司海瑞，王斌儒，張樂(lè)年

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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基于GPRS的2.4G無(wú)線遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

司海瑞，王斌儒，張樂(lè)年

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

摘要：綜述了用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，著重對(duì)STM32F101C8T6芯片和SIM900的硬件電路和軟件編程的要點(diǎn)予以介紹，最終以整個(gè)系統(tǒng)的成功調(diào)試作為檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：芯片；SIM900；通信協(xié)議

0引言

設(shè)備遠(yuǎn)程控制是指從與被控設(shè)備地理位置相距很遠(yuǎn)的地方對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。對(duì)于工業(yè)設(shè)備制造商，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷全國(guó)乃至世界各地時(shí)，設(shè)備的檢測(cè)、維護(hù)、故障判斷往往需要專人到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，人力、物力、財(cái)力投入巨大。在這種情況下采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)就能為設(shè)備制造商提供低成本、快速的服務(wù)響應(yīng)，也提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線通訊子系統(tǒng)部分和GPRS子系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制部分。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)設(shè)備都有一塊采集設(shè)備信息的芯片和一個(gè)無(wú)線模塊，芯片采集到信息后通過(guò)無(wú)線模塊，將各臺(tái)設(shè)備的信息集中到處理器的主模塊上，主模塊通過(guò)串口將信息傳遞至GPRS子系統(tǒng)，并由GPRS模塊將信息發(fā)送，再由服務(wù)器讀出相應(yīng)信息進(jìn)行分析，判斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2芯片選擇

系統(tǒng)上位機(jī)軟件為VC6.0。下位機(jī)采用STM32F101C8T6芯片, SIM900A GPRS模塊以及SM63無(wú)線模塊。其中CPU芯片選用嵌入式微處理器STM32F101C8T6作為系統(tǒng)的處理器。STM32 系列微控制器采用了 ARM 公司為要求高性能、低成本和低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 Cortex-M3 內(nèi)核，擁有功耗控制功能及創(chuàng)新的外觀，并做到了最大程度的集成整合，非常適合低電壓/低功耗的應(yīng)用場(chǎng)合。SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構(gòu),性能強(qiáng)大，可以內(nèi)置客戶應(yīng)用程序。SM63無(wú)線模塊具有成本低廉、建設(shè)工程周期短、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)短距離通信。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1GPRS子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GPRS模塊芯片SIM900通過(guò)串口與STM32芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。在該子系統(tǒng)中，GPRS模塊芯片相當(dāng)于串口，GPRS的數(shù)據(jù)相當(dāng)于串口數(shù)據(jù)。因此對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集就對(duì)應(yīng)了對(duì)串口數(shù)據(jù)的采集。串口采用中斷調(diào)用。串行口中斷服務(wù)程序完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等功能，可接收上位機(jī)發(fā)送給本系統(tǒng)的各種命令，也可將本報(bào)警儀的結(jié)果傳送給上位機(jī)。GPRS子系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　GPRS子系統(tǒng)原理圖

圖2中U_GPRS_Main為該子系統(tǒng)的核心部分，包括STM32芯片，EEPROM，指示燈，看門狗電路及其他保護(hù)電路;U_GPRS_SIM900a包含SIM900芯片及外接電路；U_GPRS_Serial為STM32與DB9接口的電路圖；U_GPRS_Power則是外部電源電路。圖2所示GPRS子系統(tǒng)中主模塊通過(guò)I/O口分別與SIM900和RS232相連。其中利用STM32芯片的USART1連接SIM900，USART2連接 SP323E用于與DB9相連。由于上位機(jī)與下位機(jī)之間要實(shí)現(xiàn)全雙工串口通信，因此需要采用交叉線連接。

2.2無(wú)線通訊子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線通訊子系統(tǒng)同樣采用STM32芯片作為處理器，電路主要包括EEPROM，指示燈，看門狗電路，無(wú)線模塊電路，電源電路及其他接口電路與保護(hù)電路，在與DB9接口連接時(shí)同樣需要采用交叉線連接。其原理圖如圖3所示。

圖3　無(wú)線通訊子系統(tǒng)原理圖

由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)每臺(tái)工業(yè)設(shè)備上均有無(wú)線模塊，因此，需要區(qū)分主模塊與子模塊，并且需要對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行區(qū)分。因此，在設(shè)計(jì)中采用了撥碼盤，用最高位來(lái)區(qū)分主模塊與子模塊，其他位用于確定子模塊的標(biāo)號(hào)。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的流程如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件，上位機(jī)程序用于遠(yuǎn)程操作，一方面要對(duì)GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，另一方面要將控制指令發(fā)送給系統(tǒng)。系統(tǒng)使用VC6.0作為開(kāi)發(fā)工具，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Access 2000。由于涉及遠(yuǎn)程操作，程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于使用CSOCKET類。下位機(jī)使用Keil uVision 4作為開(kāi)發(fā)工具。編寫GPRS子系統(tǒng)與無(wú)線通訊子系統(tǒng)的程序，并通過(guò)JLink寫至芯片。下位機(jī)程序?yàn)榱伺袛嘣O(shè)備是否正常運(yùn)行，采用定時(shí)發(fā)送簡(jiǎn)單的心跳包，如果在指定時(shí)間段內(nèi)未收到對(duì)方響應(yīng)，則判斷對(duì)方已經(jīng)離線。

4通信協(xié)議

由于需要使用GPRS傳輸數(shù)據(jù)因此有必要定義通信協(xié)議表1、表2。

表1　GPRS通信寫入命令通信協(xié)議

表2　GPRS通信讀出數(shù)據(jù)通信協(xié)議

5結(jié)語(yǔ)

遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)的可靠性主要取決于系統(tǒng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊的糾錯(cuò)和校驗(yàn)功能。系統(tǒng)在軟件編寫上設(shè)計(jì)了可編程的等待超時(shí)限制，即若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法得到當(dāng)前測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)，則軟件默認(rèn)通信系統(tǒng)異常，并加入了數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn)，數(shù)據(jù)格式校驗(yàn)等功能以提高系統(tǒng)的診斷精度和抗干擾能力。經(jīng)多次檢測(cè)，系統(tǒng)通信功能良好，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，快速。綜上所述，本課題中的GPRS加2.4G無(wú)線遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中的高速、實(shí)時(shí)的要求。

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Research on Remote Communication System Based on GPRS and Wireless

Model and Its Implementation

SI Hai-rui, WANG Bing-ru, ZHANG Le-nian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and

Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:This paper expatiates on the research and implementation of remote communication system for Industrial field control and focuses attention on the introduction of hardware circuit and software programming of STM32F101C8T6 and SIM900. The test is the fact that the whole system runs successfully.

Keywords:STM32F101C8T6; SIM900; communicating protocol

收稿日期：2014-12-17

中圖分類號(hào)：TN926

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0172-02

作者簡(jiǎn)介：司海瑞(1991-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開(kāi)發(fā)。