论文导读：但由于传感器的材料配方、电极结构等方面的不同，导致各种不同的阻抗型高分子湿度传感器的特性曲线有较大差别，不能用统一的曲线来概括。本系统采用先进的GSM无线通信技术、配合以嵌入式解决方案和数据采集等先进技术，构建了一种基于GSM的温湿度远程监测系统。系统分为监测中心站和远程监测终端两个部分:监测中心站主要有PC主机、GSM通信模块TC35i组成（或用户手机）。
关键词：温度传感器，湿度传感器，GSM，远程监测
1、引言
高级别的质量检测需要在高质量的环境中进行。温度和湿度是环境的重要参数，对温湿度的监测是实现优质环境的重要手段。为了避免人为干扰环境和提高效率，远程监测是一种有效的方法。目前的远程监测系统大多采用以太网络、无线数据传输模块或zigbee无线网络传输数据[ 1-6]。但是，以太网是有线传输，需布线，受地理环境影响较大；无线数据传输模块的传输误码率高，可靠性差；zigbee是专用协议无线网络，成本高，开发难，而且覆盖范围有限。本文提出一种基于GSM的温湿度远程监测系统，具有传输误码率低、成本低及覆盖范围广等优点，并且可与监测人员的手机绑定，实现随时、随地，移动监测。
2、传感器的数学模型
2.1 半导体温度传感器原理
 根据PN结理论，在一定的电流模式下，PN结的正向电压与温度具有很好的线性关系。对于理想二极管，只要正向电压VF大于几个KT/q，其正向电流IF与正向电压VF和温度T之间的关系可表示为
 (1)
式中IS 为二极管反向饱和电流， K 为波尔兹曼常数（1.38×10-23J/K），T 为绝对温度（K）， q为电子电荷（1.602×10-19库仑），
整理后，得
 (2)
如前所述，晶体管的基极一发射极电压在其集电极电流恒定条件下，可以认为与温度呈线性关系[7]。
2.2 阻抗型高分子湿度传感器原理
阻抗型高分子湿度传感器的感湿原理如下：高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移速度增加；同时吸附的水分子使解离的离子增多，膜电阻随湿度增加而降低，由电阻变化可测知环境湿度。阻抗型高分子湿度传感器复阻抗与空气相对湿度、材料配方和电极结构都有关系： 与我有关系
 (3)
其中m为叉指对数，b为单个叉指长度，n为电化学反应电子转移数，f为法拉第常数，c*为氧化剂浓度，D为扩散系数[8]。
但由于传感器的材料配方、电极结构等方面的不同，导致各种不同的阻抗型高分子湿度传感器的特性曲线有较大差别，不能用统一的曲线来概括。
3、远程监测系统
本系统采用先进的GSM无线通信技术、配合以嵌入式解决方案和数据采集等先进技术，构建了一种基于GSM的温湿度远程监测系统。
3.1 系统组成及功能
系统分为监测中心站和远程监测终端两个部分:监测中心站主要有PC主机、GSM通信模块TC35i组成（或用户手机）；远程监测终端主要是由LPC2148ARM内核控制器、GSM通信模块TC35i、信号调理电路、人机接口和通信接口电路组成。监测中心站通过GSM网络与监测终端进行无线远程通信,实现了基于GSM的远程监测。系统结构图如图1所示。
图1 远程监控系统框图
系统实现的功能主要包括数据采集、数据传送、报警、实时控制和数据处理。远程监测终端主要负责采集温度、湿度、2项数据，根据监测中心的命令进行实时上传数据。中心对收到的采集数据进行处理，报警，实现实时监控。
3.2 温度检测电路
本系统采用AD公司生产的单片半导体集成模拟型温度传感器AD590。它具有线性度高、精度高、体积小、响应快、价格低等优点,测温范围为-55~+150℃。具有良好的互换性,非线性误差为±0.3℃。此外,AD590的抗干扰能力强,信号的传输距离可达100 m以上[9]。
流过器件AD590的电流(μA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数：
 (4)
式中， —流过器件(AD590)的电流， 单位K
AD590的灵敏度为1μA/K,0℃时输出273μA电流,每上升1℃输出电流增加1μA ,每下降1℃输出电流减小1μA。AD590基本测温电路如图2所示。
图2 温度检测电路
3.3 湿度监测电路
