摘要：本文根據城市環境數據采集的需求，以單片機MSP430F1232為核心，集成GPRS模塊、數據采集模塊，詳細論述了城市環境數據采集設備的設計，包括硬件方案和軟件方案的設計。該系統可以實時記錄城市環境采集點的溫度、濕度、噪聲強度等環境數據信息，并且可以將采集到的信息通過GPRS無線網絡實時的傳送到城市環境監測中心的服務器上，以便研究人員對采集到的城市環境信息進行分析研究。

關鍵詞：單片機；GPRS模塊；DS18B20；LTC3105

引言

隨著城市化進程的快速發展，城市環境數據信息的采集分析也越來越重要，如何使環境數據信息的采集、分析更加簡便易行，是城市環境監測研究機構最關心的問題。城市環境數據信息的采集是城市環境監測研究機構對城市環境狀況進行分析和研究的基礎，但是以往的城市環境數據信息的采集大都僅依靠人工完成，采集記錄的環境數據與實際數據之間存在較大的誤差，對數據的應用以及城市環境狀況的分析等都會造成很大的影響。城市環境數據采集設備可以實時、方便、快捷地采集城市環境數據信息，并且可以全天候工作，真實可靠地記錄城市環境數據，從而可以避免人為誤差。

1城市環境數據采集設備的功能

為了真實有效的采集記錄安裝點的環境數據，以便環境研究機構對采集到的環境數據進行分析，掌握城市環境變化規律，更好的為人類的生活生產服務，環境數據采集設備的主要功能如下：

1）城市環境數據信息采集功能

該設備可以實時對安裝地點城市環境數據（例如溫度、濕度、噪聲強度、懸浮顆粒濃度等）進行準確無誤的采集。

2）數據存儲功能

該設備可以對采集到的城市環境數據按時間先后進行存儲記錄，以便城市環境分析人員對采集到的數據進行核實確認。

3）數據傳輸功能

設備可以將采集到的城市環境數據信息通過GPRS無線網絡發送到城市環境監測中心的服務器上，以便相應的人員對城市環境數據進行分析。同時該設備還可以通過GPRS模塊接收來自城市環境監測中心的設置命令，用以對設備進行遠程數據設置。

2系統硬件設計

系統以高性能、低功耗單片機MSP430F1232為核心控制器，集成GPRS模塊、數據采集模塊、數據存儲器模塊、鍵盤以及電源管理模塊。單片機負責接收來數據采集模塊的實時數據信息，同時對采集到的數據信息進行分析、存儲，并且可以通過GPRS無線網絡將采集到的數據信息發送到城市環境監測中心的服務器上；數據采集模塊采集現場的環境信息，并將數據傳輸給單片機；GPRS模塊負責設備與城市環境監測中心的數據通信，通過GPRS模塊該設備可以將采集到的實時數據信息發送到城市環境監測中心，同時也可以接收來自城市環境監測中心相應的設置命令。另外該設備還可以通過鍵盤來設置工作狀態（例如數據采集時間間隔、發送數據時間間隔等）。為了避免頻繁更換設備工作時所需要的電池，該終端設備采用太陽能電池供來提供工作所需的電能。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

Fig.1 The block diagram of the system

2.1 單片機單元

MCU采用德州儀器（TI）的MSP430F1232單片機，此單片機是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結構，16位的CPU集成寄存器和常數發生器，實現了最大化的代碼效率。包括1個內置16位的定時器、一個快速12位A/D轉換器，一個通用串行同步異步通訊接口和22個I/O端口。下面列出它的一些主要特性：低電源電壓輸入范圍：DC 1.8~3.6V；超低功耗：2.5uA  @ 4kHz,2.2V；具有5種節電模式；喚醒時間小于6us；12位200Ksps的A/D轉換器，自帶采樣保持；一路串行通訊接口可用于異步通信模式或者同步通信模式；2個8位并行端口，1個6位并行端口；片內包含8KB FLASH ROM和256 RAM；1個通用的16位定時器，并具有片內溫度傳感器^[1]。單片機通過數據線接口接收來自數據采集模塊的各種數據，并且對數據進行分析與存儲，然后通過串口0與GPRS模塊相連接完成數據的發送與接收，實現與城市環境監測中心的雙向通信。

