摘要：介绍了一种无线温湿度实时监测体系。体系以低功耗单片机MSP430F149为主操控器，选用高精度低功耗温湿度传感器SHT21丈量环境的温湿度，并选用高精度实时时钟芯片PCF8563为体系供给时刻基准。体系依据实际需求设置温湿度的阈值，当地点环境的温湿度超出该阈值时，体系会产生报警，并将当时地点环境的时刻、温湿度值和相关提示信息经过GPRS传输到移动终端。体系完结了对环境温湿度的无线实时监测，可适用于多种环境中。
关键词：MSP430F149;SHT21;GPRS;PCF8563
导言
跟着物联网技能的快速开展和各种大数据中心的树立，各种数据监测体系特别是无线数据监测体系应运而生，其间，无线温湿度监测体系便是一种十分具有代表性的无线监测体系。尽管，无线温湿度监测体系结构和功用都很简略，可是，其在工农业出产和科研作业中，具有很高的运用价值。现在，无线温湿度监测体系首要由中心操控单元、温湿度收集单元和无线数据传输单元构成。其间，中心操控单元大都选用8位单片机作为主操控器，如51单片机、AVR单片机、PIC单片机等;温湿度收集单元一般选用湿敏电阻和热敏电阻，或许选用集成温湿度传感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等;无线数据传输单元多选用ZigBee无线传感网络。
这种体系本钱较低、功用安稳，能够满意人们的根本需求。可是跟着社会和科技的快速开展，这种体系在数据处理速度、数据准确度、数据监测的实时性和体系功耗方面现已逐步不能满意人们的需求。现在，跟着大规模集成电路的快速开展，各种处理速度更快、功耗更低的单片机(如MSP430F149)在微操控体系中得到广泛运用，丈量规模更宽、精度更高、功耗更低的集成温湿度传感器(如SHT21)越来越遭到人们的喜爱。此外，跟着移动通讯技能的不断老练，特别是GPRS的面世，使数据的实时长途传输变得简略牢靠。本文论述了依据低功耗单片机MSP43 0F149、高精度低功耗温湿度传感器SHT21和GPRS的无线温湿度实时监测体系的结构、作业原理和运用情况。
1 体系结构
体系首要由主操控器、时钟单元、报警单元、温湿度丈量单元和数据传输单元5部分构成。其体系结构如图1所示。
1.1 主操控器
体系选用低功耗单片机MSP430F149作为主操控器。MSP430F149单片机是TI公司推出的一款16位微处理器，支撑1.8～3.6 V电压供电，全速运转时的电流仅为280μA，休眠状况微处理器的电流只要0.1μA;支撑5种省电形式，一起具有很快的唤醒速度，唤醒时刻仅为6 μs;片内集成12位A/D转换器、2种守时器、2个UART通讯端口以及比较器。MSP430F149单片机选用了精简指令集(RISC)结构，只要简练的27条指令，很多的指令均为模仿指令，很多的寄存器以及片内数据存储器都可参与多种运算，这些内核指令均为单周期指令，功用强、运转速度快;选用Flash型程序存储器和JTAG技能，这就使得开发工具变得简洁且价格相对低价，还能够完结在线编程。MSP430F149单片机的运转环境温度规模为-40～+85℃。
与传统8位微处理器比较，MSP430F149单片机功耗低得多，处理能力强大得多，开发环境愈加便利高效。此外，MSP430F149单片机还具有高功用模仿技能和更为丰厚的片上外围模块作业安稳。用MSP430F149单片机作为主操控器，对整个体系的功耗和处理速度都有很大的改进，并且大大缩短了开发周期。
1.2 时钟单元
时钟单元的首要功用是计时，为整个体系作业供给一个体系时刻，体系选用时钟/日历芯片PCF8563计时。PCF8563是Philips公司推出的一款工业级实时时钟/日历芯片，含I2C总线接口，功耗极低，具有报警功用、守时功用、时钟输出功用和中止输出功用，能够完结各种杂乱的守时使命。该体系首要用到PCF8563的时钟输出功用。
1.3 温湿度丈量单元
温湿度丈量单元的功用是丈量体系地点环境的温湿度。体系选用数字温湿度传感器SHT21丈量温湿度。SHT21是Sensirion公司出产的一款高功用、高精度的数字温湿度传感器，包括一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。SHT21的供电电压为3.3 V，作业温度规模为-40～+125℃;温度丈量规模为-40～+125℃，灵敏度为0.01℃，丈量精度为±0.3℃(25～+42℃);湿度灵敏度为0.04%RH，丈量精度为±2%RH(20%～80%RH)。正常作业情况下，SHT21的功耗只要0.9μW。
