ），男，柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院鐵道通信信號專業(yè)帶頭人，講師/實驗師，研究方向：電子技術(shù)、計算機應用、鐵道通信信號技術(shù)。

（責編 何田田）