系统采用CHR-01型阻抗型高分子湿度传感器，其复阻抗与空气相对湿度成指数关系。其基本特性为：工作电压1V AC（50Hz ～ 2 K Hz），检测范围20%～ 90% RH，检测精度±5%，工作温度范围0℃～＋85℃，特征阻抗范围21 ～ 40.5KΩ。湿度传感器阻抗变化与温度有关，其关系见规格书中湿度阻抗特性数据表，通常先检测温度，然后按阻抗查表获得湿度值。由于直流电压可使水分子电离，加速老化，所以采用交流电压测试其阻抗[10]。
将CHR-01与555构成多谐振荡器，通过检测频率，进而获得阻抗。湿度检测电路如图3所示。
图3 湿度检测电路
低电平表达式： 
高电平表达式： 
输出频率表达式：
 (5)
利用单片机的定时器/计数器进行频率测量，假设计时时间为T(s)，此期间计数值为N，则被测频率f=N/T
则CHR-01的阻抗为
 (6)
其中R1与C的选择很关键，电容C要选择高精度电容，一是保证其充放电的能力，二是为了其电容值精确，更方便计算湿敏电阻的返回值。
3.4 GSM模块
本系统采用西门子公司工业级GSM模块TC35i进行远程数据传输。TC35i支持中英文短消息，自带异步串行通信接口，方便与PC机和单片机接口，可传输语音和数据信号，通过AT命令可实现双向传输指令和数据，波特率可达300b/s。它支持Text和PDU格式的SMS(Short MessageService，短消息)，电源范围为直流3.3～4.8V，电流消耗为空闲状态为25mA，发射状态平均为300mA。
3.5 微控制器LPC2148
现场监测站采用了PHILIPS公司基于ARM7 TDMI-S 内核的微控制器LPC2148作为主控制器，完成现场监测站的全局控制。论文参考网。LPC2148内嵌32KB 的片内静态RAM 和512 KB 的片内Flash 存储器，片内集ADC、DAC 转换器，实时时钟RTC，2 UART ,及USB2.0等多种接口。具有JTAG调试接口、方便在线调试，而且应用电路相对简单，开发和生产的成本低。芯片可以实现最高60 MHz 的工作频率，能够满足嵌入式系统μC/OS-II 及人性化的人机界面的要求。大容量的内存，方便了收发短消息时的数据缓冲。
4、系统的软件设计
系统采用GSM无线通信模块TC35i实现远程数据通信，TC35i通过AT命令来进行控制，采用短消息方式进行数据传输。系统软件包括现场监测站软件和监测中心站软件两部分。现场监测站软件主要完成短消息收发、PDU数据协议分析、A/D转换、串口通信及人机接口的功能，其中重点是短消息收发和PDU数据协议分析，这是解决现场监测站与监测中心站之间远程无线通信的关键。论文参考网。监测中心站的短消息收发及PDU数据协议分析与现场监测站软件流程基本相同，不再赘述。
4.1 发送短消息
发送短消息的过程:首先将短消息中心号码、对方号码、短消息内容编码成PDU格式;然后计算出短消息的长度,发送AT+CMGS=〈lenghth〉〈CR〉,〈CR〉代表回车即ASCⅡ码0x0D。等待TC35i模块返回ASCⅡ字符“〉”,则可以将PDU数据输入,PDU数据以〈Z〉作为结束符。短消息发送结束后模块返回〈CRLF〉OK〈CRLF〉。发送短消息流程图如图4所示。
图4 发送短消息流程图
4.2 接收短消息
接收短消息使用定时器进行周期性串口查询的方式。短消息到达后,计算机可以接收到指令〈CRLF〉+CMTI:“SM”,INDEX(短消息存储位置)〈CRLF〉。读取PDU数据的AT命令为AT+CMGR=INDEX〈CRLF〉,执行此命令后模块返回刚刚收到的PDU格式的短消息内容。收到PDU格式的短消息后,将这个短消息进行解码,解码出短消息发送方的手机号码、短消息发送时间、发送的短消息内容。接收短消息流程图如图5所示。论文参考网。
图5 接收短消息流程图
6、结论
为了实现质检所需的优质环境，本文研究一种基于GSM的温湿度远程监测系统。设计了以LPC2148为核心的现场监测终端系统，实现温湿度的采集，短消息收发及人机接口等功能，并通过GSM模块TC35i与监测中心站通信，接受指令并实时上传信息，实现了监测中心对现场温湿度的远程监测。实验表明，本系统传输误码率低，通信可靠，具有很好市场前景，也为高效率远程监测系统的实现提供了一种新方法。
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