基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設計與實現

霍 濤，賈振堂

（上海電力學院 電子與信息工程，上海 200090）

隨著網絡和現代通信技術的不斷發展，遠程無線通信技術經過多年的研究與實際應用，現如今在工業控制領域有了非常重要的地位，并且發揮著越來越大的作用。文中根據廠家的要求，設計的無線通信模塊，主要實現了短信與數據收發功能，并且做到了模塊的穩定，掉線之后能夠自動重連[1]。

1 無線通信模塊整體設計方案

模塊主要有電源部分、主控部分、通信部分、數據傳輸部分4個部分組成[2]。通信模塊采用SIM900A進行無線通信。主控模塊采用STM32作為主控芯片，來控制短信的收發與數據傳輸的順利進行。遠程終端可以是手機或者上位機的數據中心軟件，經過處理之后，儲存下來，方便日后的查詢。本模塊具有低功耗，方便靈活，操作簡單并且穩定，掉線之后可以自動連接，運行過程十分穩定，并且成本較低。

2 無線通信模塊硬件設計

2.1 功能需求

圖1 無線通信模塊結構圖Fig.1 structure diagram

本文設計的無線通信模塊，要求單12V電源輸入，模塊上電運行后有相應的指示燈來指示模塊的運行狀態。另外要求模塊能夠實現短信以及數據透傳兩大主要功能，在手機發送短信給模塊之后，模塊能夠動作，并給出回應。最后要求在建立TCP鏈接時，仍然能夠收發短信。

2． 2 電源部分

在主電路中，主控芯片STM32的工作電壓為2.0～3.6 V，通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V，為使模塊各個部分正常工作，必須對兩者進行分別供電，電源供電電路如下：

圖中V12外接12 V電源，經過電容濾波后輸入到LM2576，實現12 V到4 V的轉換，R1、R2在線路中起到分壓作用，D2燈亮起時，表示模塊已經正常供電。LM2576是美國國家半導體公司生產的3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路，具有完善的保護電路，比較穩定。

圖2 電源模塊Fig.2 Power Module

2.3 主控芯片

圖3 主控芯片STM32Fig.3 Main control chipSTM32

主控模塊采用STM32單片機作為微控制器，該芯片能工作于-40～105°C的溫度范圍，MAX3232芯片用于串行口的電平變換，實現控制器與通信接口之間的通信[3]。串口1與電源電平轉換芯片Max3223相連，USART1_TX輸出，所以在配置GPIO時，定義該口的模式為推拉輸出，USART1_RX為輸入，定義為懸浮輸入模式。串口2與SN65LBC184D通信，實現數據的收發，USART2_RTS、USART2_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入模式，USART2_CTS、USART2_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。串口3用來控制SIM900A芯片，USART3_RTS、USART3_RX為輸入端口，模式定義為懸浮輸入，USART3_CTS、USART3_TX為輸出端口，模式定義為推拉輸出。

2.4 通信芯片

通信芯片采用SIMCom公司的新型緊湊型產品SIM900A，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足用戶的多種需求[4]。在實現斷線自動重連功能時，涉及到DCD、RI兩個引腳的使用。DCD引腳用來實現模數轉換，當模塊掉線時，會給DCD引腳一個高電平，當這個電平被DCD引腳檢測到之后，模塊就是采取相應的動作，來重新連接上線。RI引腳在模塊上線之后，就一直保持高電平，在有電話和短信進來的時候，RI管腳就會有一個低電平出現，當RI引腳檢測到這個低電平的時候，模塊就會采取相應動作，進入到短信或者電話模式。

3 無線通信模塊軟件設計

3.1 STM32的底層配置

為了實現STM32單片機與SIM900A模塊之間的數據通信，實現短信收發與數據傳輸兩大功能[5]。首先要搭建開發平臺，在工程中加入需要用到的庫函數以及配置文件，然后配置系統時鐘、中斷控制器、輸入輸出的GPIO以及相應的串口[6]。在配置這些參數的時候，首先需要對照原理圖進行編寫，然后查看芯片用到哪些端口和這些端口的作用，這樣才能保證無誤。接下來就要對各個部分進行配置，以保證模塊能夠正常運行[3]。

圖4 SIM900A通信芯片Fig.4 SIM900Acommunication chip

3.1.1 串口配置

開發環境搭建好之后，就可以配置端口參數了。對于本模塊，設置USART傳輸的比特率為9 600 b/s，字長為8 bit，1 bit停止位，無檢驗模式。在對串口1、2、3初始化之后，打開串口的中斷響應函數：USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE)（以串口1為例），使能相應的串口：USART_Cmd(USART1,ENABLE)，這樣串口的配置就基本完成了。

