基于GSM技术的冻土区土壤温度监测系统设计方案 技术, 无线

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将GSM技术应用到冻土区土壤温度自动监测中，以满足恶劣气候条件下的无人值守、长时间、多点监测需求。详细阐述了系统结构、施工过程及实验结果分析。结果表明，该系统测量精度高、可靠性好、功耗低，可实现较大范围内的多点测温及超远距离无线监测。 　　0 引言
　　高寒冻土区土壤温度的监测，无论是对于冻土区斜坡的失稳机理研究，还是对于现代农业生产、建筑及输油管道等基础设施的防灾御灾，都起着至关重要的作用。在环境恶劣的高寒冻土区对地层土壤温度进行监测时，长期以来都需要人工现场采集数据，劳动强度大、工作环境恶劣、效率低。国内外一些比较先进的监测系统已经利用全球通信系统（Global System for Mobilecommunication，GSM）运营商的短信业务，实现超远距离的无线数据传输与报警[1].为了实现大面积、无人值守、长时间、多点监测，本文提供了一种基于GSM技术的土壤温度自动监测系统，以满足实际需求，并详细介绍了施工过程。通过分析试验点采集的数据，验证了本系统的可靠性和实用性。
　　1 系统硬件设计
　　1.1 系统架构
　　系统主要由单片机主控板、GSM 模块、数据采集模块等构成，如图1所示。具有定时采集、数据存储、箱内温度控制、电源管理、超远距离无线数据传输、显示等功能。
　　单片机控制板的微处理器选用Atmel公司ATmega128L芯片，GSM模块选用德国Siemens公司的TC35I，数据采集模块组由AT89C51与TLV2543 ADC芯片组成。

　　单片机控制板集成了DS1302 时钟芯片，DS18B20数字温度传感器、AT45DB161 FLASH 存储芯片及继电器，控制板预留LCD1602的接口，在调试结束后可拔掉显示屏以降低功耗。主控芯片ATmega128L 是一款基于RISC结构的高性能、低功耗8位微处理器，自带的看门狗计时器可以有效地防止程序跑飞，具有两个可编程的串行UART.ATmega128L通过其中一个串行UART，以寻址的方式与数据采集模块中的AT89C51 进行通信，控制多个数据采集模块中的一个进行温度采集。其另一个串行UART与GSM模块TC35I进行通信，将采集的数据以短信形式发送至目标SIM卡号。ATmega128L的外部晶振选用7.372 8 MHz，以产生精准的9 600 b/s波特率。
　　由于野外无供电条件，电源由12 V 的蓄电池组及太阳能电池板构成，为系统提供稳定的直流电压。

　　1.2 温度数据采集电路
　　采集电路原理图如图2 所示。温度传感器为A 级精度的铂热电阻PT100，测量精度[2]为±0.15 ℃。用不锈钢钢管进行封装，并灌入氧化镁MgO 对铂热电阻进行保护，并在屏蔽线与保护套的接口处作防水防腐处理。
　　铂热电阻PT100 的可测量范围为-200~500 ℃，而土壤的温度范围在-50~50 ℃ 之间，因此信号调理电路将-50~50 ℃范围内的PT100电阻值转换成4~20 mA的标准电流进行传输。PT100选用三线制[3？4]，以降低导线电阻对测量结果的影响。而三线制测量方法并不能完全消除导线电阻的影响，因此实际应用中，信号调理电路应尽可能靠近PT100，缩短导线长度。

　　数据采集模块由AT89C51与3片TLV2543 ADC 芯片构成，TLV2543是TI公司的一款具有SPI接口的12位11 路模拟输入通道模数转换器，具有高速、高精度、低噪声等特点。由于AT89C51没有SPI接口，因此需要用普通I/O 口模拟SPI 与TLV2543 进行通信，并选择TLV2543为高位在先的12位数据输出格式，并对同一个模拟输入端口在进行3次采集后做求均值处理，以提高采集精度。
　　数据采集模块预留接口为VCC，GND，TX，RX四个管脚，可方便地插接在单片机主控板上。模块内的AT89C51的E2PROM可通过命令写入设备ID，通过串口挂接在数据总线上，ATmega128L以寻址的方式与其进行通信。每个数据采集模块有33个模拟输入通道，在能源允许的情况下，通过在单片机主控板上扩充数据采集模块，可进行大范围土壤温度监测。
　　1.3 GSM模块通信接口电路设计
　　目前市场常用的GSM 短信模块有西门子TC35 系列、Wavecome 的WM02 系列、爱立信的DM10/20 系列等，这些模块的功能、使用方法差别不大。本系统选用德国西门子TC35I GSM短信模块，其在上述短信模块中的性价比最高，且具备电子设备入网许可。TC35I可工作在900 MHz/1 800 MHz双频段，供电电压为3.3~4.8 V，空闲状态电流为25 mA，发射电流为300 mA，峰值电流为2.5 A.工作在GSM1800 频段时的功耗为1 W，自动波特率范围为1.2~115 Kb/s，支持Text和PDU两种格式的短信息，可通过AT指令来实现重启和故障恢复[5.6].
　　ATmega128L 通过串行UART 与TC35I 短信模块进行通信，波特率为9 600 b/s，Text短信模式，并通过PC1口输出一个200 ms 的低电平来启动模块。连接成功后，仅需4 条AT 指令即可将所采集的数据编辑成Text短信发送到目标SIM 卡号。需要特别注意的是，TC35I对电源电压稳定性要求极高，在供电电压低于3.3 V的时候会自动关机，同时在模块发送短信时，电源电压的压降不能超过0.4 V.具体连接如图3所示。