CN107300400A - 基于gprs与单片机的森林防火水井远程监测传输装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，包括传感器组，电池组及电源管理电路，数据采集单元MCU，GPRS数据传输系统，以及监控中心服务器；传感器组将检测到的数据传送至数据采集单元MCU；数据采集单元MCU对接收到的数据进行处理分析后发送至GPRS数据传输系统，再传送至监控中心服务器；整个监测装置采用定时器电路进行定时唤醒控制，定时上传检测数据至监控中心服务器以实现远程监测数据的读取。本发明利用移动公网进行数据传输，稳定可靠，灵活性好，设计和运行成本低，更好地满足监测系统的需求；采用常规电池供电，电池有效工作周期长，省去了频繁充电更换电池的麻烦；适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，属于监测技术领域。
背景技术
监测数据传输是电力、环保、水情测报、大坝安全监测、桥梁监测等监测系统重要组成部分，随着物联网技术的发展，对监测系统数据传输也提出了更高的要求，原有的数据传输已不能满足分布式、数据处理分析和网络共享及移动性要求。
目前，常用的无线数据传输方式主要分为两类：超短波无线电台和公用移动网络。现存的超短波无线电台监测系统应用非常广泛，但存在如下不足：1、通信距离有限；2、通信速率不高，抗干扰能力不足；3、测点和监控中心都要配置电台，成本较高。
而利用公用移动网络进行数据传输是监测系统发展的一个重要方向，以中国移动的网络为例，利用公用移动网络进行数据传输的方式有三种：短消息SMS、电路交换数据业务CSD模式、GPRS模式。
其中，短消息SMS应用非常广泛，但存在如下不足：1、通信延迟较长，无线信道容易发生拥塞；2、一次传输的信息量有限，小于160个字节，当数据包大于160个字节时，要进行分组传输；3、按短信息条数进行收费，花费较多；4、测点和监控中心都要配置短消息数据传输模块，成本较高。
电路交换数据业务CSD模式传输数据与电话通讯类似，现存的监测系统中应用的不多，存在如下不足：1、费率是以使用时间的长短来计算，当测点和监控中心不在同一城市时，按长途收费，花费较多；2、通信速率不高，一般为9600bps；3、测点和监控中心都要配置手机模块，成本较高。
GPRS模式(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种采用分组交换的高效率数据传输方式。每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又由多个用户共享，资源被有效地利用，数据传输速率高达170kbps，使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，用户永远在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。其特点突出表现为：1、实时性强，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，可很好地满足系统对数据采集和传输实时性的要求；2、测点布置灵活，GPRS网络已经覆盖绝大部分地区，基本不存在盲区，可实现大范围的监测；3、监控中心可以灵活移动，只要能接人Internet，就可以对测点进行监控；4、一次传输的信息量可达1024个字节；5、通信速率高，可达40kbps；6、采用GPRS公网平台，无需建设网络，只需在测点安装GPRS数据传输模块，建设成本低。
森林防火水井监测系统地处森林山区、各防火水井测点分布比较分散，各个测点的地理位置相距较远，数据的采集传输无需太频繁(每天2次即可)，而且无法外部供电，急需一种能够满足森林监测需求的监测系统。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，利用移动公网进行数据传输，可满足森林防火水井监测的需求，降低运行运行成本。
为了实现上述目的，本发明采用的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，包括传感器组，电池组及电源管理电路，数据采集单元MCU，GPRS数据传输系统，以及监控中心服务器；所述传感器组用于检测森林防火水井的实时状态，并将检测到的数据传送至数据采集单元MCU；数据采集单元MCU对接收到的数据进行处理分析后发送至GPRS数据传输系统，并经GPRS数据传输系统传送至监控中心服务器；所述电池组及电源管理电路用于整个监测装置中各个模块的供电；整个监测装置采用定时器电路进行定时唤醒控制，定时上传检测数据至监控中心服务器以实现远程监测数据的读取。
所述数据采集单元MCU采用STC15F2K60S2系列单片机，GPRS数据传输系统采用SIM900A通信模块。
所述传感器组、数据采集单元MCU、GPRS数据传输系统分别由电池组内的传感器电源、单片机电源、通信模块电源供电，通过电源管理电路按系统控制要求，分时按序控制个电源的接通和关断。
优选地，单片机电源、传感器电源、通信模块电源的供电平时采取断电方式，只有定时器定时时间到，需要采集处理和发送数据时，由定时器电路产生触发唤醒脉冲，通过电源管理电路控制向单片机供电，单片机得电后，先进行系统初始化工作，控制向传感器及通信模块供电，数据采集处理和数据发送完成后，自动关闭传感器电源、通信模块电源、单片机电源的供电，以取得最小的功耗。