3.1.2 中斷控制器的配置

首先配置優先級分組，設置先占優先級1位，從優先級3位。本模塊定義了5個全局中斷，分別為：兩個RTC全局中斷、USART1全局中斷、USART2全局中斷、USART3全局中斷，分別對每一個中斷配置優先級，使能串口再初始化即可。需要注意的是，PC15管腳作為EXTI15的外部中斷輸入管腳，當該管腳的電平為低電平的時候觸發，模塊進入短信模式，因此給這個中斷一個比較高的優先級，所以定義該中斷先占優先級1位，從優先級0位。在設置優先級的時候，必須根據模塊的運行情況，選擇最優的中斷分組和優先級，才能保證程序運行時，能夠快速的響應中斷。

3.2 無線通信模塊短信功能的實現

1)短信收發具體過程

短信功能的實現主要涉及到兩個關鍵部分，一個是AT命令，另一個是串口的讀寫。AT命令是主控芯片STM32和SIM900A之間的通信協議，完成對SIM900A的控制。短信的收發主要有兩種模式，一種是文本模式，該模式只支持英文內容，另一種是PDU模式。本模塊在完成初始化之后，首先通過USART向SIM900A發送“AT+回車”命令來檢查AT命令是否正常工作，如果返回OK，則表示能夠進行接下來的短信功能[2]。

SIM900A的短信功能主要分為兩個部分，第一：讀取短消息。讀取短消息的設置命令為：AT+CMGR，該命令生效后有兩個返回值：index和mode，index就是接收到的短信的編號，我們將接收到的index內容放在一個長度為30的buf中，再將buf寫入到串口3中，然后再讀取串口3中的內容，這樣，短信的編號就獲取完畢[7]。獲取了短信的編號之后，就能去獲取短信的具體內容，而短信的內容則存放在alpha中，它處于響應的第三個位置，通過get_fw(at_string,phnum,19,2)可將短信的內容取出來，這樣短信的內容就獲取到了。第二：發送短消息。發送短消息的設置命令為：AT+CMGS，首先將發送短信的電話號碼存入到一個buf中，將這個buf寫入到串口3中，以此獲取手機號碼。而短信在發送的時候，短信內容之前會帶一個“>”號，在程序設計時，只要檢測到“>”號時，后面的內容也就是短信發送的內容，最后將短信的內容寫到串口3即可[4]。

2)相應的AT命令

表1 短消息功能的AT命令Tab.1 Short message function’s AT command

3.3 短信命令的定義

本模塊自定義了許多短消息命令來設置或者查詢模塊的參數，具體為：SIP:IP地址設置命令、SPT：端口號設置命令、DID：ID號設置命令、ACON：自動連接命令、PRT：打印命令、LIVE：心跳操作命令、CSQ：信號強度查詢命令。這些指令通過短信的方式來實現對模塊的操作[4]。

拿SIP來舉例，它的實現過程為：首先把短信中的‘=’之前的字符取出來存放在sms_cmd中，然后將sms_cmd與SIP、SPT、DID、ACON、PRT、LIVE、CSQ 來比較，如果等于其中一個，則程序跳轉到相應的部分來執行相應的操作。這里，strcmp(sms_cmd,"SIP")==0，程序跳轉到SIP部分來執行IP部分的操作。然后，將‘=’之后的字符取出來存放在sms_para中。通過字符串比較函數來判斷它是‘？’還是數字。如果是‘？’，則表示該短信命令是一個查詢命令，就只需要用輸出顯示IP號給用戶看。如果是數字，則表示該短信命令是一個設置命令，就需要重新設置某些參數值，來改變模塊的運行過程[7]。對于SIP，如果‘=’之后是數字，就表示該短信是用戶用來設置模塊的IP地址的。此時，就要把當前的IP值賦給模塊的IP值就可以了。最后輸出顯示IP地址設置成功，則SPT部分的操作就完成了。

4 無線通信模塊數據傳輸的實現

4.1 數據格式的定義

數據包的具體格式如下：

數據包頭已經定義為S_PACKET_HEADER結構類型，link_id為DWORD類型，對于發送，填寫目標link_id，對于接收到的數據包，則為源link_id（由服務器自動轉換填寫），結束標志為0x01，數據Data則根據具體的命令而各不相同。

4.2 登陸、退出的協議過程

后臺軟件根據指定的服務器地址和端口號發起TCP連接請求，連接成功后開始命令交互。工作過程描述如下：

1)后臺軟件首先采用CMD_LOGIN命令，登陸到通信服務器，在登陸成功之前，發送其他任何命令服務器都不處理。發送CMD_LOGIN:FORWARD給服務器，攜帶數據為S_TERMINAL。該命令的目標link_id設為0,表示發送給服務器，而不是給其他終端。

2)服務器在CMD_LOGIN:RESPONSE_OK中將其他在線模塊的信息發送過來，從而在客戶端應用程序形成在線模塊列表。后臺若收到 CMD_LOGIN:：RESPONSE_FAILED回應，則失敗。收到CMD_LOGIN:RESPONSE_OK回應,則成功，攜帶數據為S_TERMINAL。