SHT21是指令触发型传感器，当主操控器向其发送0xF3时，触发其丈量温度，而当主操控器向其发送0xF5时，触发其丈量湿度。SHT21输出的是经过标定的数字信号，规范I2C总线格局。主操控器可直接经过I2C总线向SHT21发送指令或许从SHT21读取数据，操作比较便利。
与传统的温湿度传感器比较，SHT21的量程更大、精度更高、功耗更低、操作更简洁。运用SHT21丈量温湿度，进步了数据的准确度，降低了体系的功耗，简化了体系结构。
1.4 报警单元
报警单元的功用是，当体系地点环境的温湿度超出体系预设置的温湿度的上限值时，宣布短促的报警动静，首要元件是蜂鸣器。
1.5 数据传输单元
数据传输单元的功用是当体系地点环境的温湿度超出体系设置的温湿度阈值时，将测得的温湿度的值及丈量时刻发送到移动终端(如手机)，奉告运用者被监测的环境温湿度超限，需求及时处理。为了进步数据传输的实时性，体系选用GPRS无线网络传输数据。
GPRS(General Packet Radio Service)，通用分组无线服务网络是在原有GSM根底之上参加SGSN、GGSN和PCU而生成的无线网络。GPRS具有以下特色：
①运用GSM网络中未运用的TDMA信道，传输速率能够到达114 kbps。
②选用分组交流技能，每个用户能够一起占用多个无线信道，而每个无线信道又可一起被多个用户同享，完结信道资源愈加合理有用的运用。
③具有当即联机的性质，即客户树立一个新的衔接，简直无需任何额定时刻。也便是说，用户在运用手机网上冲浪或许进行通话时，也能够接纳外界发来的短消息。
④按数据量收费，用户只要在发送或许接纳数据时占用网络资源，运营商才会收费，数据量越大，收费越多，反之越少。所以，用户只需关怀数据量的多少，而无需关怀通讯时刻的长短。本体系需求传输的数据量较少，费用较低。
在硬件电路方面，绝大部分GPRS模块向外供给RS-232C接口，用户能够在嵌入式操作体系中编写相应的PPP脚本拨号程序，直接驱动GPRS凋制解调器衔接上GPRS骨干网和Internet，这样，一切收集到的数据就能够经过TCP/IP通道发送到恣意一个具有GPRS网络私有IP地址或公网IP地址的主机上去，然后完结收集数据的无线传输。现在，跟着电子技能和嵌入式技能的开展，依据GPRS的无线传输模块逐步得到了广泛运用。这种模块是在原有的GPRS模块的根底上加上外围电路设计而成的，经过串口与操控器通讯，其PPP脚本拨号程序已由开发人员写好。因而，运用者只需装备模块的参数、正确操作串口，就能完结数据的无线传输。
2 体系作业原理
体系作业流程图如图2所示。体系选用可调等时刻距离丈量形式，极大地增强了体系作业的灵敏性。体系启动后，运用者依据实际需求设定体系的丈量距离时刻T和温湿度的阈值。每隔时刻T，体系会接连丈量3次温湿度，以确保丈量的准确度。之后，体系会将丈量的温湿度的值与预设的温湿度的阈值进行比较。假如所测得的温湿度的值超越设定的阈值，则体系会当行将机房编号、丈量时刻、温湿度值发送给移动终端，并提示作业人员机房需求保护;不然，体系只在规则的时刻将机房编号、丈量时刻、温湿度值和体系运转状况发送给移动终端。
3 体系运转成果
将该体系安装在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所大数据中心1号机房，丈量距离时刻设置为10 s，温度阈值为设定为40℃，湿度阈值设定为10%RH。若环境温度未超越40℃且湿度未低于10%RH，则体系将会在上午十点将机房编号、丈量时刻、温湿度值和体系运转状况(“running!”)发送给移动终端;不然，体系当行将机房编号、丈量时刻、温湿度值和相关提示信息(“Please check!”)发送给移动终端。体系运转4个月，部分成果如图3和图4所示。
结语
该体系选用低功耗器材，选用可调等时刻距离丈量形式，并运用GPRS技能，成功完结了对环境温湿度的无线实时监测。体系结构简略、功耗低、丈量规模宽、准确度较高、丈量形式灵敏、实时性较强，能为管理者供给较为准确的实时数据，不只可用于机房，还可用于农业出产(比方温室大棚)和工业出产(比方出产车间温湿度监控)。体系适用规模较广，具有必定的推行和运用价值。
