基于SHT11温湿度远程监控系统设计

摘要：采用数字温湿度传感器SHT11作为测量元件，结合单片机和GSM实现远程监控系统，该系统包括温湿度数据采集终端软硬件设计以及监控系统通信端软件的具体实现，与传统装置相比，具有结构简单、测量精度高。
关键词：数字温湿度传感器SHT11；GSM；远程监控；单片机

    温湿度控制在日常生活和工农业生产中的运用非常广泛，本系统采用SHT11温湿度复合传感器是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校准数字信号输出，其外形尺寸仅为7．65x5．08x23．5 mm，体积与火柴头相近，SHT11采用串行接口，它的分辨率可以根据对现场的采集速率而进行调整，一般情况下默认的测量分辨率分别为14 bit(温度)、12 bit(湿度)，如果在高速采集中就可分别降至12 bit和8 bit，对温度的量程范围：-40～123．8℃，湿度的量程范围：0～100％RH，采用该芯片使本系统构成更趋于简单化同时本系统还使用单片机控制TC35(廉价的GSM模块)发送、接收GSM短信实现温湿度的远程监控。

1 控制原理
    本系统主要由控制器、测量、通信、显示、键盘5部分组成，单片机控制芯片内部定时器每隔一定的时间对温湿度进行一次采样，产生一次中断并对采样的温湿度值进行计算，然后系统利用单片机串口与GSM模块以通用异步收发器形式通信，完成温湿度值通过手机短消息的方式，发送到集中监控中心或工作人员的手机终端，从而实现了远程监控温湿度的变化，其系统总体结构如图1所示。

1．1 控制模块采用AT89C2051单片机
    单片机控制模块是本系统的核心，通过外围电路对温湿度采集和向GSM模块写入相关程序，控制部分要实现能够控制GSM模块短消息的接收和发送、接收温湿度值并进行计算、设置相关的工作模式等各项参数的功能。
    AT89C2051是ATMEL公司生产的廉价高性能8位单片机，采用80C31内核指令系统，与MCS-51完全兼容，内含2k字节的Flash可作为用户程序存贮器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，采用20引脚封装，缩小了体积，并内含2个程序加密位，可防止程序的非法读出，安全性能好。它的低电压、高性能CMOS的8位机与MCS-51指令和输出脚兼容，可以构成一个最小的测量系统。但它只有20个引脚，15个双向输入／输出(I／O)端口，其中P1是一个完整的8位双向I／O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器，两个全双工串行通信口，一个模拟比较放大器，同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时／计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
1．2 采用SHT11完成温度、湿度测量
    SHT11温湿传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个用能隙材料制成的测温元件，它操作比较简单，只需用一组“启动传输”时序，就能实现传感器数据传输的初始化，同时，在测量和通信结束后，SHT11会自动转入休眠模式，这大大的减少了功耗，SHT11的主要特点是：
    1)将温湿度传感器、信号放大调理、A／D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片(CMOSensTM技术)；
    2)可给出全校准相对湿度及温度值输出；
    3)带有工业标准的I2C总线数字输出接口；
    4)具有露点值计算输出功能；
    5)具有卓越的长期稳定性；
    6)湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；
    7)小体积(7．65x5．08x23．5 mm)，可表面贴装；
    8)具有可靠的CRC数据传输校验功能；
    9)片内装载的校准系数可保证100％互换性；
    10)电源电压范围为2．4～5．5 V；
    11)电流消耗，测量时为550 μA，平均为28 μA，休眠时为3 μA。
    SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，既提高了传感器的性能，又降低了成本、减少了体积，同时也非常便于和单片机连接，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差，SHT11内部结构如图2所示。

    SHT11引脚说明：VDD-电源引脚其工作电压是2．4～5．5 V，DATA-串行数据引脚；SCK-串行时钟输入，GND-接地端。SHT11测量过程包括启动传输、发送测量命令、等待测量完成和读取测量数据。
1．3 GSM模块采用TC35
    TC35是Siemens公司推出的无线通信GSM模块自带RS232通讯接口，可以方便地与PC机、单片机连机通讯。TC35模块的工作电压为3．3～5．5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W(900 MHz)和和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2．4 k，4．8 k，9．6 k的非透明模式。
    TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口6部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。
    TC35模块有40个引脚，通过ZIF连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。IGT端是TC35模块的启动端，系统加电后为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一个大于100 ms的低脉冲，电平下降持续时间不能超过100 ms，启动后ICT应保持高电平(3．3 V)。同时还要考虑TC35作为数据通信设备来连接，它的RXD0引脚与单片机的RXD引脚连接，它的TXD0与单片机的TXD引脚连接才能进行数据交换，此外，单片机的串口是TTL电平，而TC35是采用CMOS电平，应接电平转换器件MAX232，实现电平转换及串口通信功能，系统硬件主要连接如图3所示。

    使用TC35收发短信息，采用用户识别模块SIM，用户必须准备一张已开通短信息服务SIM卡，SIM卡上包含了所有的用户信息。个人识别码PIN可以防止SIN卡未经授权而使用，每当移动用户开机时，GSM系统先要自动鉴别用户的合法性，只有在系统认可之后，才为该移动用户提供服务。TC35使用外接SIM卡座，SIM卡座上有6个引脚分别接到T35的模块SIM的CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCIO，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。
    TC35I模块的通讯全部采用AT+XXX指令完成，可以用AT指令切换操作模式，可以使它处于数据、语音传输、短消息服务和传真。
    单片机可以通过正确的AT指令对TE35模块进行初始化，例如单片机向TE35发送AT回车后，检测TC35的返回值：若是“OK”则连接正确，若是“ERROR”则是连接错误。然后才能进行短消息的接收和发送。本模块采用PDU支持中文模式，所以本系统使用PDU模式进行短消息的接收和发送。

2 系统软件设计
    系统的软件主要采用模块结构，温湿度的整个测控过程及远程监控由主程序、短消息收发的子程序、温湿度测量子程序、定时中断子程序、显示子程序等完成。各功能模块只有一个入口和出口，各模块间相对独立，避免某功能模块出现异常而导致整个系统瘫痪的故障发生。A T89C2051单片机对TC35模块进行通信，其中初始化的工作包括设置波特率、网络登录、设置发送短消息的模式为PDU。然后单片机通过向TC35写入不同的AT指令，能完成多种功能，如网络注册、读取SIM卡上电话号码、发送短信息、接收短信息、删除短消息等。这里只给出主程序流程、短消息收发子程序的流程、温湿度测量子程序，如图4～图6所示。

3 结束语
    本系统适用于无人值守的温湿度的远程监控系统，在监测区域内能对温度和湿度进行数据采集工作，测湿精度为±3．0％RH，在温度为25℃时测温精度为：±0．4℃，灵敏度高，具有极高的安全性、可靠性和长期稳定性，又由于SHT11传感器直接输出数字信号，系统硬件设计简单。