表2 數據包的格式Tab.2 Packet format

3)后臺軟件定時發送 CMD_KEEP_LIVE命令，以維持鏈路不被網絡和服務器終止。每個在線設備必須在一定的時間間隔內向服務器發送CMD_KEEP_LIVE信息。服務器將對此作檢查，若某設備在一定的時間間隔內沒有發送CMD_KEEP_LIVE信息，則認為該設備已經“死亡”，服務器將斷開其連接。

4)后臺軟件 可對模塊列表中的任意模塊進行操控。

5)后臺軟件退出時，用戶設備應首先發送CMD_LOGOFF命令到服務器，告訴服務器 “我要退出”，該命令的目標link_id設為0。在發送CMD_LOGOFF:FORWARD給服務器時，不需要攜帶數據。

圖5 登陸、退出的協議過程Fig.5 The agreement process of log in and withdrawal

4.3 數據傳輸具體過程

首先要定義建立TCP連接與關閉TCP連接的函數，涉及到的AT指令為AT+CIPSTART和AT+CIPCLOSE。建立TCP連接時，先把AT+CIPSTART指令寫到串口3中，然后該指令生效后，會返回一個“CONNECT”，之后只要檢測到有返回值“CONNECT”，就表示TCP連接已經建立成功。關閉TCP連接與建立TCP連接類似，AT+CIPCLOSE指令生效后會返回一個“CLOSE OK”，只要檢測到“CLOSE OK”，就表示 TCP連接已經關閉[4]。

TCP連接建立好以后，透傳模式就已經被開啟，此時就可以實現數據的發送與讀取。

當用戶要發送數據時，就必須根據數據包的結構來發送數據，首先把包頭寫入到串口3中，如果有數據，則把數據內容和接收對象一并寫入到串口3中，這樣數據的發送就完成了。

讀取數據時，只要有數據過來，就一次一個字節，把數據存放到user_string[i]中，然后i++，再次接收數據[7]。

至于數據讀取到什么時候結束，本程序定義了3種結束的情況：1)如果用戶定義了數據的長度，就讀取到最后一個字節才結束。2)如果用戶沒有定義數據的長度，就在讀取到回車符的時候結束。3)如果遇到既沒有已定義的數據包長度，又沒有讀取到回車符的情況時，就在數據存放的長度超過user_string[i]總長度的四分之三的時候結束，或者在超過100毫秒沒有數據發過來的時候結束數據的讀取。

4.4 相應的AT命令

表3 數據傳輸功能的AT命令Tab.3 Data transmission function’s AT command

5 斷線重連的處理

5.1 TCP鏈接的關閉和建立

TCP鏈接的建立涉及到的AT命令是at+cipstart，該指令有兩個返回值，分別是模塊的IP地址和端口號。首先將at+cipstart指令返回的當前模塊的IP地址和端口號存放到一個buf中，然后將這個buf寫入到串口3中，如果之后能夠讀取到返回值“CONNECT”，就表示TCP鏈接已經建立好[2]。

TCP鏈接的關閉涉及到的AT命令是at+cipclose，該指令沒有返回值，可以直接將該指令寫到串口3中，如果檢測到“CLOSE OK”，就表示TCP鏈接已經被關閉。

5.2 DCD的檢測

當TCP建立起來之后，DCD引腳的電壓值便由高電平變為低電平，因此DCD引腳的電平狀態可以用過來指示TCP的連接情況。在程序中，本文設置時鐘在檢測DCD引腳的狀態值，當該引腳的電平值由高電平變為低電平時，就表示模塊模塊已經掉線，然后模塊就重新開始登陸，直到登陸上為止。

5.3 TCP鏈接下的短信收發

本文定義了一個全局中斷，當有短信或者電話到達模塊時，RI引腳的電平便會由高電平變為低電平，此時便會觸發全局中斷，模塊立即轉而處理短信收發或者數據傳輸。

圖6 RI引腳在短信和電話時的電平變化Fig.6 RI pin’s level change in the SMS and Ring

6 測試效果

本模塊在設計完成之后，在實驗室穩定運行了2周時間，沒有出現什么問題。然后又進行了特殊情況的測試，在模塊斷電后恢復供電，數據中心斷電后重新上電的情況下，都能夠重新連接上線，并且能夠繼續穩定運行。隨后模塊又被送到廠方使用，在被使用了3周之后，廠方反應模塊運行情況良好，沒有掉線的情況[8]。

7 結論

本文設計的無線通信模塊，是利用STM32來控制SIM900A芯片，來實現短消息的收發與數據的無線傳輸。本設計完成了無線通信的硬件部分和軟件部分的設計與實現[9]。在多次運行試驗時，本模塊沒有出現掉線以及發熱等問題，非常穩定。本次設計成本較低，運行穩定可靠，應用范圍十分廣泛，利用SIM900A，降低了模塊的成本，使其更加具有商業價值。

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