崔一然

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延邊 133002）

基于GPRS的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔一然

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延邊 133002）

本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送的核心，通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的網(wǎng)上監(jiān)控。本設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是將GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的監(jiān)測(cè)中來(lái)，實(shí)驗(yàn)室科研人員只需在任何一臺(tái)電腦登錄相關(guān)網(wǎng)頁(yè)即可查看遠(yuǎn)端儀器的運(yùn)行狀況。

GPRS；STM32；無(wú)線；物聯(lián)網(wǎng)

1　研究背景

目前高校或研究所實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備較多，分布在各個(gè)樓層甚至各個(gè)樓宇之間。這樣不僅不便于儀器的統(tǒng)一管理，也不便于實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行高效率的實(shí)驗(yàn)。很多時(shí)候，為了實(shí)驗(yàn)的有序進(jìn)行以及實(shí)驗(yàn)的安全需要，實(shí)驗(yàn)人員需要在實(shí)驗(yàn)設(shè)備旁連續(xù)工作一天甚至更長(zhǎng)時(shí)間，因此實(shí)驗(yàn)室的管理問(wèn)題亟待解決。隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念深入人心，將GPRS應(yīng)用在儀器設(shè)備的使用和檢測(cè)中，將會(huì)大大提高管理和使用的效率。

本設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將GPRS與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)用與管理相結(jié)合，使工作人員可以在監(jiān)控中心、辦公室或任何覆蓋互聯(lián)網(wǎng)的終端上對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨時(shí)得到即時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端無(wú)人值守。

2　系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)共分為3部分：STM32 GPRS模塊數(shù)據(jù)采集終端，GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)站監(jiān)測(cè)中心。

由于第二部分為借用現(xiàn)有的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，故本設(shè)計(jì)只需完成第一部分和第三部分。第一部分是STM32和GPRS模塊數(shù)據(jù)采集終端，主要由STM32單片機(jī)核心，型號(hào)為SIM900的GPRS模塊、各種數(shù)據(jù)采集傳感器等硬件組成；第三部分為網(wǎng)站監(jiān)測(cè)中心，主要分為數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理兩部分，可自己搭建也可以使用第三方的物聯(lián)網(wǎng)開源平臺(tái)。

2.1 系統(tǒng)工作流程

（1）首先數(shù)據(jù)采集終端讀取實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)比如氣壓、溫度、適度、光強(qiáng)等等。本設(shè)計(jì)以溫度數(shù)據(jù)為例展開。采用的是NTC（熱敏電阻）作為溫度傳感器。

（2）數(shù)據(jù)采集終端得到實(shí)驗(yàn)設(shè)備的溫度值之后，需要對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送。通過(guò)控制插有SIM卡的GPRS模塊將所得到的溫度值發(fā)送到指定服務(wù)器上。

（3）GPRS模塊發(fā)送端遵循一定的協(xié)議，將溫度數(shù)據(jù)上傳到互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)站將定時(shí)收到的數(shù)據(jù)制成圖表，易于直觀觀察。

（4）用戶登錄網(wǎng)站，在云端即可查看當(dāng)前溫度值和歷史數(shù)據(jù)。

工作流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體工作流程

2.2 硬件部分介紹

終端硬件主要有3部分：第一部分是該終端的核心，即單片機(jī)；第二部分是數(shù)據(jù)采集部分，即溫度傳感器；第三部分為數(shù)據(jù)發(fā)送部分，即GPRS模塊。

數(shù)據(jù)采集終端是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32系列單片機(jī)，具有非常杰出的功耗控制和眾多的外設(shè)，最重要的是其較高的性價(jià)比。

用熱敏電阻（N T C）作為溫度傳感器，規(guī)格是10K@25℃，該型傳感器的測(cè)量范圍為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃。

GPRS模塊在本設(shè)計(jì)中作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M件，需要有較好的性能。本文選用的是SIM900系列GSM/GPRS模塊。主要特性：支持4個(gè)頻段850/ 900/ 1800/ 1900 MHz；通過(guò)AT命令控制（SIMCOM增強(qiáng)AT命令集）；其采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，并且有豐富的技術(shù)支持，故而最終選用SIM900作為無(wú)線發(fā)射模塊。

2.3 軟件部分設(shè)計(jì)

溫度傳感器的規(guī)格是10K@25℃，通過(guò)采集熱敏電阻的分壓值可以計(jì)算出環(huán)境溫度。

第一步，溫度傳感器與一個(gè)10K固定電阻串聯(lián)分壓，電源電壓為3.3V。STM32內(nèi)置了12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D ）電路，通過(guò)函數(shù)ADC _Software StartConv Cmd （ADC1，ENABLE）；可以啟動(dòng)A/D的第一個(gè)通道。從而讀取現(xiàn)在ADC-TEMP輸出的電壓數(shù)字值A(chǔ)Dx。

第二步，通過(guò)電壓值計(jì)算熱敏電阻阻值。首先得出熱敏電阻兩端電壓：

根據(jù)電壓得出熱敏電阻當(dāng)前阻值：

知道熱敏電阻阻值后可以進(jìn)行查表得知溫度。程序中需要建立數(shù)組，從數(shù)組中進(jìn)行對(duì)應(yīng)輸出。故需要將NTC的溫度—阻值表輸入到數(shù)組中查詢。

利用函數(shù)TEMP=Get _Temperature（void）；就可以將NTC溫度返回到TEMP中，TEMP即為當(dāng)前的溫度值。精度為1℃。

3　單片機(jī)與GPRS模塊間的通信

單片機(jī)和SIM900模塊間是通過(guò)串口協(xié)議和AT指令進(jìn)行的。所以只要掌握了STM32的串口操作和SIM900的AT指令集就可以完成對(duì)SIM900的驅(qū)動(dòng)。

單片機(jī)開機(jī)后要對(duì)SIM900進(jìn)行啟動(dòng)還有一系列的初始化，這些都是通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)的。

STM32有其自帶的串口驅(qū)動(dòng)程序子函數(shù)。在文件stm32f10x _usart.c中可以找到該子函數(shù)：

需要對(duì)串口波特率、奇偶校驗(yàn)、停止位等等進(jìn)行配置：

｛

usart _init.USART _BaudRate = GSM _COMM _ Speed；//設(shè)置串口波特率

usart _init.USART _WordLength = USART _ WordLength _8b； //8位數(shù)據(jù)

usart _init.USART _StopBits= USART _StopBits _1；//1位停止位

usart _init.USART _Parity= USART _Parity _No ； //無(wú)校驗(yàn)

usart _init.USART _HardwareFlowControl = USART _HardwareFlowControl _None； //沒(méi)有流量控制usart _init.USART _Mode = USART _Mode _Rx | USART _Mode _Tx； //可收、可發(fā)【全雙工模式】

｝ //

然后基于上面的串口子函數(shù)，可以編寫更高級(jí)的串口函數(shù)用于GPRS模塊，可以通過(guò)向SIM900發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)：

void GSM _TxString （ INT8U *str ）

｛

while （ *str！ = '