优选地，所述传感器组包括温度传感器和液位传感器。
进一步，还包括通信机箱，所述电池组及电源管理电路、数据采集单元MCU和GPRS数据传输系统安装在通信机箱内，传感器组布设在通信机箱外。
进一步，所述通信机箱上设有防盗报警装置，防盗报警装置与数据采集单元MCU连接，当通信机箱被打开时，防盗报警装置自动报警，并将报警信号发送给数据采集单元MCU，再经GPRS数据传输系统上传至数据中心。
与现有技术相比，本发明利用移动公网进行数据传输，稳定可靠，灵活性好，设计和运行成本低，能够较好地满足监测系统的需求。同时，采用极低功耗设计，采用常规电池供电，电池有效工作周期超过一年，省去了频繁充电更换电池的麻烦。其适用范围宽，可广泛应用于电力、环保、水情测报、大坝安全监测、桥梁监测等领域。此外，采用防盗及时警告及报警数据及时传输设计，便于设备的防盗管理工作的开展。而且，设备机箱可采用户外防水整体铝铸通信专用机箱设计，完全满足户外环境安装、使用要求。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明的硬件结构框图；
图3为本发明的电路图；
图4为本发明STC15F2K60S2系列单片机的控制电路图；
图5为本发明SIM900A通信模块接口电路；
图6为本发明时钟电源部分电路图；
图7为本发明单片机电源示意图；
图8为本发明传感器电源示意图；
图9为本发明定时电路示意图；
图10为本发明通信模块电源示意图；
图11为本发明SIM卡电路示意图；
图12为本发明数据传输流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，包括传感器组，电池组及电源管理电路，数据采集单元MCU，GPRS数据传输系统，以及监控中心服务器；所述传感器组用于检测森林防火水井的实时状态，并将检测到的数据传送至数据采集单元MCU；数据采集单元MCU对接收到的数据进行处理分析后发送至GPRS数据传输系统，并经GPRS数据传输系统传送至监控中心服务器；所述电池组及电源管理电路用于整个监测装置中各个模块的供电；整个监测装置采用定时器电路进行定时唤醒控制，定时上传检测数据至监控中心服务器以实现远程监测数据的读取。
如图2和图3所示，所述数据采集单元MCU采用STC15F2K60S2系列单片机，GPRS数据传输系统采用SIM900A通信模块。选用目前市场上常用的8051内核单片机STC15F2K60S2系列单片机，该STC15F2K60S2系列单片机具有双串口/UART、低功耗设计、支持掉电唤醒、大容量存储器、硬件看门狗(WDT)、先进的指令集结构、高速、宽电压、ISP/IAP编程，高速ADC等功能特点，特别适合本装置。而SIM900A是新一代无线通信GSM/GPRS模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.2～4.8V，工作的频段为EGSM 900MHz和DCS 1800MHz。所在频段最大功耗分别为2W(900MHz)和1W(1800MHz)。SIM900A采用省电技术设计，所以在Sleep模式下最低耗流只有1.0mA。常用工作模式有Sleep、Idle、Talk等模式。由于尺寸只有24mm×24mm×3mm，所以SIM900A几乎可以满足所有用户应用中对空间尺寸的要求，例如M2M，数据传输系统等。SIM900A为SMT封装，基于STE的单芯片方案，采用ARM926EJ-S架构，可实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。键盘和SPI显示接口可以使用户灵活地设计定制应用。主串口和调试串口可以帮助用户轻松地进行开发应用。一路音频接口，包含一个麦克风输入和一个扬声器输出。可编程的通用输入输出接口(GPIO)。SIM900A内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IPAT命令让用户能够容易的使用TCP/IP协议，而且在数据传输方面应用广泛。其中，所述STC15F2K60S2系列单片机的控制电路图如图4所示，SIM900A通信模块接口电路如图5所示。同时，单片机通过串口通信，通过向SIM900A写入不同的AT指令能完成多种功能，如网络注册、登录、连接、读取SIM卡上电话号码、发送接收消息、数据删除消息等。
所述传感器组、数据采集单元MCU、GPRS数据传输系统分别由电池组内的传感器电源、单片机电源、通信模块电源供电，定时器电源、传感器电源、单片机电源、通信模块电源均采用单独供电方式，通过电源管理电路按系统控制要求，分时按序控制个电源的接通和关断，以获得最小的功耗，极大地延长电池的使用寿命。
为了取得最小的功耗，延长电源的使用寿命，可采用定时器定时唤醒控制方式，单片机电源、传感器电源、通信模块电源的供电平时采取断电方式，只有定时器定时时间到(或者防盗开关被打开时，防盗电路产生触发唤醒脉冲)，需要采集处理和发送数据时，由定时器电路产生触发唤醒脉冲，通过电源管理电路控制向单片机供电，单片机得电后，先进行系统初始化工作，控制向传感器及通信模块供电，数据采集处理和数据发送完成后，自动关闭传感器电源、通信模块电源、单片机电源的供电，以取得最小的功耗。上述电源均为常规电池。