2.2 GPRS模塊

2.2.1 GPRS概述

GPRS(General Packet Radio Service)是通用無線分組業務的簡稱，是一種基于GSM(Global System for Mobile Communications)系統的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線IP連接；是GSM Phase2.1規范實現的內容之一，能提供比現有GSM網9.6kbit/s更高的數據率。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發結構、無線調制標準、調頻規則以及相同的TDMA幀結構。作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術，GPRS充分利用了現有移動通信網的設備，不需要改變無線網絡規劃與其拓撲結構，因而從很大程度上節省了移動網絡建設成本。它支持IP協議和X.25協議，在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數據接入服務。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時只需要增加部分硬件設備和軟件升級即可^[2]。

GPRS的數據傳輸具有以下幾個特點：（1）采用的時分組交換技術的通信方式。在分組交換的通信方式中，數據被分成一定長度的數據報（分組），每個數據報的前面有一個分組頭（其中的地址標志指明該分組發往何處）。數據傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接。而是在每一個數據報到達時，根據數據報頭中的信息（如目的地址），臨時尋找一個可用的信道資源將該數據報發送出去。在這種傳送方式中，數據的發送和接收方同信道之間沒有固定的占用關系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用，因此對信道資源能夠更合理地應用。（2）按數據流量計費，而不是按在線時長計費。GPRS是按照用戶傳輸的數據流量進行計費，即用戶一直在線，只要不進行數據傳輸用戶無需付費，從而降低了系統的運行與服務成本。（3）傳輸速率高。GPRS可提供高達115kbit/s 的數據傳輸速率（最高值可達到171.2kbit/s），比當前GSM網絡中電路交換業務速度（9.6kbit/s）高十幾倍，可以穩定地傳送大容量的高質量音頻與視頻文件。（4）永遠在線。GPRS用戶一旦成功連接到網絡后，無論是否進行數據傳輸，用戶始終與網絡保持連接并且處于在線狀態。（5）GPRS網絡接入速度快，提供了與現有數據網的無縫連接。（6）GPRS支持基于標準數據通信協議的應用，可以和IP網、X.25網互聯互通。支持特定的點到點和點到多點服務，以實現一些特殊應用如遠程信息處理。GPRS 也允許短消息業務(SMS)經GPRS無線信道傳輸。（7）GPRS 的設計使得它既能支持間歇的爆發式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據的傳輸。它支持四種不同的QoS級別。GPRS能在0.5 ---1秒之內恢復數據的重新傳輸。

2.2.2 GPRS模塊介紹

GPRS模塊采用西門子公司的MC52i模塊，它是城市環境數據采集設備與城市環境監測中心建立通信的重要部分。通過GPRS模塊一方面可以將數據采集模塊采集到的數據信息實時發送到城市環境監測中心的服務器上；另一方面還可以接收來自城市環境監測中心的設置命令，實現數據采集設備與監測中心的雙向通信。MC52i模塊特性和技術參數如下：（1）符合GSM phase 2/2+。（2）使用標準AT指令控制。（3）MC52i以AT指令方式實現數據傳輸，每次傳輸都會有相應的結果狀態（“OK”或者“ERROR”）返回。（4）內嵌TCP/IP協議，通過AT指令接口提供給用戶，可以支持數據業務的透明和非透明傳輸。透明傳輸是指數據的封裝都由TCP/IP協議自動完成。（5）支持GSM語音、數據、傳真、短消息及GPRS數據傳輸等通訊功能。（7）體積小，性價比高，適于大規模生產。

