基于GSM技术的冻土区土壤温度监测系统

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。

2 软件设计2.1 系统主程序结构系统主程序开始后，首先对DS1302,DS18B20,LCD 串口、端口寄存器进行初始化配置，并读取片内E2PROM的时间设定等参数。两个串行UART所配置的参数均为：9 600 b/s 的波特率，1 位停止位，无奇偶校验。系统通过设置子程序校正当前DS1302的时间及设定数据采集时间。系统时间及设定的数据采集时间等信息会通过显示子程序实时显示在LCD屏上。

当系统时间到达设定的采集时间后，主程序触发采集子程序，ATmega128L通过串口UART0向数据总线广播一个采集设备的ID,在接收到设备回应后，向总线上发送采集命令，并接收总线上的数据。采集结束后，将存储与发送标志位置1,分别调用存储子程序与发送子程序进行数据的存储与发送。系统实时获取板载数字温度传感器DS18B20 的温度数据，以判断保温箱内的温度，当低于设定温度后，会启动加热装置，以保证系统板各元器件工作在各自的温度范围内。程序使用ICCAVR 6.31A软件编写，流程图如图4所示。

本系统所用的短消息规范为GSM07.05,发送模式为Text模式，发送短信所使用的AT命令主要有：AT+回车，判断短信模块是否在线；AT+CMGF=1,设置短信模式为Text模式；AT+CSCA=目标SIM卡号，设置目标SIM卡号；AT+CMGS=短信内容，给短信模块装载短信内容。为了判断短信是否发送成功，程序中在每个AT指令环节都监测TC35I 模块回传的信息，如果收到“OK”字符，则表示成功，否则重复操作。当重复操作大于20次时，程序会自动退出本次发送，等待下次发送程序出发时一并发出。

2.2 数据采集设备程序

数据采集设备的微处理器为AT89C51,程序使用软件Keil μVision 4编写，其流程图如图5所示。

程序开始后，首先对串口进行初始化，并打开串口中断标志位。用户通过串口设置设备ID 时，系统会调用ID 设置子程序，并将ID 存储至片内E2PROM.当ATmega128L在数据总线上广播的ID与设备ID匹配时，AT89C51通过串口向数据总线进行回答，在接收到采集命令后，首先将设备中其中一片TLV2543的片选拉低，选择采集通道，输入转换的数据格式，并将数据通过串口发送至数据总线。当采集完成后，向数据总线发送一段字符串标志采集结束，并等待下一次采集。

2.3 监测系统上位机软件

检测系统上位机软件使用Visual Basic 6.0 的MSComm通信控件，只需要用户编写少量的代码即可完成与设备的串口通信功能[7 ? 9].MSComm 控件是由Microsoft公司提供的串行通信Activx控件，能够通过串口发送和接收数据。上位机软件定期检查短信模块中是否有新的短信，并将新短信读入进行处理后，转换成温度数据以图形化形式显示出来，如图6所示。主界面分为数据显示面板及短信接收面板。操作简单并能够以不同形式实时显示所采集到的温度数据，方便用户对数据进行分析。

3 现场试验

实验地点选在大兴安岭地区，并进行了104个测温点的实验。测试系统单片机主控板上插接4个数据采集模块，以预留足够多的采集通道。由于现场地下水位较高，传感器及信号调理电路均使用防水的封装形式。

安装步骤如下：

（1）在预定地点钻测温井，测温井间隔500 cm,直径为Φ150 cm,深度为7 m,每个测温井有13个测温点，共8个测温井；

（2）将尺寸为Φ100 mm×7 000 mm的镀锌保护管插入测温井后填埋；

（3）在测温井附近开挖尺寸为2 m×1.5 m×1.5 m 的工作坑；

（4）将尺寸为Φ700 mm×2 000 mm的防水玻璃钢桶放入工作坑后填埋；

（5）按照顺序将传感器线束放入保护管内，并将管口使用玻璃胶密封好；

（6）在防水玻璃钢桶附近安装太阳能电池板；（7）将各条数据线接入系统板后，将各过线孔使用玻璃胶密封；

（8）将系统保温桶及电池保温桶放入防水玻璃钢桶内；

（9）顺着各条线束挖深度约为20 cm 的沟槽，将线束埋入地下。

4 数据分析

系统每天在上午5点和下午14点时进行采集。取距离管道3 m处，6#测温井的2012年8月份数据进行分析。图7为地下2 m深度范围内的5个测温点随时间变化的温度曲线图。图8为测温井内13个测温点在一个月内随深度变化的曲线图。