其中，时钟电源部分电路图如图6所示；单片机电源如图7所示；传感器电源如图8所示；定时电路可选用Ti推出的TPL5000低功耗专用集成电路电路，其电路图如图9所示。通信模块电源如图10所示，SIM900A采用VBAT为3.4～4.5V的单电源供电。在一些情况下，信号传输的猝发会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到2A。因此，电源必须能提供足够2A的电流。给SIM900A供电，采用TPS5430实现由5～4V的降压处理。此外，SIM900A的6脚SIM卡电路如图11所示，SIM卡的接口电平由模块内部的电压稳压器提供，正常电压值为2.8V或者1.8V。复位后，所有引脚输出低电平。
优选地，所述传感器组包括温度传感器和液位传感器，用于实时检测所处环境温度和消防水井液位信息，并将检测值传送给数据采集单元MCU。
进一步，还包括通信机箱，所述电池组及电源管理电路、数据采集单元MCU和GPRS数据传输系统安装在通信机箱内，传感器组布设在通信机箱外。通信机箱可采用户外防水整体铝铸设计。
进一步，所述通信机箱上设有防盗报警装置，防盗报警装置与数据采集单元MCU连接，当通信机箱被打开时，防盗报警装置自动报警，并将报警信号发送给数据采集单元MCU，再经GPRS数据传输系统上传至数据中心。
使用前，可先将装置安装在待安装处，接好液位传感器，安装好电池，设置好定时时间，按下电源按键，关闭好通信箱盖，系统即可正常定时发送监测数据。整个装置的数据传输过程如图12所示。当箱盖被打开，系统会即刻自动报警并将报警信号通过通信模块上传到数据中心，以便及时处理。
本系统调试完成，在调试过程中运行稳定，经过低功耗优化设计，可以确保本设备长期低功耗运行，静态工作电流低至100微安。设计成本和使用成本低，它可以广泛应用于电力、环保、水情测报、大坝安全监测、桥梁监测等领域，在即将到来的物联网时代，无线通信系统的应用将起到关键性作用。
综上所述，本发明利用移动公网进行数据传输，稳定可靠，灵活性好，设计和运行成本低，能够较好地满足监测系统的需求。同时，采用极低功耗设计，采用常规电池供电，电池有效工作周期超过一年，省去了频繁充电更换电池的麻烦。其适用范围宽，可广泛应用于电力、环保、水情测报、大坝安全监测、桥梁监测等领域。此外，采用防盗及时警告及报警数据及时传输设计，便于设备的防盗管理工作的开展。而且，设备机箱可采用户外防水整体铝铸通信专用机箱设计，完全满足户外环境安装、使用要求。
上面所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。
Claims (7)
1.一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，包括传感器组，电池组及电源管理电路，数据采集单元MCU，GPRS数据传输系统，以及监控中心服务器；
所述传感器组用于检测森林防火水井的实时状态，并将检测到的数据传送至数据采集单元MCU；数据采集单元MCU对接收到的数据进行处理分析后发送至GPRS数据传输系统，并经GPRS数据传输系统传送至监控中心服务器；所述电池组及电源管理电路用于整个监测装置中各个模块的供电；
整个监测装置采用定时器电路进行定时唤醒控制，定时上传检测数据至监控中心服务器以实现远程监测数据的读取。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，所述数据采集单元MCU采用STC15F2K60S2系列单片机，GPRS数据传输系统采用SIM900A通信模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，所述传感器组、数据采集单元MCU、GPRS数据传输系统分别由电池组内的传感器电源、单片机电源、通信模块电源供电，通过电源管理电路按系统控制要求，分时按序控制个电源的接通和关断。
4.根据权利要求3所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，单片机电源、传感器电源、通信模块电源的供电平时采取断电方式，只有定时器定时时间到，需要采集处理和发送数据时，由定时器电路产生触发唤醒脉冲，通过电源管理电路控制向单片机供电，单片机得电后，先进行系统初始化工作，控制向传感器及通信模块供电，数据采集处理和数据发送完成后，自动关闭传感器电源、通信模块电源、单片机电源的供电，以取得最小的功耗。
5.根据权利要求1所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，所述传感器组包括温度传感器和液位传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，还包括通信机箱，所述电池组及电源管理电路、数据采集单元MCU和GPRS数据传输系统安装在通信机箱内，传感器组布设在通信机箱外。
7.根据权利要求6所述的一种基于GPRS与单片机的森林防火水井远程监测传输装置，其特征在于，所述通信机箱上设有防盗报警装置，防盗报警装置与数据采集单元MCU连接，当通信机箱被打开时，防盗报警装置自动报警，并将报警信号发送给数据采集单元MCU，再经GPRS数据传输系统上传至数据中心。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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