2.2.3 GPRS模塊接口電路的設計

MC52i模塊與MSP430F1232通過串口以及信號控制引腳相連，電路連接圖如圖2所示。MC52i的26-30引腳為電源電壓的輸入端，輸入電壓范圍為3.3V～4.8V，峰值負載電流為2A。MC52i模塊的TXD0與RXD0分別為MC52i模塊的數據接收端口與數據輸出端口，分別連接到單片機串口（UART0）的TXD0與RXD0。MC52i的1-6引腳為外接SIM卡提供了標準的接口，其中CCGND和CCVCC為SIM卡提供工作電壓；CCCLK信號為SIM卡提供時鐘脈沖信號；CCIO為串行數據輸入輸出接口；CCRST信號為SIM卡復位信號；CCIN引腳主要用來檢測SIM卡是否插入SIM卡卡座中。接口功能見表1所示。MC52i模塊的IGT引腳為開機信號控制端，當MC52i模塊的輸入電源電壓達到4.0V后，單片機P1.0控制外圍電路將該引腳拉低到低電平并且維持時間大于100ms，MC52i模塊才可以正常開機運行。為防止電流回灌到MC52i模塊，外圍電路使用集電極無上拉電阻的三極管作為驅動電路。

表1 SIM接口功能

Tab. 1 Function of the SIM interface

圖2 MC52i 連接原理圖

Fig. 2 MC52i Connection diagram

MC52i的工作狀態監測可以通過模塊的VDD引腳來完成，當模塊工作時VDD輸出高電平，當模塊關閉時VDD輸出低電平，可以通過單片機P1.2管腳監測VDD的輸出電平狀態來判斷MC52i模塊的工作狀態。

MC52i模塊與單片機之間主要通過串口進行數據傳輸，它們之間的通信波特率可根據實際需要進行設定，可以設置的通信波特率有1200bit/s，2400bit/s，4800bit/s，9600bit/s，19200bit/s，38400bit/s，57600bit/s，115200bit/s等。單片機通過AT指令控制MC52i模塊附著GPRS網絡并且與城市環境監測中心服務器建立連接，MC52i模塊與服務器建立連接完成后，數據采集終端設備就可以實時向城市環境監測中心發送采集到的城市環境信息，以及接收來自城市環境監測中心的設置命令。

2.3 數據采集模塊

    數據采集模塊是數據采集設備的數據采集單元部分，其集了單總線數字溫度傳感器、單總線數字濕度傳感器、單總線數字噪聲傳感器、懸浮物顆粒檢測傳感器等于一體。數據采集模塊上的所有傳感器均采用單線數據傳輸控制方式，并且每只傳感器擁有自己的ID號碼，因此在單片機接收數據時可以很方便的判別出接收到的數據類型。限于文章的篇幅本設計僅對溫度傳感器的工作方式以及與單片機的連接進行介紹。

2.3.1 溫度傳感器

本系統采用美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器芯片DS18B20，其采用3引腳TO-92小體積封裝；測溫范圍為-55~C～+125℃，具有9～12位A／D轉換精度，最小溫度分辨率可達0.0625℃，以16位補碼方式串行輸出所測量的城市環境溫度；DS18B20的工作電源既可由遠端引入，也可采用寄生電源方式；多個DS18B20可以并聯到兩或三根線上，此時CPU只需用一根端口線就可以實現與多個DS18B20傳感器的通信，這樣占用微處理器的端口也比較少，因此此溫度傳感器可廣泛用于多路溫度檢測與控制中^[3]。

DS18B20中的溫度傳感器可以實現對城市環境中溫度的測量，當溫度轉換指令出現后，轉換后的環境溫度以補碼的形式存放在高速暫存存儲器的第0個和第1個字節中。下面以12位轉化為例具體說明：用16位擴展的二進制補碼形式提供，以0.0625℃／LSB的形式表示，其中S為符號位。表2是溫度轉化后所得到的16位的數據格式，高字節的前面5位為符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，此時只要將數據乘以0.0625便可以得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數值需要取反加1再乘以0.0625即可得到實際溫度。

表2 溫度數據格式

Tab.2 The temperature data format

例如，+125℃的數字輸出為07D0H；+25.0625℃的數字輸出位0191H；-55℃的數字輸出為FC90H。

單總線傳感器與單片機的接口電路，單總線傳感器常采用內部寄生電源和外部電源供電兩種方式供電，在連接方式上可分為單片連接和多片連接。前者形成單點測量系統，后者構成多點測量系統。本次設計中單總線傳感器與單片機連接方式為外部電源供電方式，VCC接4.0V電源供電，外部電源供電的優點：電源穩定、抗干擾性強、操作方便；單片機P2口的P2.2為外接多路傳感器的數據傳輸線路，以組成多路城市環境數據采集系統。傳感器與單片機的連接圖如圖3所示。

