基于GPRS的油煙遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：利用GPRS實(shí)現(xiàn)了油煙的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為控制核心，通過采集油煙氣體傳感器TGs2100的信號，并由GPRS和Internet發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)端PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器信號的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)檢測；監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令通過無線網(wǎng)絡(luò)由單片機(jī)接收并根據(jù)信號控制外部設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)無線控制。與傳統(tǒng)監(jiān)控方式相比，該系統(tǒng)具有耗資小，使用便利等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：GPRS；AVR單片機(jī)；油煙傳感器；數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程無線監(jiān)控；TCP／IP協(xié)議

    油煙能夠?qū)θ梭w及環(huán)境造成嚴(yán)重危害，對油煙加強(qiáng)監(jiān)控治理已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前國內(nèi)的油煙監(jiān)控方式多為現(xiàn)場監(jiān)控，具有遠(yuǎn)程信號傳輸功能的的監(jiān)控系統(tǒng)很少，監(jiān)控的效率也不高。隨著移動(dòng)通信的迅速發(fā)展，GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋了全國各地，GPRS除具有接入迅速、永遠(yuǎn)在線、流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)外，還有無線連接Internet業(yè)務(wù)，給遠(yuǎn)程無線監(jiān)控提供了便利。本系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)為控制核心，對油煙氣體進(jìn)行檢測，并借助GPRS技術(shù)，將數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)和Internet，實(shí)現(xiàn)油煙的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

l 系統(tǒng)的工作原理
    以AVR單片機(jī)為主處理芯片，實(shí)現(xiàn)傳感器信號的采集、發(fā)送以及遠(yuǎn)程控制命令的接收。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    系統(tǒng)工作時(shí)，油煙傳感器采集的模擬信號經(jīng)過濾波與放大處理后進(jìn)入AVR單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換接口，單片機(jī)把采集的數(shù)據(jù)存入擴(kuò)展的SRAM中并傳給GPRS模塊，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet連接傳送到遠(yuǎn)方的PC機(jī)，顯示在數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件上。如果遠(yuǎn)方的PC機(jī)的工作人員需要對系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，可以發(fā)送的控制信號通過Internet與GPRS服務(wù)進(jìn)行連接，系統(tǒng)的GPRS模塊接收到信號后也把數(shù)據(jù)存入SRAM，AVR單片機(jī)從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，控制輸出警告信號，同時(shí)控制繼電器控制油煙凈化設(shè)備采取油煙的凈化措施。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件電路主要分為傳感器信號采集電路、存儲(chǔ)電路、GPRS模塊接口電路、繼電器輸出控制電路等幾部分。
2．1 數(shù)據(jù)采集電路
    單片機(jī)ATmega64L有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，最高分辨率時(shí)采樣率高達(dá)15 kSPS，8路復(fù)用的單端輸入通道，單端電壓輸入以0 V(GND)為基準(zhǔn)，O～Vcc的ADC輸入電壓范圍，可選的2．56 V ADC參考電壓，ADC還包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。
    系統(tǒng)所用的傳感器是TGS2100空氣質(zhì)量傳感器，具有對氣味氣體、氣態(tài)的空氣污染靈敏度高、低功耗、壽命長、低價(jià)位、應(yīng)用電路簡單等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在氣體測量報(bào)警比如香煙氣、油煙氣、異味等。TGS2100傳感器電路如圖2所示。

    其中：VH是加在加熱電阻RH上的電壓，保證傳感器工作在合適的感應(yīng)溫度；VC、是傳感器的工作電壓，VC和VH可以使用同一個(gè)電源，保證在5．0±0．2 V DC：RS是敏感電阻，煙氣的濃度改變其電阻值也跟著改變；RL是負(fù)載電阻，它兩端的電壓是傳感器的輸出電壓。為保證傳感器檢測的精度，要求傳感器工作時(shí)RS的功耗Ps≤15 mW。
2．2 存儲(chǔ)電路
    由于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包最大可以有1 500 B，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸高峰時(shí)，單片機(jī)是無法存儲(chǔ)的，因此采用了擴(kuò)展RAM，以提高整個(gè)系統(tǒng)的吞吐數(shù)據(jù)的能力。結(jié)合本系統(tǒng)的要求，采用了ISSI公司生產(chǎn)的IS62C256芯片。這是一款低功耗、32 KB、8位的CMOS靜態(tài)RAM。單電源5 V供電，TTL兼容輸入輸出。由于容量是32 KB，所以要用15根地址線控制，在本系統(tǒng)中AVR單片機(jī)的PA0~PA7接口連接IS62C256的高7位，在讀寫過程中，地址傳輸完后，將IS62C256的低8位地址鎖存，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    另外，系統(tǒng)還采用E2PROM，用來存儲(chǔ)一些配置信息，例如IP地址、時(shí)鐘初始時(shí)間等，防止系統(tǒng)掉電后信息的丟失。
2．3 GPRS模塊接口電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的GPRS通訊模塊采用的是西門子公司的MC39i，它具有GPRS，USSD和CSD三種數(shù)據(jù)傳輸方式以及SMS和FAX功能。模塊具有體積小，重量輕，功耗低等特點(diǎn)。
    根據(jù)本系統(tǒng)的要求，用到的功能引腳只包括電源的輸入、電源地、SIM卡引腳，控制部分以及數(shù)據(jù)輸入／輸出。系統(tǒng)采用三線制(RXD／TXD／GND)的方式連接MC39i與單片機(jī)。對于標(biāo)準(zhǔn)RS 232中未使用的引腳，如果為輸出引腳則浮空，如果為輸入引腳則通過10 kΩ電阻上拉。模塊接口的IGT引腳用于啟動(dòng)GPRS引擎模塊，為下降沿使能。
2．4 繼電器輸出電路模塊
    繼電輸出由單片機(jī)I／O口引出，觸發(fā)晶體管開通控制繼電器，從而控制外部設(shè)備的運(yùn)作。繼電器輸出電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)在上電復(fù)位后，首先要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即要對其工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以確保其正常工作。主要是對一些寄存器進(jìn)行配置，例如接收配置寄存器、發(fā)送配置寄存器、數(shù)據(jù)配置寄存器、中斷屏蔽寄存器等。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。

    系統(tǒng)工作時(shí)不斷地通過串口向MC39i模塊發(fā)送AT命令查詢是否有新的命令，然后根據(jù)命令做相關(guān)的處理。
    在監(jiān)控中心服務(wù)端PC機(jī)上，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件，采用VC++作為開發(fā)平臺(tái)，采用TCP/IP Winsock編
程。對TCP的實(shí)現(xiàn)是通過TCP API來實(shí)現(xiàn)的。通過在PC機(jī)上設(shè)計(jì)TCP/IP端口監(jiān)控的程序，對系統(tǒng)進(jìn)行控制與通信，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)來的TCP數(shù)據(jù)包，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

4 結(jié) 語
    討論了以AVR單片機(jī)為主控制核心，利用GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油煙遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在油煙的監(jiān)測，也可以用在其他領(lǐng)域的信號監(jiān)測上，具有廣闊的應(yīng)用前景。