圖3 傳感器與單片機連接圖

Fig.3 The circuit of MCU and sensors

2.4 電源模塊

數據采集設備采用太陽能電池來提供工作所需的電能，并采用凌特公司的LTC3105控制器對太陽能電池提供的電壓進行電壓變換，使整個系統可以得到穩定的工作電壓并且在電路設計時加入可充電電池用來存儲剩余的電能以便在無太陽光時系統可以正常工作。電源模塊電路圖如圖4所示。

LTC3105的技術參數如下：工作電壓可低至0.225V；該芯片可以編程輸出設備需要的電壓；最大輸出電流0.4A；外圍電路簡單，只需外接較少的電子元器件就可以為設備提供穩定的工作電壓；轉換效率高；具有過熱及過負載保護功能。

圖4 電源模塊電路圖

Fig.4 The circuit of power module

3系統軟件設計

為方便系統維護與升級，系統軟件設計采用模塊化程序結構，主要有主程序、數據采集定中斷程序、數據存儲程序以及GPRS通信程序等組成。

3.1 主程序功能

主程序負責對設備的各個工作模塊進行初始化、初始化完成后開中斷程序，然后主程序便進入中斷等待狀態，等待中斷的發生。

3.2 數據采集中斷程序

單片機與各個傳感器之間通過單總線方式連接，空閑時單總線狀態為高電平，各傳感器處于既可以寫入又可以讀取數據的狀態。對單總線傳感器的操作主要包括兩類：讀取數據與寫入數據，以ROM操作命令或存儲操作命令的形式出現。相應的命令可以由用戶自行定義，在此設備中定義如下：[F0H]識別總線上的所有傳感器；[33H]讀單個傳感器的序列號；[55H]定位某個傳感器；[CCH]跳過ROM操作；[4EH]寫存儲器；[BEH]讀存儲器；[44H]完成采集數據的轉換。

數據采集中斷程序通過定時器中斷來實現，當定時器達到預定值時產生中斷，系統便進入數據采集程序。進入數據采集程序后，系統將對需要采集數據的傳感器進行選擇，相應的傳感器對單片機的請求做出響應，當傳感器完成數據采集后，單片機對采集完成的數據進行讀取，數據讀取完畢后，單片機對讀取得到的數據進行相應的轉換，并且將轉換后的數據按一定格式進行存儲以便通過GPRS發送到城市環境監測中心。數據采集中斷程序流程圖如圖5a所示。

圖5 程序流程圖

Fig.5 Program Flow Diagram

3.3 GPRS數據發送程序設計

數據采集設備可以將采集到的實時信息通過GPRS模塊發送到城市環境監測中心的服務器上，以便城市環境監測中心實時掌握城市環境變化情況。單片機采集到各種數據后對數據進行分析處理，將需要發送到城市環境監測中心的信息按一定格式進行封裝后存儲到數據發送緩沖器內，以便發送數據時調用。本系統采用定時器中斷方式對數據進行發送，發送時間間隔為5S，當定時器定時5S溢出進入中斷后，執行數據發送中斷程序，程序讀取發送緩沖器內存儲的數據，并且通過GPRS模塊將數據發送到城市環境監測中心。數據發送程序流程圖如圖5b 所示。

4結論

以單片機技術、GPRS技術、單總線傳感器技術設計的城市環境數據采集設備，具有精度高、響應速度快等特點。系統硬件以及軟件均采用模塊化設計，同時該設備采用太陽能電池提供工作電源，更方便使用單位對系統的升級與維護。經過實際運行測試，數據采集與傳送準確可靠，為多點無線遠程城市環境數據采集提供了一款全新的數據采集設備。避免了以往人工記錄存在較大誤差的缺點，該系統具有良好的推廣價值和應用前景。

參考文獻：

[1] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User’s Guide, 2006.

[2] Siemens Cellular Engine. MC52i AT Command Set V01.200. Confidential/Released, 8, 2008.

[3] 沙占友.智能化集成溫度傳感器原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2002: 125-150.